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木结构吊脚楼古建筑室内可燃物或者建筑构件被火源点燃后,可燃物表面气相成分发生燃烧形成火焰,火焰高度及燃烧产生的高温会进一步促进木结构吊脚楼古建筑室内火蔓延。
木结构吊脚楼古建筑火灾过程中,火焰是引起火蔓延的主要因素,火焰高度作为火焰的主要参数,随时间发展而改变,想要确定火焰高度变得十分困难。除通过试验图像观察火焰高度外,国外学者根据大量试验研究提出可以计算火焰的经验公式。
火焰高度的研究中,由于火焰与空气之间存在不稳定性,Cetegen [24-27] 通过研究火焰脉动频率研究火焰高度,并提出火焰脉动频率的计算方法,可表示为
式中, K 为试验取值，取值为 0.5; v 0 为开口处流体流速,m / s。
Thomas等 [28] 将平均火焰高度定义为可燃气体与卷入火焰内部的空气完全反应时的高度,并提出基于火焰脉动频率的火焰平均高度计算公式。可表示为
式中, L 为火焰高度; D 为燃烧床的直径; m 为可燃气体的质量流率; ρ 为可燃气体的密度; g 为重力加速度; β 为空气膨胀系数;Δ T 为火焰与环境温度差值。
SFPE消防工程手册 [15] 介绍了Heskestad等学者提出的平均火焰高度公式,可表示为
当
Q
e
处于 7 ~ 700
时,Heskestad提出的平均火焰高度公式计算结果与试验观察结果较为吻合。
单个木结构吊脚楼古建筑室内火灾发生及发展过程同其他建筑室内火灾一样,具有相同的规律,都经历由小到大、由发展到熄灭的过程。建筑室内火灾发展过程主要分为四个阶段 [29] ,如图 1.2 所示。
图 1.2 室内火灾发展过程
1)起火阶段
建筑物室内可燃物被点着后,最初只是起火部位及其周围可燃物着火后缓慢燃烧,建筑室内仅仅发生局部燃烧,此过程火灾燃烧时受周围环境影响较小,且由于燃烧物数量少,因此室内升温速率较低。随着室内火灾的发展,室内火灾实际情况可能会出现 3 种燃烧现象:①可燃物距离其他可燃物较远,被火源点燃后,燃尽而导致火灾终止;②室内通风不良,火灾发展过程中由于通风供氧条件限制,可燃物以缓慢的燃烧速度持续燃烧;③室内不仅存在大量可燃物,而且具有良好通风条件,导致局部火灾发生后迅速引起周围可燃物燃烧,火灾进一步发展导致燃烧面扩大。起火阶段由于燃烧面积不大,燃烧面积仅仅局限于起火部位,此时室内仅燃烧物周围存在高温,而整个室内平均温度仍然较低,热对流及热辐射强度低,火灾发展缓慢。
2)成长阶段
木结构吊脚楼古建筑本身构件以及家具、家用电器等室内可燃物火灾蔓延是导致火灾发展扩大的主要原因。室内可燃物被火源点燃后,由于室内存在大量可燃物及充足的氧气,局部燃烧可燃物快速引燃周围可燃物,室内温度逐渐升高,热对流与热辐射强度显著增强,室内平均温度进一步升高,火灾周围可燃物热分解产生可燃性挥发物质,火焰向周围可燃物蔓延。
3)全盛阶段
由于室内温度升高,室内可燃物及木结构构件热分解产生大量可燃性挥发物质,室内温度引燃可燃性挥发物质,室内可燃物表面迅速起火,室内火灾由局部燃烧迅速转化为猛烈的全面燃烧,出现轰燃现象。
轰燃现象发生后,室内可燃物均猛烈燃烧,不仅火灾烟气温度迅速升高达到最大值,室内平均温度也迅速升高,并出现持续性高温,标志着室内火灾发展从缓慢燃烧的初期增长阶段进入全盛阶段。该阶段是室内火灾发展过程中的火灾最严重阶段,室内可燃物全面燃烧引起木建筑构件迅速燃烧,木楼板、木隔墙、木门及木窗等薄弱木构件迅速烧穿,高温烟气及火焰迅速向室外蔓延,火灾进一步向周围建筑物蔓延(本书主要研究单个木建筑火灾,不深入分析火灾向周围建筑蔓延而引起的其他特征及现象)。木结构吊脚楼古建筑本身由于木柱及木梁等承重构件在燃烧过程中承载能力下降,房屋可能出现坍塌。
4)衰退阶段
经过全盛阶段的猛烈燃烧后,木结构吊脚楼古建筑的室内可燃物大多被烧尽,同时由于自身承载能力降低,可能会出现坍塌现象,火灾燃烧剧烈程度迅速降低,室内温度快速降低,燃烧进入衰退阶段,燃烧向熄灭方向发展。但衰退阶段后还能维持较长时间高温,可能引起复燃。
木结构吊脚楼古建筑发生火灾过程中,尤其需要注意轰燃与复燃。轰燃阶段烟气温度急剧升高,有毒有害物质迅速释放,室内氧浓度迅速降低,因此在火灾发生后,应及时疏散室内人员,并及时采取措施灭火,防止出现轰燃现象 [30] 。木结构吊脚楼古建筑由于建筑构件可燃,轰燃发生后,木建筑承重构件易燃烧失效导致建筑坍塌,人员疏散及救援难度极大。
木结构吊脚楼古建筑在发生火灾后,单个木结构吊脚楼古建筑室内火灾蔓延受多种因素影响,除可燃物自身因素影响外,还受到环境因素的影响。可燃物自身因素包括:可燃物密度、含水率、厚度、热力特征及材料属性(挥发特性)等。环境因素包括:可燃物放置位置、室内流场速度、氧浓度及环境温度等。室内火灾蔓延机理如图 1.3 所示。
图1.3 室内火灾蔓延机理
1)可燃物自身因素
可燃物发生燃烧时,可燃物在高温条件下受热分解产生可燃性挥发物质,热分解过程受可燃物自身的密度、含水率、厚度、热力特征及材料属性等因素影响 [31] 。可燃物含水率越高,其热分解速度越慢,火蔓延速度就越低,含水率过高还可能导致火无法蔓延。可燃物的挥发特性越强,热分解产生的可燃物质含量就越多,燃烧越剧烈,火蔓延过程就会加快。
2)环境因素
室内可燃物燃烧发生后,会受环境温度、氧浓度、流场速度等因素影响 [32] 。室内温度降低,热辐射和热对流作用明显减弱,火蔓延速度降低。室内氧浓度较低时,可燃物表面火蔓延速度与强迫逆流速度成反比 [33-34] 。可燃物起火位置不同时,燃烧时的流场速度、得氧情况及周围可燃物情况均不一样,因此可燃物起火位置对室内火蔓延影响程度较大 [35] ,实际生活中室内起火源主要为沙发、床、地毯等织物,也有老化的电线及电气设备。可燃物所处位置不同时火焰蔓延规律不同,可燃物位于墙角时相较可燃物位于水平面及竖直面情况下火焰蔓延速度更快,火灾危险性更大。