不同结构聚氨酯保温隔热材料的火灾行为研究

如何降低聚氨酯泡沫保温隔热材料的火灾危险性，是近几年来节能领域发展的重要课题。本项目采用三氯氧磷为偶联剂，不同分子量的聚乙二醇为相变储能物质，将聚乙二醇键接于聚氨酯泡沫保温隔热材料用多元醇上，进而与多异氰酸酯进行发泡反应，制备了不同结构的聚氨酯泡沫保温隔热材料，并采用红外光谱（FTIR）对其化学结构进行了表征，采用示差扫面量热仪（DSC）、热失重分析法（TGA）研究了不同结构聚氨酯泡沫保温隔热材料的热行为，采用锥形量热仪和烟气毒性分析法研究了不同结构聚氨酯泡沫保温隔热材料火灾危险性。结果表明相变储能物质聚乙二醇成功的键接于多元醇上，进而一种不同结构的同时含阻燃元素磷和相变储能物质聚乙二醇链段的硬质聚氨酯泡沫保温隔热材料成功制备；磷元素的引入改变了聚氨酯泡沫保温隔热材料的热分解行为，提高了聚氨酯泡沫保温隔热材料的热失重残余量，同时提高了聚氨酯泡沫的阻燃性能，且成炭结构单元含量越多，阻燃效果越明显，火灾初期危险性越小，越有利于火灾控制和人员疏散；相变储能物质聚乙二醇链段的引入大大提高了聚氨酯泡沫保温隔热材料的隔热作用。从储能、隔热、防火三个方面提出了一种制备新型保温隔热材料的工艺思路，揭示了聚氨酯保温隔热材料的火灾行为与阻燃元素P和成炭结构单元之间关系的内在规律，提出了一种同时提高聚氨酯泡沫保温隔热材料隔热作用和有效降低保温隔热材料火灾危险性的新方法，为发展建筑外墙保温隔热的安全设计提供理论和技术原理支撑，对我国建筑节能工程防火技术的进步和发展具有重要意义。 2100433B

面对国家建筑节能工程防火领域中有效降低保温隔热材料的可燃性和燃烧时有毒、有害烟气释放的迫切需要，本项目拟从储能、隔热、防火三个方面提出一种制备新型保温隔热材料的工艺思路，采用三氯氧磷为偶联剂，聚乙二醇为相变储能物质，将聚乙二醇键接于聚醚多元醇骨架上，进而与多异氰酸酯发泡反应，制备得到不同结构的新型保温隔热材料，研究制备该材料的最佳工艺条件以及不同结构该材料的点燃性、火焰蔓延特性以及燃烧时热和有毒有害烟气的产生等火灾行为，揭示其燃烧速率、产烟速率和毒性气体生成速率与阻燃元素P和成炭结构单元之间关系的内在规律，探索有效降低保温隔热材料热释放速率和有毒有害烟气产生的物理化学原理，期望利用相变储能能力保持甚至提高保温隔热效果的前提下，提出一种有效降低保温隔热材料火灾危险性的新方法，为发展建筑外墙保温隔热的安全设计提供理论和技术原理支撑，对我国建筑节能工程防火技术的进步和发展具有重要意义。

针对多高层钢结构的火灾安全，通过整体结构的火灾反应规律分析，提出了两个能考虑整体高层结构影响的子结构模型，并进行了相应子结构模型的耐火试验研究，提出了子结构耐火极限的计算方法；结合精细化的数值方法，对考虑整体结构影响的构件耐火性能、局部火灾引起整体结构的破坏机理及各种因素的影响规律等问题进行了研究，提出了基于子结构模型的火灾下钢结构破坏倒塌的简化分析方法。. 本项目拟进一步以建筑结构火灾反应相似理论为主要研究目标，以钢框架结构为研究对象，基于钢结构几何相似性以及结构火灾反应相似性，研究结构模型与火灾模型的相似条件以及相关参数的相似规律，建立建筑结构缩尺火灾试验方法与评价方法，并将相似理论与试验方法用于大型复杂结构的耐火性能研究，从而推动建筑结构火灾试验技术的发展以及大型复杂结构的耐火性能研究。

建筑结构火灾反应以及建筑火灾发展是高度非线性过程，采用流体动力学理论及有限元数值方法是目前可模拟此过程的有效方法，然而，由于建筑火灾自身的复杂性、火灾与结构相互作用的复杂性，以及缺少试验数据的验证，所以可能导致错误的模拟结果。另外，足尺火灾试验可以反映建筑结构真实火灾行为，但其昂贵费用以及试验室设备条件的限制，使得足尺试验方法难以普遍应用，而采用结构火灾缩尺模型试验方法可能为此提供一有效途径。本项目以结构火灾反应相似理论与方法为研究目标，以钢结构为分析对象，基于钢结构热传导分析的火灾反应相似条件及结构几何相似参数，研究了整体结构以及室内火灾相似模型与参数，建立了结构火灾反应相似理论与模型，并通过不同相似参数的钢结构缩尺模型进行缩尺火灾试验进行分析与验证。 本项目的主要完成：1）采用场模型模拟软件FDS 对不同控制参数的火灾场景分析统计不同缩尺模型的火灾发展规律；2）通过对火场的相似理论以及结构的火灾反应相似理论进行研究，分别建立了火场及结构的相似理论模型；3）采用缩尺模型试验验证了火场相似理论和结构火灾反应相似理论模型；4）建立了中柱初始破坏引起整体结构倒塌的简化分析模型，并建立了基于能量的简化计算方法；5）建立了火场模型与结构模型的联合分析方法，提出了结构火场的时空三维模型，并根据结构中的梁柱构件及楼板构件建立了具体的温度与热对流边界的时空三维模型。本项目的研究成果可以为研究建筑钢结构耐火性能的缩尺试验方法以及结构真实火灾反应提供分析方法和参考依据。 2100433B

火灾下，钢筋混凝土双向板受力复杂，且影响因素多，目前相关的试验及理论研究尚不完善。单个构件抗火试验可以为结构抗火设计提供初步的数据支持和理论指导，但是单个构件与真实整体结构中构件的受力情况、边界条件并不相同，整体结构中相邻构件间的相互作用以及其它部分对构件的约束作用可以对构件的火灾行为产生不同的影响。基于上述原因， 项目组共开展了足尺钢框架整体结构中2个单块钢筋混凝土双向板、2*2区格连续钢筋混凝土双向板、2*3区格连续钢筋混凝土双向板的抗火性能等相关的试验研究，同时开展了大挠度下钢筋混凝土双向板的力学性能研究。通过研究，主要得出以下结论： (1)火灾下整体结构中相邻构件间的相互作用以及周边相邻构件的约束对板的火灾行为影响显著；角区格板在板顶靠近内板边的1/4跨度处（板顶负弯矩钢筋截断处）出现对板的力学行为有较大影响的主裂缝，中区格板在板顶沿板边形成圆型塑性铰线；由于结构连续性及相邻构件间的互相约束，与受火板相邻的未受火板顶也出现了规则裂缝；整体结构中钢筋混凝土双向板具有较好的抗火性能。 (2)受火板格的开裂模式取决于其自身边界条件，非受火板格开裂模式取决于受火板格的数量和位置；相比单一受火钢梁构件，由于受到周围结构单元的约束作用，结构中钢梁具有较强的抗火承载能力；对比高强度螺栓连接节点，混合连接节点有效防止受火钢梁发生局部屈曲。 (3)由于经典屈服线理论无法考虑受拉薄膜效应对钢筋混凝土板大挠度下承载力的影响，基于经典屈服线理论的基本假定及其板块平衡法和机动法计算原理，认为受拉薄膜效应是由塑性铰线截面处钢筋合力的竖向分量或钢筋伸长做功所引起，提出了钢筋混凝土单向板和双向板在常温下的大挠度承载力计算模型。结果表明：提出的模型在计算钢筋混凝土板大挠度下承载力时具有较好的精度。 (4)为验证提出的受拉薄膜效应计算模型，开展了10块足尺钢筋混凝土板在大挠度下的常温静力加载试验，包括：简支、固支、和一边简支一边固支等三种边界条件的6块单向板，和四边简支矩形和四边简支方形两种条件的4块双向板。根据试验现象验证了受拉薄膜效应是由塑性铰线截面上钢筋合力的竖向分量或者钢筋伸长做功引起的这一假设的合理性。根据试验数据的分析，对提出的钢筋混凝土受拉薄膜效应计算模型中的挠度特征值计算公式进行了修正，并验证了提出模型的合理性和有效性。 2100433B