火災全過程鋼結構溫度預測及試驗研究

                               徐誌勝朱國慶

                     1中南大學防災科學與安全技術研究所湖南長沙 410075

2中國礦業大學安全工程學院江蘇徐州 221116

 

     為研究火災全過程中鋼結構整體穩定性對火災中受火鋼構件溫度變化規律進行研究分析受火鋼構件溫度變化原理重新選擇預測模型中關鍵參數的取值介紹相關試驗設計方案5個工況研究鋼構件及室內煙氣溫度變化對比試驗結果和預測值驗證模型的準確性試驗結果表明修正過後的預測模型可以準確的預測火災全過程中鋼結構溫度變化尤其是衰退階段時鋼結構溫度變化規律

關鍵詞鋼結構火災衰退階段冷卻形式溫度預測模型試驗研究

中圖分類號X924.4, TU391, TK121   文獻標誌碼A 

文章編號1009-0029(2017)01-004-04

目前關於鋼結構抗火的研究主要集中在火災升溫階段如同濟大學李國強教授中國礦業大學張國維博士提出了火災中鋼結構溫升計算模型關於火災衰退階段鋼結構整體穩定性的影響相對較少實際上在火災衰退階段很多在火災升溫階段經曆過高溫而沒有倒塌的鋼結構建築由於在隨後的滅火救援行動中或現場清理時室內溫度迅速下降導致鋼結構內部溫度分布不均勻受約束的鋼構件在溫度的影響下其內部產生巨大應力造成建築倒塌和救援人員傷亡建立火災全過程中鋼結構建築溫度預測模型對指導鋼結構建築防火設計及滅火救援行動具有重要意義

1  鋼構件升降溫理論研究

1. 1 火災全過程受火鋼構件升降溫模型

在火災全過程中鋼結構溫度主要受三個因素的影響煙氣對鋼結構的熱輻射煙氣與鋼結構之間的對流換熱火焰對鋼結構的輻射換熱煙氣與鋼結構的對流換熱在升溫和降溫階段影響較大但是當火焰距離鋼構件較近角係數較大時火焰輻射的影響增加為了研究方便假設鋼構件各個麵輻射吸收率相同又因為鋼材是熱的良導體故假設鋼構件同一截麵內溫度一致

采用集總熱容法以鋼構件為研究對象建立相關熱平衡方程如式1所示

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式中Q為單位時間內單位長度鋼構件所傳遞的總熱量KWρ為鋼構件密度kgC為鋼構件的比熱容J/(kg·);V為單位長度鋼構件體積dT為單位時間鋼構件溫升t為時間s

由於鋼結構升溫熱量主要來自火焰的熱輻射煙氣的熱輻射和煙氣的熱對流如圖1所示鋼結構熱量傳遞如式2所示

                        image.png

式中Qgr為煙氣與鋼構件之間的輻射傳熱量KWQfr為火焰與構件之間的輻射傳熱量KWQsc為煙氣與構件之間的對流傳熱量KW

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同濟大學李國強教授給出了受火鋼結構溫度變化量的表達式將煙氣熱輻射火焰熱輻射煙氣對流熱的表達式代入鋼構件熱平衡方程變形後可以得到單位時間內鋼構件溫度變化量的表達式如式3所示

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由於3式並不能求出解析解所以采用迭代計算的方法對於火災全過程鋼結構溫度變化進行求解如式4所示

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式中image.png為第j1步鋼構件溫度image.png為第j步鋼構件溫度

該模型在預測火災升溫階段準確度較高但是對於熄滅階段鋼結構溫度預測值低於試驗值需要對模型中的關鍵參數重新進行選取

1. 2 關鍵參數取值

1對流換熱係數image.png京都大學的TanaKaYamada在測試中發現從地板到頂棚的對流換熱係數變化範圍為540 W/(·K)。普林斯頓大學Peter S. Veloo James G. Quintiere的試驗中發現對流換熱占總熱流量25以上並給出對流係數在燃燒階段與熄滅階段取值如式5)、6所示

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式中image.png為無量綱對流換熱係數h為對流換熱係數W/(·);ρ為周圍空氣密度kgCp為空氣的定壓比熱容J/(kg·),一般取Cp1200 J/(KG ·);image.png為距火焰麵的高度ΔT為距火焰麵image.png處溫度與周圍空氣溫度的差值T為周圍氣體溫度

2煙氣發射率image.png煙氣吸收係數與溫度間的關係如式7所示

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3比熱容C火場中鋼構件的比熱隨溫度發生變化ECCS 規範條文解釋及BSI編寫的相關設計手冊給出鋼構件比熱容的精確方法如式8所示

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2 試驗驗證

1. 1 試驗設計

利用一個設有獨立水噴淋係統的方形小室布置試房間尺寸為4.8 m×4.4 m×2.8 m),牆壁為磚混結構屋麵板為鋼筋混凝土房間設有一個補風口11底邊與地板平齊試驗房間整體布置如圖2所示鋼構件為20型工字鋼截麵尺寸如圖3所示構件沿房間長度方向穿牆布置,兩側牆開口處用混凝土密封。工字鋼底麵距地麵2.2 m

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沿工字鋼受火側長度方向每隔30cm設置一個深3cm的鑽孔熱電偶布置在鑽孔內其在孔內位置為工字鋼腹板與翼板結合部即工字鋼截麵最厚處