一种基于美标的地板耐火结构设计与分析

一种基于美标的地板耐火结构设计与分析

王超群

中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 064000

摘要：地板是地铁车辆的重要组成部分，其防火安全性能对乘客的人身安全及舒适性有着重要的影响。随着地板材料防火性能提高的同时，我们也应关注地板的结构耐火要求。本文依据ASTM E119及NFPA 130标准对地铁车辆地板进行结构耐火设计及性能测试。为后续轨道交通的地板结构耐火设计提供了值得参考的可靠数据。

关键词：地铁车辆 地板 耐火设计 

地铁车辆是一种城市中心区域通勤化、快速度、大运量的轨道交通系统，是人们重要的出行方式。根据调查发现，车辆运行中火灾是仅次于倾覆外的最主要危险源。地铁车辆运营环境特殊，一般具有空间小，载客密度大且疏散困难等特点，所以如何确保列车的防火安全可靠性是一个重要的课题[1]。地板作为地铁车辆设计的重要组成部分，是车辆设计水平高低的重要体现。地板的防火性能直接决定了旅客的人身安全，是车辆设计与运营需要重点关注的因素之一。

由于各个国家不同的消防法律法规及城市建设特点，很多国家都有自己的防火标准。以美国和加拿大为主的北美洲目前执行NFPA 130[2]标准。本文依托美标防火标准NFPA 130及ASTM E119，对地板进行耐火结构设计与实验分析，为后续设计符合美标的地铁车辆地板耐火结构提供了参考。

1 结构耐火要求

NFPA 130是美国消防协会标准针对整个铁路系统制定的防火安全要求，涵盖广泛。

NFPA 130标准对耐火隔断有明确要求。当车辆使用耐火结构地板后，地板就充当了车下与车内的耐火隔断。火灾发生时，耐火隔断一面为受火面，暴露在火灾中，另一面为背火面。耐火隔断使火灾（火焰、热气、烟、热量）不能传递到背火面，能够直接有效的降低车下设备着火对车内乘客的影响，为乘客的撤离争取宝贵的时间。

NFPA 130防火标准中评价耐火隔断的耐火性能主要通过耐火完整性、耐火隔热性与承载性三个参数指标。

耐火完整性（E）是指耐火隔断能够抵挡火焰、热气和烟的能力。是产品在耐火时间内，维持载荷并且没有使背火面的任何材料被点燃的能力。NFPA 130防火标准对地铁车辆地板组件的耐火完整性要求分为15min和30min。

耐火隔热性（I）是指耐火隔断能够隔热的能力。是产品在耐火时间内，阻止火灾产生的热量大量传递到背火面，已保证背火面的任何材料不被点燃的能力。NFPA 130防火标准对地铁车辆地板组件的耐火隔热性要求为背火面平均温升不超过139℃（250°F），单点温升不超过181℃（325°F）。

承载性：产品在抵抗载荷过程中，变形大小与速率均维持在标准范围内的能力。NFPA 130要求地板组件在测试中要模拟实际承受的外载荷（包括自重、车下设备，内装部件，乘客等），测试过程中样件承受载荷过程中弯曲变形量大小在标准范围内，或弯曲变形量速率在标准范围内。

2 耐火地板结构

地板结构从下至上依次是水性防火漆、车体铝型材、EPDM支撑+碳纤维、铝蜂窝地板和橡胶地板布，如图1所示。

图1 耐火地板断面示意图

耐火地板主要分为5层结构：

第1层为防火漆，当车下着火时，防火漆为受火面，可以通过控制防火漆的厚度，有效的提高耐火地板的整体耐火能力。

第2层为车体铝型材（车体底架），本层是整车的支撑主体。

第3层为减振层，由EPDM橡胶支撑、碳纤维防寒材构成。

第4层为铝蜂窝地板，是车内承载的主体结构。

第5层为橡胶地板布，通过胶粘剂粘接在铝蜂窝地板上。

3 耐火实验

根据ASTM E119试验测试方法中条款8.6对上述地板进行耐火试验。使地板样品暴露在高温、承载条件下，测试其温升曲线，并判定其耐火完整性、隔热性与承载性。

3.1 样品制备

地板样品总尺寸长4500m，宽2800mm，能够代表最终铁路车辆的用途，满足NFPA 130规定的长3700，宽度为整个横截面的要求。地板样品的组合与安装均最大程度贴合实际，如图2所示。

图2样品安装示意图

3.2 试验过程

平均温度、温度的偏差、温度分布的均匀性按照ASTM E119标准执行，炉内温度为自动控制，用14根热电偶来监控炉内温度，用9根固定在地板背火面的热电偶来监控地板平均温升和最高温升。地板背火面热电偶位置见图3。测试时，炉内温度、背火面温度和炉内压力值每隔30秒记录一次。

图3 背火面热电偶位置图

将总重为5002kg的载荷均匀地分布在地板试样背火面，试验开始前至少15分钟施加试验载荷，直到变形稳定。测试开始后，采用变形测量仪测定试样背火面中心位置的变形D，每间隔1分钟记录一次数据。炉内压力的设定根据ASTM E119的规定，设定和控制样件下方100mm的压力为0-2Pa。

3.3 试验结果

1、整个测试过程中，地板样品背面没有持续火焰窜出，且没有热气点燃棉垫的现象。样品极限弯曲变形量未超过L2/400d=110.3mm，极限弯曲变形量超过标准要求时，极限弯曲变形速率未超过

L2/9000d=4.9mm/min，其中L是试件的净跨距，d是试件截面上抗压点和抗拉点之间的距离。试验前后样品状态对比见图4。

测试前背火面                 测试后背火面

图4 测试前后对比图

2、样品背火面的平均温升未超过139℃（250°F）。温升曲线见图5所示。

图5 背火面的温升时间曲线

3、单点最高温升不超过181℃（325°F），见表1。

表1 样品背火面单点温度记录

本试验的数据显示，此地板的耐火完整性≥30min，耐火隔热性≥30min，承载性≥30min。

4 结论

本文对NFPA 130标准中针对车辆结构耐火的要求和评价方法进行了分析，并基于此标准进行了一种地铁车辆的地板耐火结构设计。然后对该种地板样件进行了结构耐火性能测试，并对耐火试验的结果进行了分析，为后续地铁车辆的地板耐火结构设计与开发提供了参考数据。

5 参考文献：

[1]谌瑞宇.王金田.陆守香.等.轨道客车火灾安全工程 研究现状[C].轨道客车安全防火及阻燃技术学术研 讨会论文集.唐山:[s.n.]，2014:36-42.

[2]Harold L. Levitt，NFPA 130：2017 Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems，National Fire Protection Association，Massachusetts，2017.