火災全過程鋼結構溫度預測及試驗研究

                               ,徐志勝,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,修正過后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   文獻標志碼A 

文章編號1009-0029(2017)01-004-04

目前,關于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,關于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歷過高溫而沒有倒塌的鋼結構建筑,由于在隨后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,造成建筑倒塌和救援人員傷亡。建立火災全過程中鋼結構建筑溫度預測模型對指導鋼結構建筑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、角系數較大時,火焰輻射的影響增加。為了研究方便,假設鋼構件各個面輻射吸收率相同。又因為鋼材是熱的良導體,故假設鋼構件同一截面內溫度一致。

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。

image.png

式中Q為單位時間內單位長度鋼構件所傳遞的總熱量,KW;ρ為鋼構件密度,kg?;C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 。

由于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,KW;Qfr為火焰與構件之間的輻射傳熱量,KW;Qsc為煙氣與構件之間的對流傳熱量,KW。

image.png

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,變形后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。

image.png

由于3式并不能求出解析解,所以采用迭代計算的方法對于火災全過程鋼結構溫度變化進行求解,如式4所示。

image.png

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,但是對于熄滅階段,鋼結構溫度預測值低于試驗值,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對流換熱系數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系數變化范圍為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,并給出對流系數在燃燒階段與熄滅階段取值,如式5)、6所示。

image.png

式中image.png為無量綱對流換熱系數;h為對流換熱系數,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Cp1200 J/(KG ·);image.png為距火焰面的高度,;ΔT為距火焰面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。煙氣吸收系數與溫度間的關系,如式7所示。

image.png

3比熱容C。火場中鋼構件的比熱隨溫度發生變化,ECCS 規范條文解釋及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。

image.png

2 試驗驗證

1. 1 試驗設計

利用一個設有獨立水噴淋系統的方形小室布置試,房間尺寸為4.8 m×4.4 m×2.8 m),墻壁為磚混結構,屋面板為鋼筋混凝土。房間設有一個補風口,1、1,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,截面尺寸如圖3所示。構件沿房間長度方向穿墻布置,兩側墻開口處用混凝土密封。工字鋼底面距地面2.2 m。

image.png

沿工字鋼受火側長度方向每隔30cm設置一個深3cm的鉆孔,熱電偶布置在鉆孔內,其在孔內位置為工字鋼腹板與翼板結合部,即工字鋼截面最厚處。