火災(zāi)全過程鋼結(jié)構(gòu)溫度預(yù)測及試驗(yàn)研究

                              何 路１，徐志勝１，朱國慶２

                     （1．中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南長沙 410075；

2．中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

    摘 要：為研究火災(zāi)全過程中鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，對火災(zāi)中受火鋼構(gòu)件溫度變化規(guī)律進(jìn)行研究。分析受火鋼構(gòu)件溫度變化原理，重新選擇預(yù)測模型中關(guān)鍵參數(shù)的取值。介紹相關(guān)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，分5個(gè)工況研究鋼構(gòu)件及室內(nèi)煙氣溫度變化。對比試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測值，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果表明，修正過后的預(yù)測模型可以準(zhǔn)確的預(yù)測火災(zāi)全過程中鋼結(jié)構(gòu)溫度變化，尤其是衰退階段時(shí)鋼結(jié)構(gòu)溫度變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；火災(zāi)衰退階段；冷卻形式；溫度預(yù)測模型；試驗(yàn)研究

中圖分類號：X924.4, TU391, TK121   文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 

文章編號：1009-0029(2017)01-004-04

目前，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗火的研究主要集中在火災(zāi)升溫階段，如同濟(jì)大學(xué)李國強(qiáng)教授、中國礦業(yè)大學(xué)張國維博士提出了火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)溫升計(jì)算模型，關(guān)于火災(zāi)衰退階段鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響相對較少。實(shí)際上，在火災(zāi)衰退階段，很多在火災(zāi)升溫階段經(jīng)歷過高溫而沒有倒塌的鋼結(jié)構(gòu)建筑，由于在隨后的滅火救援行動(dòng)中或現(xiàn)場清理時(shí)室內(nèi)溫度迅速下降，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布不均勻，受約束的鋼構(gòu)件在溫度的影響下其內(nèi)部產(chǎn)生巨大應(yīng)力，造成建筑倒塌和救援人員傷亡。建立火災(zāi)全過程中鋼結(jié)構(gòu)建筑溫度預(yù)測模型對指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)及滅火救援行動(dòng)具有重要意義。

1  鋼構(gòu)件升降溫理論研究

1. 1 火災(zāi)全過程受火鋼構(gòu)件升降溫模型

在火災(zāi)全過程中，鋼結(jié)構(gòu)溫度主要受三個(gè)因素的影響：煙氣對鋼結(jié)構(gòu)的熱輻射、煙氣與鋼結(jié)構(gòu)之間的對流換熱、火焰對鋼結(jié)構(gòu)的輻射換熱。煙氣與鋼結(jié)構(gòu)的對流換熱在升溫和降溫階段影響較大。但是，當(dāng)火焰距離鋼構(gòu)件較近、角系數(shù)較大時(shí)，火焰輻射的影響增加。為了研究方便，假設(shè)鋼構(gòu)件各個(gè)面輻射吸收率相同。又因?yàn)殇摬氖菬岬牧紝?dǎo)體，故假設(shè)鋼構(gòu)件同一截面內(nèi)溫度一致。

采用集總熱容法，以鋼構(gòu)件為研究對象，建立相關(guān)熱平衡方程，如式（1）所示。

式中：Qｓ為單位時(shí)間內(nèi)單位長度鋼構(gòu)件所傳遞的總熱量，KW／ｍ；ρｓ為鋼構(gòu)件密度，kg／?；Cｓ為鋼構(gòu)件的比熱容，J／（kg·℃）；Vｓ為單位長度鋼構(gòu)件體積，?；dTｓ為單位時(shí)間鋼構(gòu)件溫升，℃；t為時(shí)間，s 。

由于鋼結(jié)構(gòu)升溫?zé)崃恐饕獊碜曰鹧娴臒彷椛?/span>、煙氣的熱輻射和煙氣的熱對流，如圖1所示。鋼結(jié)構(gòu)熱量傳遞如式（2）所示。

式中：Qｇｒ為煙氣與鋼構(gòu)件之間的輻射傳熱量，KW；Qｆｒ為火焰與構(gòu)件之間的輻射傳熱量，KW；Qｓｃ為煙氣與構(gòu)件之間的對流傳熱量，KW。

同濟(jì)大學(xué)李國強(qiáng)教授給出了受火鋼結(jié)構(gòu)溫度變化量的表達(dá)式，將煙氣熱輻射、火焰熱輻射、煙氣對流熱的表達(dá)式代入鋼構(gòu)件熱平衡方程，變形后可以得到單位時(shí)間內(nèi)鋼構(gòu)件溫度變化量的表達(dá)式，如式（3）所示。

由于（3）式并不能求出解析解，所以采用迭代計(jì)算的方法對于火災(zāi)全過程鋼結(jié)構(gòu)溫度變化進(jìn)行求解，如式（4）所示。

式中：為第j＋1步鋼構(gòu)件溫度，℃；為第j步鋼構(gòu)件溫度，℃。

該模型在預(yù)測火災(zāi)升溫階段準(zhǔn)確度較高，但是對于熄滅階段，鋼結(jié)構(gòu)溫度預(yù)測值低于試驗(yàn)值，需要對模型中的關(guān)鍵參數(shù)重新進(jìn)行選取。

1. 2 關(guān)鍵參數(shù)取值

（1）對流換熱系數(shù)。京都大學(xué)的TanaKa和Yamada在測試中發(fā)現(xiàn)，從地板到頂棚的對流換熱系數(shù)變化范圍為5～40 W／（㎡·K）。普林斯頓大學(xué)Peter S. Veloo 和James G. Quintiere的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對流換熱占總熱流量25％以上，并給出對流系數(shù)在燃燒階段與熄滅階段取值，如式（5）、式（6）所示。

式中：為無量綱對流換熱系數(shù)；hｃ為對流換熱系數(shù)，W／（㎡·℃）；ρ∞為周圍空氣密度，kg／?；Cp為空氣的定壓比熱容，J／（kg·℃），一般取Cp＝1200 J／（KG ·℃）；為距火焰面的高度，ｍ；ΔT為距火焰面處溫度與周圍空氣溫度的差值，℃；T∞為周圍氣體溫度，℃。

（2）煙氣發(fā)射率。煙氣吸收系數(shù)與溫度間的關(guān)系，如式（7）所示。

（3）比熱容Cｓ。火場中鋼構(gòu)件的比熱隨溫度發(fā)生變化，ECCS 規(guī)范條文解釋及BSI編寫的相關(guān)設(shè)計(jì)手冊給出鋼構(gòu)件比熱容的精確方法，如式（8）所示。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

1. 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用一個(gè)設(shè)有獨(dú)立水噴淋系統(tǒng)的方形小室布置試驗(yàn)，房間尺寸為4.8 m×4.4 m×2.8 m（高），墻壁為磚混結(jié)構(gòu)，屋面板為鋼筋混凝土。房間設(shè)有一個(gè)補(bǔ)風(fēng)口，高1ｍ、寬1ｍ，底邊與地板平齊。試驗(yàn)房間整體布置如圖2所示。鋼構(gòu)件為20ｂ型工字鋼，截面尺寸如圖3所示。構(gòu)件沿房間長度方向穿墻布置，兩側(cè)墻開口處用混凝土密封。工字鋼底面距地面2.2 m。

沿工字鋼受火側(cè)長度方向每隔30ｃｍ設(shè)置一個(gè)深3ｃｍ的鉆孔，熱電偶布置在鉆孔內(nèi)，其在孔內(nèi)位置為工字鋼腹板與翼板結(jié)合部，即工字鋼截面最厚處。