对钢结构建筑火灾现场痕迹识别技术的研究

　　本文主要通过对 钢结构火灾现场建筑构件的倒塌痕迹、变形痕迹、变色痕迹及熔化痕迹等方面的 研究，归纳总结出行之有效的 钢结构建筑火灾现场痕迹的识别技术，针对 钢结构建筑火灾容易出现的大面积倒塌、现场挖掘勘验费时费力、起火部位起火点难以确定等问题提供解决方法与技术支持。
　　
　　关键词：钢结构建筑；火灾；痕迹识别
　　
　　钢结构系统具备强度高、自重轻、造价低、建设周期短等优势，已广泛应用于工业厂房、机场车库、体育场馆、购物中心等建筑，但此类建筑的火灾发生频率呈现逐年上升趋势，特别是重特大火灾时有发生。如1998年北京玉泉营环岛家具城火灾；2003年8月浙江台州飞跃集团股份公司火灾等。在火灾现场勘验过程中，由于建筑倒塌后现场的复杂性，给火灾原因认定带来了很大的困难。
　　
　　 钢材在高温作用下表现出特有的性质，钢结构建筑火灾现场也呈现出其特有的痕迹物证。通过对钢结构火灾现场建筑构件的倒塌痕迹、变形痕迹、变色痕迹及熔化痕迹等方面的研究，归纳总结出行之有效的钢结构建筑火灾现场痕迹的识别技术，针对钢结构建筑火灾容易出现的大面积倒塌、现场挖掘勘验费时费力、起火部位起火点难以确定等问题提供解决方法与技术支持。
　　
　　钢结构是土木工程中非常重要的结构形式，在工业与民用建筑等土木工程中得到了广泛地应用。钢结构建筑主要包括单层或低层建筑、多层或高层建筑等，是以钢结构为骨架，配以具有防火、防水、隔声、隔热等功能的墙板和楼板拼装而成。钢结构的特点是强度高，质量小；韧性好，塑性强，抗震性能高；制造简单， 施工周期短；钢构件受热易变形，导致建筑物倒塌。
　　
　　在近现代钢材逐渐普及使用后，随之带来的钢结构建筑火灾频率的逐渐升高，1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢柱、钢梁和楼盖钢桁架的严重破坏；2001年9月11日美国纽约世贸中心大楼南北楼分别被劫持客机撞击后发生大火，经过一个多小时的燃烧后南北楼相继倒塌。
　　
　　研究表明，钢材强度随温度上升而逐渐下降，当温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别下降1/3、1/2和2/3；当温度超过700℃时，构件强度要减少80%此时钢结构建筑极易发生变形倒塌等。在实际中大部分钢结构建筑火灾常发生于仓库，仓房，商场，简易工棚等，空间跨度大，门窗多，通风好，可燃物料多，一旦发生火灾，火势会越烧越旺，在较短时间内火灾就会发展到猛烈阶段；此时由于钢材本身耐火极限低，导热速度又很快，在很短时间钢材强度将丧失殆尽，加之很多钢结构建筑的钢构件未采用防火 涂料保护，即使采用了防火 涂料的，因其质量不同而价格有高低，部分单位为节省投资选择质量差的防火涂料；且钢结构的主体 设计使用年限一般是50年，而 钢结构防火涂料的使用寿命远低于50年，企业一般不太可能自行在防火涂料失效后重新涂刷，这样就造成在钢结构使用后期,涂覆在其上的防火涂料起不到防火作用。另外在某些厂房或是仓库、工棚类的钢结构，其墙体与屋面板采用的填充 材料往往是聚氨酯和聚苯乙烯这两类耐火极限非常低的 材料，当发生火灾时，往往会加速依附的钢构件升温，导致构件更快被破坏，建筑因此发生变形甚至倒塌。
　　
　　因高层与超高层钢结构建筑火灾发生少，案例有限，且高层钢结构建筑火灾发生变形倒塌后，现场痕迹特征不明显，因此本 论文以日常生活中常发生轻钢及大跨度钢结构建筑火灾现场痕迹识别着重讨论。
　　
　　倒塌痕迹作为勘验火灾现场的一种重要痕迹物证，在钢结构建筑火灾中同样不容忽视。钢结构建筑构件的倒塌的形成，很大原因是由于钢材的高温力学性能的外在表现:钢材的刚度指的是钢材抵抗变形形变的能力大小，刚度K=EA/L,其中E为弹性模量，A为横截面积，L为垂直于截面长度。当在火灾现场中时，横截面积A其由于热胀冷缩的大小变化忽略不计，其弹性模量随温度升高而急剧降低，导致刚度K急剧减小，钢材刚度过小，无法抵抗变形保持原状。受火钢结构失稳发生变形倒塌等。
　　
　　钢结构建筑火灾的倒塌痕迹作为建筑火灾痕迹的一种，它遵循建筑火灾的一个基本规律：即向着起火部位或迎着火灾火势蔓延来的方向倒塌，但钢结构倒塌痕迹的分析及证明作用又区别于其他火灾现场的倒塌痕迹，它有着自身特征。钢结构建筑的倒塌分为局部倒塌和整体倒塌，但无论是怎样的倒塌，都是一部分一部分的倒塌，一般不会一次性全部倒塌。钢结构建筑倒塌后，在火灾中由于其整体连接性好，受灭火影响位置变动较小。如现在使用广泛的许屋架建筑的屋面是由不燃材料 彩钢板或镀锌铁皮制成，火灾后仍能较完整的保存现场，而不像木屋架建筑火灾后，受灭火及其他因素影响，屋顶塌落物位置变动较大。钢屋架建筑火灾中屋面的倒塌形状常见的有U形、斜面形、和梯形倒塌痕迹。
　　
　　钢屋架建筑火灾中，如果建筑内的火灾荷载高，屋顶两侧出现相向倒塌时常常形成U形屋面倒塌形状，其特点是横梁与两侧柱仍然连接在一起。斜面形屋面倒塌形状是由于火灾发生在靠近建筑物一侧形成的。钢屋架建筑起火后，先被烧的部位由于靠建筑物的一侧，导致横梁与柱的连接点先失去强度，变形脱落形成斜面形屋面倒塌形状。在多跨建筑中，若钢屋架屋面大面积倒塌，屋面既有斜面形倒塌形状，又有U形倒塌形状，则火灾发生的部位肯定在U形屋面倒塌痕迹处，因为如果先产生的是斜面形倒塌形状，说明火灾蔓延的过程中，火势先烧到起火跨与临跨共用的立柱，这个共用的立柱与相邻的横梁连接点首先在高温作用下失去强度发生脱落，而在此种情况下的屋面倒塌形状肯定是斜面形，不符合U形倒塌形状的特征，所以应是有U形发展成斜面形。梯形屋面倒塌形状通常是由于横梁在柱的一侧支座处脱落或钢屋架建筑屋面斜面形倒塌后火灾继续向未脱落一侧蔓延形成的。
　　
　　钢结构建筑构件变形的原因是钢的强度随火场温度升高而降低，钢材在升温初始阶段，弹性、塑性的变化不大，但在250℃左右时，钢材抗拉强度提高而冲击度韧性下降，这种现象叫做蓝脆现象(表面氧化膜呈现蓝色)。当温度超过300℃以后，屈服点和极限强度显著下降，达到500℃，其强度对比原来下降约一半，到达600℃时其强度对比原来下降了2/3。一般钢结构建筑在 设计师，所考虑的常温下受荷载作用下截面应力值是屈服点的一半，因此，温度上升至500℃时，屈服强度下降到常温的一半时，构件发生塑性形变而破坏，到600℃时强度几乎殆尽。此时建筑在纵向压力和横向应力的双重作用下，钢结构就会发生扭曲变形。由于钢的热膨胀系数同样不小，在火灾中受热后膨胀比较严重，钢构件两端受限制或各面被固定的钢构件，也可能产生膨胀变形痕迹，膨胀程度同样受温度的高低的影响，温度越高，热膨胀程度越大，变形越大。
　　
　　钢结构建筑构件在火灾中由于高温的作用，其强度逐渐降低，一般离起火部位越近，其强度相对于其他部位的钢构件及钢构件本身的其他部位降低的更多，在无外加载荷的情况下，表现为面向起火方向向下变形软化，当在有外加载荷的情况下，则向着受力方向变形。同时由于热膨胀作用，受火面的钢面热膨胀程度大于非受火面，钢构件向着非受火面弯曲变形。但一般热膨胀变化程度小于因强度减弱而造成的变形程度。
　　
　　在火灾中，钢的迎火面首先受到火灾热作用，强度下降，在没有外加载荷作用的前提下，一般向着起火点变形，在有外加载荷的情况下，则向着受力方向变形，这是钢结构建筑构件变形痕迹证明作用的依据。钢结构建筑由各类钢构件通过高强度螺栓等连为一个整体，当某部分的钢构件在火灾现场受到高温火焰及热烟气等影响而发生变形时，必然带来以该构件为轴的局部范围的建筑构件变形。以一个 轻钢结构建筑的基本承重单元——门式钢架为例，在火灾现场由于高温的作用，其梁、柱都将发生不同程度的变形，其变形的形式主要有两种：单向倾斜变形和两侧向中间变形。若起火部位靠近门式钢架立柱附近，火灾初期钢立柱直接受到火焰热辐射作用，塑性增加，而横梁受上升烟气700℃以上的高温作用，强度迅速下降；由于自身应力作用，门式钢架的梁和柱最先受热出向着起火点发生变形，而梁和柱的另一端离起火部位较远，受温度作用不大，钢材强度下降较之更小，但受到另一端变形形变的推应力作用，钢立柱向外弯曲，从而形成钢构件单向倾斜变形；如果起火部位位于门式钢架中部，在门式钢架这组合体中，由于火灾温度对两边立柱的作用基本相同，且由于悬浮热烟气的作用，钢梁受热后先于立柱失去承载能力而向着起火部位倾斜，同时，倾斜钢梁牵拉两边立柱向内倾斜，整个钢架形成两侧向中间倾斜的钢构件变形痕迹，其最终痕迹类似图3.5所示，钢结构由两边向中间倾斜。在整个火灾现场中，火灾温度作用范围随时间逐渐扩大，最初受到高温作用的一个或两个钢架变形发生，此时钢架组成的其余建筑部分还未发生变形，因此，变形钢架与未变形钢架通过连接构件相互牵拉，产生作用力与反作用力，这种作用形式，在火灾初期会在连接构件上留下明显痕迹。主要是起火部位两个门式钢架钢柱发生相向扭曲变形，或是起火部位附近钢架的连接构件被拉长，连接点被拉断。
　　
　　钢结构建筑构件在空气中会和氧气发生反应，在钢构件表面形成氧化层。钢铁的氧化过程受温度影响很大，温度越高，氧化越快。由于钢在不同条件下的氧化产物不同，使钢的颜色发生变化，因此，钢的氧化变色痕迹和受热温度之间存在对应关系。钢在火灾条件下会在其表面发生较常温条件下快得多的氧化反应，产生铁的氧化物锈化层。如果再在高温并在有水或水蒸气的作用下会生成一部分氢氧化物，在二氧化碳气氛下还会生成少量碱式碳酸铁。当火场温度继续升高时钢结构构件将由各种氢氧化物与碳酸物分解为铁的氧化物锈层。因此，火场中随着火灾时间与火场温度的变化，钢结构构件的颜色也发生一系列变化。
　　
　　钢结构构件受热温度和时间不同，形成的氧化层颜色也不同。在火场中，处于不同部位的钢结构构件，甚至在同一构件上的不同部位的温度差也很大。因此，在其表面上形成的颜色有明显的层次，特别是薄板型黑色金属。一般情况下，黑色金属受热温度高，作用时间长的部位形成的颜色呈各种红色或浅淡色，颜色变化层次明显，特别是温度超过800℃以上的部位在其表面上还出现发亮的“铁鳞”薄片，质地硬而脆。当无涂层覆盖的钢铁在火中氧化时，表面首先变成无光泽的蓝灰色。氧化能够形成剥落的厚氧化层。火灾之后，如果金属已被打湿，就能够出现通常锈色的氧化物。在不锈钢表面上，中等氧化形成色纹，严重氧化将形成不光泽的灰色。氧化能够形成分界线，氧化厚度能够显示出火的大小和加热量的多少。受热温度越高，受热时间越长，氧化越严重。
　　
　　在火灾作用下，钢材受热痕迹表面也会氧化变色，主要是铁在火场高温作用下产生了Fe2O3、Fe3O4、FeO等，分别显示不同的颜色。
　　
　　在不同的钢构件乃至同一构件的不同位置由于受到火场辐射热量的不同因而其温度不同，表面所呈现出的颜色也有相应的不同，可以通过观察钢构件颜色变化的层次性来判断钢结构建筑火灾起火部位。在实际火灾现场中，钢结构构件表面的颜色会呈现明显的层次性，一般以起火点为中心向外呈现出淡黄色—黑红色—蓝色；有些黑色金属构件涂油油漆，或表面采用烤漆、喷塑，不易辨别颜色的变化情况，但可以通过金属表面油漆层被烧变色、裂痕、起泡等变化层次，找出温度变化顺序。而一般我们认为离起火点起火部位越近，受火时间越长的，温度将会越高。
　　
　　钢结构建筑构件在火场中熔化痕迹的形成，可以分为两种原因，一是由于各类金属构件熔点不同，当火场温度达到该种金属的熔点或熔化温度范围时，该金属吸收热量，克服分子间作用力，由固态转变液态，金属因发生熔化，形成熔痕；二是在电弧的作用下产生瞬间高温，使得金属产生熔化痕迹。各类金属以及合金的熔点相对不同，在火场高温的作用下，一般金属构件不易被熔化，只有熔点较低的金属能够被熔化，如铝及其合金；但由于短路等其他原因产生电弧能在大部分金属上留下熔化痕迹。
　　
　　火灾温度下，钢结构建筑中构件金属受热达到熔点开始熔化，不同金属熔化温度不同，因此现场相应地形成不同程度的熔化痕迹。
　　
　　温度继续升高，作用时间增加时，其熔化面积扩大，长度变小，熔化程度变重；并且面向火源或火势蔓延方向的一侧首先被加热融化，程度对比非受热面更重，形成明显的受热面。
　　
　　另一方面，若是由电气原因产生的电弧金属熔痕由于导体短路形成的，且一般电弧金属熔痕形成的熔珠与熔坑在微观形貌上和火烧熔化痕迹有着明显不同：电弧熔痕一般为细小的柱状晶或胞状晶组成，有气孔，其中一次短路熔痕内部气孔少而小，二次短路熔痕内部气孔多而大；而火烧熔痕则以粗大的等轴晶为主，几乎无气孔。
　　
　　钢结构建筑构件在火场温度作用下金属熔化程度与温度有着内在联系，不同的金属有着不同的熔点，同类金属熔化程度不同，熔化程度大的部位温度高，而熔点低的未熔化而熔点高的金属已经熔化的说明熔点高的金属部位温度更高。一般金属受火灾温度作用后形成的痕迹轻—重的顺序为：金属表面涂料变色—起泡—金属表面变色—变形—熔化。这种痕迹和排列顺序正好与火场温度由低到高的变化顺序相对应，指明火势蔓延方向。火灾现场中金属构件熔化时，面向蔓延方向的一侧受热温度高，熔化严重，而背火面熔化相对较轻。起火点一般在被熔化部位，即温度最高部位。这为火灾调查人员判断火场各部位温度范围及温度提供了科学依据。若发现电弧熔痕，则应进一步分析该熔痕是火灾前短路形成的还是火灾中短路形成的，即一次短路或是二次短路。若为一次熔痕，也称原发性短路，该短路位置很可能为起火点，这为需找起火点起火原因提供帮助。
　　
　　通过本课题的研究讨论，初步找到了钢结构建筑火灾现场常见的痕迹特征：钢结构建筑构件倒塌、变形、变色、熔化等痕迹；总结了这些痕迹的形成机理，同时通过这几种痕迹的证明作用得到了钢结构火灾现场简单、易行的证明起火点起火部位或是火灾蔓延方向的方法。在寻找这些痕迹及利用其证明作用时，要始终把握火灾现场的高温导致各类痕迹形成的基本原则，对这些痕迹处进行力学、化学分析，从而找出温度分布与钢结构倒塌、变形对应关系，进而为火灾现场勘验指明方向。