結構耐火試驗在軌道交通中的應用

冷映麗 薛淑勝 張 琳

（南車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師）

2003年韓國大邱地鐵火災事故敲響了列車火災安全的警鐘，各國競相開展列車防火工作。歐美及日本等國在列車防火上處于領先，已建立了完整的列車防火標準體系（如英國的BS 6853、德國的DIN 5510、法國的NFF 16101等），將列車防火作為一項系統工程進行，包括材料選擇、結構件耐火能力評估以及列車的防火設計等。結構件耐火能力是評估列車耐火性能的一項重要試驗。該試驗借鑒建筑中的耐火試驗標準，根據標準規定的溫升變化在結構件的一面進行加熱，以評估結構件的完整性時間以及隔熱效果。通過這個試驗的評估，可以得出有效的救援時間，并設計合理的救援方案。

1 列車防火標準及耐火試驗

1.1 列車防火標準中的耐火試驗

建筑構件耐火試驗分為水平耐火試驗和垂直耐火試驗兩部分。表1為使用較廣泛的列車防火標準中提出的結構件耐火要求。法國和德國暫未提出該項試驗要求。

表1 各標準中的結構耐火試驗［1－4］

1.2 耐火試驗原理

各試驗的測試原理相同，且均分為水平耐火試驗（見圖1）和垂直耐火試驗（見圖2）兩類。水平耐火試驗使用于水平結構件，如底架；垂直耐火試驗使用于垂直結構件，如隔墻。試驗時，將樣件安裝在試驗爐上，在受火面升溫；其溫度變化模擬發生火災時的溫度變化，由熱電偶獲得背火面的溫度變化；通過棉花墊等工具及觀察判斷樣件是否被破壞。

圖1 水平耐火試驗原理圖

圖2 垂直耐火試驗原理圖

1.3 試驗方法比較

從表1中可以看出，結構件耐火試驗方法采用了BS 4766－20、ASTM E 119－00a和ISO 834三種測試標準。這些標準的試驗內容分為兩個系列：①以ISO 834為代表，如英國（BS 476－20）、中國（GB 9978）以及歐洲標準等，其溫升條件以及判斷依據都相同；②以ASTM E 119－00a為代表，如美國（NFPA 251）、加拿大等，其溫升條件和判斷依據與ISO 834不同。本文分別介紹兩種方法在溫升條件和判斷依據上的差別。

1.3.1 溫升條件

ISO 834標準中溫度與時間的關系式［5］為：

式中：

T——爐子的平均溫度，℃；

t——時間，min。

該溫度變化未考慮著火環境的幾何參數和熱工參數等因素［6］，與實際火災溫升存在一定的差別；但該溫升條件簡單，對溫升爐控制要求簡單，可實施性強。

ASTM E 119－00a標準根據下式進行溫升［7］：

該公式較為復雜，溫升爐控制也更復雜。圖3分別為根據式（1）和式（2）得到的60min內溫升曲線。前6min內，2條溫升曲線存在較大溫差；6min后，考慮允許誤差，可認為根據兩個標準所得的溫升幾乎相同。國內的試驗室，兩個標準下采用的試驗爐為同一個，僅對溫升變化進行微調。

圖3 標準溫升曲線

1.3.2 失效判斷

兩個標準中，樣件的耐火性能均根據完整性、隔熱性兩項指標進行判斷。兩類測試標準判斷方式的差異如表2所示。

表2 ISO 834－1和ASTME 119－00a的失效判斷

2 國內項目試驗內容

國內的列車項目中，多根據BS 6853的要求對列車地板和司機室后隔墻進行耐火試驗。現結合已經開展了的耐火試驗，對試驗結果進行說明。

2.1 列車地板耐火試驗

圖4和圖5為國內某項目列車的地板樣件水平耐火試驗。從圖4中可以看出，經過60min的升溫后，地板樣件無裂縫、無明火、無熱氣現象，試樣結構無明顯變化，僅地板布多處鼓起氣泡。圖5為背火面的溫升曲線，樣件經過60min后的最高溫度為144℃（乙型梁位置處），平均溫度為130℃。

圖4 60min后樣件圖

圖5 背火面溫升曲線

2.2 司機室隔門耐火試驗

在某項目試驗過程中，隔門為司機室后隔墻結構中耐火性能最弱區域，對其進行耐火試驗能反映隔墻的整體耐火性能。試驗樣件包括門框、門板、門鎖、鉸鏈等反映隔門結構的部件。試驗根據BS 476－20進行。在21min內，隨著溫度升高，從門縫中釋放出部分煙霧，膨脹膠條受熱膨脹使門縫被填滿，將煙霧和火焰封堵，有效阻止了火焰的蔓延。經過21 min溫升作用后，樣件背火面結構完整（見圖6）。

3 列車結構耐火試驗和設計建議

我國的許多列車項目中，對列車結構提出了耐火試驗要求，在列車結構設計時也要考慮列車耐火性能。針對耐火試驗中遇到的問題，現對結構件防火設計提出以下建議：

圖6 21min時隔門試驗照片

（1）列車結構中的受火面為與可能存在火源區域直接接觸的面，背火面為與需要保護區域接觸的面。若結構件的兩面都可能存在火源時，采用耐火性能較弱的一面進行試驗，或兩面均作為受火面分別進行耐火試驗。

（2）在耐火結構設計中，選用的受火面材料應能承受800℃左右的高溫，如不銹鋼或耐火涂料等。

（3）盡量采用三明治結構，加入隔熱層，降低結構熱導率，以滿足結構耐火試驗中的隔熱要求。

（4）含門的垂直隔板耐火設計中，最容易被破壞的上門框是防火設計的重點。

（5）合理采用膨脹封堵防火技術。在選擇膨脹封堵材料時，應盡量選擇膨脹溫度點低且膨脹倍數相匹配的材料，以及受熱時煙釋放量少、阻燃或不燃、對人體無害的材料。

［1］ BS 6853 Code of practice for fire precautions in the design and construction of passenger carrying trains［S］.1999.

［2］ UIC 564－2Regulations relating to fire protection and firefighting measures in passenger carrying railway vehicles or assimilated used on international services，［S］.1991.

［3］ prEN45545－3Railway applications－Fire protection on railway vehicles part3：Fire resistance requirements for fire barriers［S］.2010.

［4］ NFPA 130Standard for fixed guide way transit and passenger rail systems［S］.2000.

［5］ ISO 834－1Fire－resistance tests－Elements of building construction－part 1：General requirements［S］.1999.

［6］ Wong M B，Ghojel，Crozier.Temperature－time analysis for steel Structures under fire conditions［J］.Int J Struct Eng Mech，1998，6（3）：275.

［7］ ASTME 119－00aStandard test methods for fire tests of building construction and materials［S］.1987.

［8］ 孫末囡.歐洲軌道車輛材料防火標準及其啟示［J］.城市軌道交通研究，2010（4）：79.