李鵬飛，蔡明君，朱旭，呂濤

(1.中車長(zhǎng)春軌道客股份有限公司國(guó)家軌道客車工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130000;2.呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)*

城市軌道交通車輛已成為人們出行的重要交通工具之一，在帶來(lái)便捷的同時(shí)，如何確保城市軌道客車車輛防火安全性能也成為了一個(gè)重要課題［1］.由于其具有空間密閉，人員密度大和疏散困難等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，必然會(huì)造成不可估量的損失［2］.這就要求在車輛研制初期，針對(duì)車輛各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采取必要的防火隔熱措施，設(shè)計(jì)合理的隔火結(jié)構(gòu)來(lái)提高車輛整體的耐火性能［3］.與國(guó)外相比，我國(guó)的軌道客車火災(zāi)應(yīng)對(duì)研究［4］及防火標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)滯后［5］，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)項(xiàng)目均對(duì)軌道客車車輛的防火性能提出了更深入的要求［6］.車輛的底架的防火性能又是制約整車防火安全的重要因素，如何提高車輛底架的結(jié)構(gòu)耐火性能已成為車輛防火工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)［7］.本文依據(jù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛的防火標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋁合金軌道客車地板不同耐火結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試并分析，提出車輛底架防火設(shè)計(jì)建議，為車輛地板結(jié)構(gòu)防火提供了參考.

1 典型地板結(jié)構(gòu)

根據(jù)軌道車輛的正常使用環(huán)境及工況，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)耐火的地板試驗(yàn)樣件，參考BS 6853 7.1.2節(jié)規(guī)定，設(shè)計(jì)并制作地板樣件為1 m×1 m(建議為1.1 m×1.1 m，受火面更大，同時(shí)滿足試驗(yàn)設(shè)備要求)，試驗(yàn)樣件與真實(shí)車輛上地板的結(jié)構(gòu)相同，所有的地板穿透物(如線纜和管路)以及地板表面所鋪裝的地板布所采用的材料也與實(shí)際車輛完全一致［8］.

1.1 地板結(jié)構(gòu)1

鋁合金車體底架+鋁蜂窩地板:地板結(jié)構(gòu)從下至上依次為鋁車體底架、鋁合金型材支撐，橡膠墊支撐、鋁蜂窩地板和地板布(如圖1所示)，試驗(yàn)構(gòu)件尺寸為1 000 mm×1 000 mm×120 mm.

地板第1層為鋁合金型材組焊的鋁車體底架，是軌道客車地板結(jié)構(gòu)的支撐主體.

第2層鋁蜂窩地板與鋁型材車體中間無(wú)防寒材，鋁蜂窩地板與鋁車體底架之間采用鋁型材支撐+橡膠墊作為支撐，在車輛正常運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)減震降噪的作用.

第3層為鋁蜂窩地板，是車內(nèi)地板的主體結(jié)構(gòu).

第4層為PVC地板布，用膠粘劑鋪裝在鋁蜂窩地板之上，與乘客直接接觸.

圖1 地板結(jié)構(gòu)1

1.2 地板結(jié)構(gòu)2

鋁合金車體底架+鋁蜂窩地板:地板結(jié)構(gòu)從下至上依次為阻尼性防火涂料、鋁車體底架、橡膠墊彈性支撐、防寒材、鋁蜂窩地板和地板布(如圖2所示)，試驗(yàn)構(gòu)件尺寸為1 000 mm×1 000 mm×120 mm.

圖2 地板結(jié)構(gòu)2

地板第1層為覆涂阻尼型防火涂料的中空鋁合金型材組焊的鋁車體底架，這是鋁合金軌道客車地板結(jié)構(gòu)的主體，涂料起到耐火隔熱作用，鋁合金型材主要作用是支撐.

第2層為鋁蜂窩板與鋁合金車體中間以超細(xì)玻璃棉為防寒材;鋁蜂窩地板與鋁車體底架之間放置鋁型材彈性支撐，以確保防寒材不會(huì)因擠壓產(chǎn)生變形，同是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)起到列車減震效果，降低車內(nèi)噪聲.

第3層為鋁蜂窩地板，是車內(nèi)地板的主體結(jié)構(gòu).

第4層為PVC地板布，用膠粘劑鋪裝在鋁蜂窩地板之上，與乘客直接接觸.

為更真實(shí)模擬地板結(jié)構(gòu)特截取地板過(guò)線孔洞過(guò)線部位如圖3所示.

圖3 地板過(guò)線孔結(jié)構(gòu)

1.3 地板結(jié)構(gòu)3

鋁合金車體底架+鋁蜂窩地板:地板結(jié)構(gòu)從下至上依次為不銹鋼板、防寒材、鋁車體底架、橡膠墊支撐、防寒材、鋁蜂窩地板和地板布(如圖4所示)，試驗(yàn)構(gòu)件尺寸為1 000 mm×1 000 mm×120mm.

圖4 地板結(jié)構(gòu)3

地板第1層不銹鋼板，主要起耐火作用.

第2層防寒材，主要起隔熱和降噪作用.

第3層為由鋁合金型材組焊的鋁車體底架，是軌道客車地板結(jié)構(gòu)的支撐主體.

第4層為鋁蜂窩地板與鋁車體底架中間采用黑色阻燃玻纖布+玻璃棉防寒材;其間鋁蜂窩地板與鋁合金車體間采用橡膠墊作為彈性支撐，以確保防寒材不會(huì)因擠壓產(chǎn)生變形.

第5層為鋁蜂窩地板，是車內(nèi)地板的主體結(jié)構(gòu).

第6層為PVC地板布，用膠粘劑鋪裝在鋁蜂窩地板之上，與乘客直接接觸.

為更真實(shí)模擬地板結(jié)構(gòu)特截取地板過(guò)線孔洞過(guò)線部位如圖3所示.

2 地板結(jié)構(gòu)耐火試驗(yàn)原理及流程

2.1 試驗(yàn)原理

根據(jù)BS 6853 3.1.12.2節(jié)所述試驗(yàn)方法，在不施加任何負(fù)載的條件下，沿地板布水平向上方向進(jìn)行地板耐火試驗(yàn)，地板樣放置在可加熱區(qū)域中(如圖5所示)，樣件下表面處于不斷的溫升狀態(tài)下，以該樣件保持完整不被破壞的時(shí)間來(lái)定義它的耐火性能好壞.雖然試驗(yàn)和真實(shí)火災(zāi)發(fā)生的環(huán)境不能100%相同，但是試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍然能夠反映出其該結(jié)構(gòu)的防火性能，為軌道車輛耐火結(jié)構(gòu)評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

圖5 試驗(yàn)原理示意圖

本試驗(yàn)是為了模擬真實(shí)的軌道車輛火災(zāi)情況，因此將車體底架下表面做為受火面，與接觸乘客的地板上表面做為背火面進(jìn)行地板耐火試驗(yàn)測(cè)試［9］.

試驗(yàn)開(kāi)始后，將試驗(yàn)爐內(nèi)的平均溫度T與測(cè)試時(shí)間t的關(guān)系定義為:T=345 lg(8t+1)+20.為盡量模擬真實(shí)火災(zāi)環(huán)境，避免車體底架四周不封閉所產(chǎn)生的誤差，測(cè)試時(shí)將爐壓保持在0～2 Pa的狀態(tài)下.如果地板結(jié)構(gòu)在經(jīng)20 min的標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)后其完整性不被破壞;依據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)20 min后，對(duì)地板上表面的各點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)平均值在250℃以下，并且地板上表面沒(méi)有超過(guò)300℃的點(diǎn)，則認(rèn)為地板樣件是符合BS 6853:1999標(biāo)準(zhǔn)耐火要求的.

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與流程

耐火測(cè)試爐的爐口尺寸為1.15 m×1.15 m，由5根熱電偶對(duì)爐內(nèi)溫度進(jìn)行控制.先將熱電偶安裝在樣件的乙型梁、鋁型材接口處等特殊的位置或代表性的點(diǎn)，再將支撐框架水平安裝到多功能耐火測(cè)試爐上，地板樣件在爐上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)在距離地板樣件上表面100 mm的高度.地板樣件底面溫度則可以通過(guò)這5個(gè)熱電偶上不同的點(diǎn)分別測(cè)量后，計(jì)算得出爐內(nèi)溫度平均值，從而控制爐內(nèi)溫度.試驗(yàn)流程圖如圖6所示.

圖6 試驗(yàn)流程圖

首先將固定試驗(yàn)樣件的角鐵焊接在耐火測(cè)試爐的支撐框架上，使用耐高溫陶瓷纖維棉對(duì)爐壁與樣件之間的縫隙進(jìn)行封堵，這樣地板樣件的邊緣不會(huì)被灼燒，能更真實(shí)地反映地板樣件的耐火性能，同時(shí)也可以防止?fàn)t內(nèi)的熱氣流和煙霧溢出.地板上部安裝邊緣壓力件后固定于支撐框架上，可以有效避免地板樣件因熱應(yīng)力效應(yīng)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

同時(shí)，按照?qǐng)D7的標(biāo)示，將5個(gè)熱電偶安裝在在結(jié)構(gòu)試件背火面的各點(diǎn)，可以更全面的檢測(cè)試驗(yàn)樣件背火面的溫度.

圖7 試驗(yàn)樣件中熱電偶的位置

測(cè)試爐溫升之前，記錄所有的熱電偶的初始溫度及環(huán)境溫度.按照?qǐng)D8所示的BS 476-20標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線對(duì)爐子進(jìn)行升溫、升壓，并在測(cè)試過(guò)程中記錄爐內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)變化.

圖8 BS 476－20標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線

試驗(yàn)開(kāi)始后，觀察地板樣件的實(shí)時(shí)狀態(tài)，如表面是否有形變、起泡、甚至坍塌等形態(tài)變化.為了更好地記錄試驗(yàn)樣件的表面形態(tài)變化，對(duì)地板樣件每5 min拍照記錄一次.同時(shí)將棉花墊放置與地板樣件上表面，觀察棉花墊否著火，并用間隙規(guī)檢查地板樣件是否受熱開(kāi)裂.

根據(jù)BS 6853:1999的要求，耐火試驗(yàn)應(yīng)該在第20 min時(shí)結(jié)束，而本次測(cè)試將耐火測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)至30 min，將試驗(yàn)結(jié)果與BS 6853:1999中規(guī)定的防火標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明其耐火性能優(yōu)劣，也直接反映出地板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)樣件的耐火能力［10］.隨著軌道客車車輛的防火要求不斷提高，為獲得更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)，30 min測(cè)試結(jié)束后繼續(xù)保持測(cè)試爐的爐內(nèi)溫度至60 min，并記錄最終數(shù)據(jù)以供參考.

3 地板結(jié)構(gòu)耐火試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 地板結(jié)構(gòu)1耐火試驗(yàn)結(jié)果分析

地板結(jié)構(gòu)1耐火試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，在沒(méi)有做任何防火隔熱措施的條件下，火焰直接與鋁合金型材表面接觸燃燒.根據(jù)升溫曲線顯示，當(dāng)5 min時(shí)的時(shí)候，爐內(nèi)的溫度已經(jīng)達(dá)到了609℃，鋁型材開(kāi)始融化.在8 min時(shí)，鋁型材在648℃時(shí)候達(dá)到了熔點(diǎn)范圍，開(kāi)始熔融變形.火焰穿越了鋁型材，通過(guò)鋁型材、鋁支撐傳導(dǎo)到鋁蜂窩地板，直接導(dǎo)致地板布燒穿.試驗(yàn)在第17 min的時(shí)候單點(diǎn)表面溫度已經(jīng)達(dá)到了300℃.平均溫度已經(jīng)達(dá)到262℃.整個(gè)試驗(yàn)樣件沒(méi)有保護(hù)，喪失了隔熱性、完整性.

分析地板結(jié)1構(gòu)失敗的主要原因是沒(méi)有良好的絕熱體(如玻璃絲棉等保溫材料)阻止熱量的傳遞，隔熱性喪失.

綜合以上論述，如果是鋁合金車體結(jié)構(gòu)，需要對(duì)鋁合金車體底架與地板之間用保溫絕熱材料進(jìn)行，以此來(lái)保護(hù)整個(gè)樣件的隔熱性.

圖9 地板結(jié)構(gòu)1耐火試驗(yàn)結(jié)果

3.2 地板結(jié)構(gòu)2耐火試驗(yàn)結(jié)果分析

地板結(jié)構(gòu)2耐火試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，地板結(jié)構(gòu)2耐火時(shí)間可達(dá)到60 min，為了模擬真實(shí)的地板結(jié)構(gòu)，在地板結(jié)構(gòu)中截取了目前正在使用的地板過(guò)線孔洞的密封結(jié)構(gòu)，更能模擬其真實(shí)狀況.該結(jié)構(gòu)的防火主要依靠噴涂在車體底架的800 μ阻尼型防火涂料.在受熱面達(dá)到200℃的時(shí)候，防火涂料開(kāi)始膨脹，并且表面碳化，在車體底架鋁合金型材的外表面形成一個(gè)碳化的保護(hù)層，此保護(hù)層相當(dāng)于一道屏障立于在火焰與地板樣件之間，使兩者的距離有效增大.使高溫?zé)o法直接作用在地板樣件下表面.在試驗(yàn)結(jié)束后，受火面會(huì)殘留很多黑色有機(jī)物，說(shuō)明防火涂料在試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程中一直起到隔熱阻燃的作用.在鋁車體底架與鋁蜂窩地板之間填充的玻璃棉和黑色玻璃絲布是熱量的不良導(dǎo)體，阻止了熱量傳導(dǎo)到地板樣件的背火面.

圖10 地板結(jié)構(gòu)2耐火試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，該試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的阻尼型防火涂料的厚度是800 μ就可以達(dá)到60 min的防火時(shí)效，試驗(yàn)樣件采用玻璃棉進(jìn)行保溫絕熱有效的保護(hù)了完整性.所以在鋁車體底架與鋁蜂窩地板之間進(jìn)行防火保護(hù)和保溫絕熱處理是必要的.

3.3 地板結(jié)構(gòu)3耐火試驗(yàn)結(jié)果分析

地板結(jié)構(gòu)3耐火試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，將其和地板結(jié)構(gòu)2進(jìn)行對(duì)比，在整體結(jié)構(gòu)和保溫絕熱材料不變的情況下，替換了阻尼防火涂料，在鋁車體底架上鉚接固定鋼板，中間采用玻璃棉隔熱材進(jìn)行填充.最終地板結(jié)構(gòu)3的測(cè)試結(jié)果是達(dá)到了60min，完整性依然能夠保持完好，背火面的平均溫度是 88.7℃，背火面的單點(diǎn)最高溫度是107.2℃，背火面的平均溫升只有67.9℃，耐火性能非常好.此結(jié)構(gòu)的防火性能主要依靠不銹鋼板對(duì)火焰的阻擋以保證整體結(jié)構(gòu)的完整性，同時(shí)，利用玻璃棉對(duì)熱量的隔絕保證結(jié)構(gòu)隔熱性.600℃以下，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)約為10～30 W/(m·K)，520℃時(shí)，不銹鋼板達(dá)到藍(lán)脆點(diǎn)溫度并開(kāi)始產(chǎn)生微小形變.不銹鋼熔點(diǎn)在1500～1600℃之間，即在1500℃以下，不銹鋼板仍為固態(tài)，使火焰無(wú)法穿透受火面，保證了底架整體結(jié)構(gòu)的完整性.不銹鋼板和玻璃棉隔熱材的復(fù)合結(jié)構(gòu)能有效地抵抗熱量對(duì)地板耐火結(jié)構(gòu)的破壞，同時(shí)也提供了良好的隔熱性.

此地板結(jié)構(gòu)雖然達(dá)到了60 min的耐火極限值，并且成本也比地板結(jié)構(gòu)2更為經(jīng)濟(jì)，但是重量增加較大，而且施工復(fù)雜，使用壽命也受一定限制，而且車底的設(shè)備的安裝高度也會(huì)受到限制，在國(guó)外早期的列車耐火設(shè)計(jì)中較普遍采用，但現(xiàn)在較少采用此方案.

圖11 地板結(jié)構(gòu)3耐火試驗(yàn)結(jié)果

4 地板結(jié)構(gòu)耐火試驗(yàn)結(jié)果的參考與建議

針對(duì)這3種軌道客車的地板耐火結(jié)構(gòu)樣塊的耐火測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1所示.從表中可以看出，鋁合金車體底架與鋁蜂窩地板之間需有保溫絕熱層，以此來(lái)保護(hù)整個(gè)樣件的隔熱性，否則無(wú)法達(dá)到BS 6853防火標(biāo)準(zhǔn)的要求;阻尼防火涂料的厚度為800 μ就可以達(dá)到再60 min的防火時(shí)效內(nèi)，車輛底架無(wú)燒穿變形，同時(shí)試驗(yàn)樣件采用玻璃棉隔熱材料進(jìn)行保溫絕熱有效的保證了地板結(jié)構(gòu)的完整性;地板結(jié)構(gòu)3的不銹鋼板在實(shí)驗(yàn)中對(duì)火焰的阻擋起到了至關(guān)重要的作用，火焰無(wú)法穿透不銹鋼板，自然就不會(huì)產(chǎn)生坍塌或者滲透性失效的現(xiàn)象，所以不銹鋼板和雙層玻璃棉有效地阻止了熱量對(duì)背火面的影響，保證了結(jié)構(gòu)的隔熱性和完整性，可滿足60 min以及60 min以上的試驗(yàn)要求.

表1 樣件測(cè)試結(jié)果對(duì)比

綜合各方面性能，3種地板結(jié)構(gòu)防火方案對(duì)比見(jiàn)表2，針對(duì)不同軌道車輛的不同設(shè)計(jì)需求，可選擇不同的防火結(jié)構(gòu)以滿足車輛防火性能的要求.

表2 三種耐火地板結(jié)構(gòu)方案對(duì)比