通風(fēng)系數(shù)對(duì)鋼構(gòu)件的耐火性能影響研究

朱婉婉

(呼和浩特市消防支隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特　010010)

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通風(fēng)系數(shù)對(duì)鋼構(gòu)件的耐火性能影響研究

朱婉婉

(呼和浩特市消防支隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010)

為準(zhǔn)確評(píng)估鋼構(gòu)件在室內(nèi)火災(zāi)時(shí)的耐火性能，以室內(nèi)火災(zāi)轟燃后的房間熱平衡和熱傳導(dǎo)理論為基礎(chǔ)，計(jì)算了火災(zāi)荷載為800 MJ·m-2，通風(fēng)系數(shù)分別為0.03、0.05、0.08和0.1 m1/2時(shí)的室內(nèi)平均溫度，以此為火作用，基于傳熱學(xué)基本理論，分別編程計(jì)算了方矩鋼管柱在防火保護(hù)情況下的平均溫度-時(shí)間曲線，對(duì)比分析了通風(fēng)系數(shù)對(duì)鋼構(gòu)件溫度的影響。結(jié)果表明：雖然通風(fēng)系數(shù)較大時(shí)火災(zāi)溫度較高，但由于火災(zāi)持續(xù)時(shí)間較短，鋼構(gòu)件最高溫度較低，較通風(fēng)系數(shù)較小時(shí)更偏于安全。

鋼構(gòu)件；火災(zāi)荷載；通風(fēng)系數(shù)；傳熱學(xué)；耐火性能

0　引言

鋼材的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、延性抗震性能好、施工周期短，以鋼材作為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼結(jié)構(gòu)建筑具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因此，鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)得到了快速發(fā)展。但是，鋼結(jié)構(gòu)有著耐熱但不耐火的特點(diǎn)[1]，隨著溫度的變化，其強(qiáng)度隨溫度升高而大幅度下降，承載力降低。鋼材在溫度達(dá)到500 ℃、700 ℃時(shí)，其強(qiáng)度分別下降至3/5、1/5[2]，而一般火場(chǎng)的溫度為800～1 000 ℃，在這樣的高溫情況下，無(wú)任何防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)，很快出現(xiàn)塑性變形而倒塌，因此，鋼結(jié)構(gòu)的防火性能研究成為熱點(diǎn)問(wèn)題。但是，廣大學(xué)者多集中于鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的研究，忽略了火災(zāi)本身對(duì)構(gòu)件的影響。本文以室內(nèi)火災(zāi)轟燃后的房間熱平衡和熱傳導(dǎo)理論為基礎(chǔ)，計(jì)算了著火房間在不同通風(fēng)系數(shù)情況下的平均溫度-時(shí)間曲線，以此為火作用，計(jì)算方矩鋼管柱的溫度，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究了通風(fēng)系數(shù)對(duì)鋼柱耐火性能的影響，以期為鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火設(shè)計(jì)提供參考。

1　室內(nèi)火災(zāi)平均溫度計(jì)算

本文所采用民用建筑一般室內(nèi)火災(zāi)轟燃后房間的平均溫度，根據(jù)中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(CECS 200：2006)附錄B，由下式計(jì)算[3]：

(1)

熱釋放速率系數(shù)D由下式計(jì)算：

(2)

(3)

式中，t為轟燃后火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，min；t0為房間內(nèi)所有可燃物燒盡時(shí)的火災(zāi)理論持續(xù)時(shí)間，min；qT為房間設(shè)計(jì)火災(zāi)荷載密度，MJ·m-2。

對(duì)流、輻射換熱系數(shù)之和α由下式計(jì)算：

(4)

煙氣比熱容cg按表1取值。

表1　煙氣比熱容cg

壁面內(nèi)表面溫度T1的計(jì)算，詳見(jiàn)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(CECS 200：2006)附錄B，由于篇幅有限，不再詳細(xì)介紹。

根據(jù)上述方法，編程計(jì)算可得火災(zāi)荷載q=800 MJ·m-2，通風(fēng)系數(shù)η=0.03、0.05、0.08、0.1 m1/2時(shí)一般室內(nèi)火災(zāi)轟燃后的平均溫度-時(shí)間曲線，如圖1所示。

圖1　一般室內(nèi)火災(zāi)平均溫度-時(shí)間曲線

由圖1可見(jiàn)，在火災(zāi)荷載一定時(shí)，通風(fēng)系數(shù)越大室內(nèi)火災(zāi)溫度越高，但由于燃燒速度快，可燃物較快燃盡，所以室內(nèi)溫度較早下降。通風(fēng)系數(shù)較小時(shí)，雖然火災(zāi)溫度較低，但火災(zāi)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2　鋼柱溫度計(jì)算模型

為便于構(gòu)件的溫度計(jì)算，引入以下假定：(1)保護(hù)材料外表面的溫度等于室內(nèi)平均溫度；(2)由外部傳入的熱量全部消耗于提高構(gòu)件和保護(hù)材料的溫度，不計(jì)其他熱損失；(3)構(gòu)件截面和沿軸向溫度均勻分布。

鋼構(gòu)件在受火過(guò)程的傳熱本來(lái)是連續(xù)非穩(wěn)態(tài)傳熱，現(xiàn)人為地把時(shí)間坐標(biāo)離散化，在微小時(shí)間增量Δt內(nèi)，可認(rèn)為構(gòu)件溫度和室內(nèi)溫度保持不變。在時(shí)刻t，構(gòu)件溫度為Ts(t)，相應(yīng)的室溫為Tg。

由于保護(hù)材料厚度較小，在微小時(shí)間增量Δt內(nèi)，可看作均質(zhì)平板的穩(wěn)態(tài)傳熱。通過(guò)保護(hù)材料傳入的熱流強(qiáng)度q可表達(dá)為：

(5)

在微小時(shí)間增量Δt內(nèi)，通過(guò)保護(hù)材料傳入構(gòu)件單位長(zhǎng)度內(nèi)的總熱量ΔQ為：

(6)

式中，S為構(gòu)件單位長(zhǎng)度上保護(hù)材料內(nèi)表面面積，m2·m-1；d為保護(hù)材料厚度，m；λ為保護(hù)材料導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-2·K-1。

在微小時(shí)間增量Δt內(nèi)，室溫上升為ΔT，單位長(zhǎng)度構(gòu)件吸熱為：

(7)

由于按穩(wěn)態(tài)考慮，保護(hù)材料內(nèi)溫度線性分布，在微小時(shí)間增量Δt內(nèi)，保護(hù)材料吸熱為：

(8)

由假定條件(2)有：

(9)

代入式(6)(7)(8)整理得：

(10)

由圖1可見(jiàn)，隨時(shí)間增大，ΔT很快衰減。為方便且偏于安全，將式(10)中第三項(xiàng)忽略，即得到一般室內(nèi)火災(zāi)升溫條件下鋼構(gòu)件溫度計(jì)算方程：

(11)

(12)

式中，Cs為鋼材比熱，J·kg-1·K-1；ρs為鋼材密度，取7 850 kg·m-3；V為構(gòu)件單位長(zhǎng)度體積，m3·m-1；C為保護(hù)材料的比熱，J·kg-1·K-1；ρ為保護(hù)材料的密度，kg·m-3。

鋼材比熱按下式確定：

Cs=425+0.772×Ts(t)-0.00169×Ts(t)2

(13)

3　鋼柱溫度計(jì)算及其結(jié)果分析

根據(jù)上文關(guān)于鋼柱溫度計(jì)算的模型，本文通過(guò)編程，計(jì)算了方矩鋼管柱在防火保護(hù)材料包覆下，受到本文第1部分所述室內(nèi)溫度作用下的構(gòu)件溫度。鋼柱截面受火作用示意圖如圖2所示。

圖2　鋼構(gòu)件截面受火作用示意圖

鋼構(gòu)件截面寬和高均為0.5 m，厚度為0.02 m。保護(hù)材料比熱C=1 100 J·kg-1·K-1，保護(hù)材料的密度ρ=400 kg·m-3，保護(hù)材料導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.1 W·m-2·K-1，保護(hù)材料厚度d=0.025 m。

根據(jù)以上參數(shù)和上述方法，編程計(jì)算室內(nèi)火災(zāi)荷載q=800 MJ·m-2，通風(fēng)系數(shù)分別為0.03、0.05、0.08、0.1 m1/2時(shí)鋼柱截面溫度。表2為通風(fēng)系數(shù)為0.1 m1/2時(shí)計(jì)算所得鋼柱截面溫度值，由于篇幅有限，其他通風(fēng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果不再給出。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制不同通風(fēng)系數(shù)下鋼柱的截面溫度-時(shí)間曲線，如圖3所示。

由圖1和圖3分析可知，雖然通風(fēng)系數(shù)越大，室內(nèi)火災(zāi)平均溫度最高值越大，但由于可燃物較快燃盡，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間較短，所以受防火保護(hù)的鋼構(gòu)件截面溫度在初始階段以較快速度上升，但在較快達(dá)到峰值時(shí)便開(kāi)始下降，峰值溫度相比通風(fēng)系數(shù)較小時(shí)的構(gòu)件截面溫度也要低。因此，在本文工況下，通風(fēng)系數(shù)較大時(shí)，更有利于鋼構(gòu)件的耐火性能。

圖3　鋼構(gòu)件截面溫度-時(shí)間曲線

t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃130.241963.0837105.0555145.6573184.4391214.68109230.17230.762065.4238107.3556147.8574186.4592215.95110230.53331.542167.7639109.6457150.0575188.4493217.18111230.82432.542270.140111.9358152.2576190.3994218.36112231.05533.742372.4541114.2259154.4477192.395219.49113231.22635.132474.842116.560156.6278194.1796220.58114231.32736.72577.1443118.7761158.87919697221.62115231.36838.452679.4844121.0462160.9780197.7998222.62116231.33940.392781.8245123.363163.1481199.5499223.56117231.231042.522884.1646125.5664165.382201.24100224.45118231.081144.712986.547127.8265167.4583202.91101225.3119230.891246.943088.8348130.0666169.684204.53102226.09120230.691349.23191.1649132.3167171.7585206.11103226.83121230.491451.483293.4950134.5468173.8986207.65104227.52122230.291553.783395.8151136.7869176.0387209.14105228.16123230.081656.093498.135213970178.1588210.59106228.751758.4135100.4453141.2271180.2889212107229.281860.7436102.7554143.4472182.3790213.36108229.75

4　結(jié)論

根據(jù)本文對(duì)不同通風(fēng)系數(shù)情況下室內(nèi)火災(zāi)溫度和受防火保護(hù)鋼構(gòu)件截面溫度的計(jì)算及其結(jié)果分析，可得出如下結(jié)論：(1)鋼構(gòu)件的耐火性能，除受到其自身力學(xué)特性和防火保護(hù)的性能影響之外，所處環(huán)境的通風(fēng)系數(shù)也是一項(xiàng)重要的影響因素，在鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視。(2)為提高已有鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火性能，可在考慮實(shí)際情況下，通過(guò)增加通風(fēng)口面積的方法，達(dá)到耐火性能要求。

[1] 張耀春.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2] 屈立軍.火災(zāi)荷載、通風(fēng)系數(shù)對(duì)鋼筋混凝土軸心受壓柱耐火穩(wěn)定性的影響[J].消防科學(xué)與技術(shù),2001，20(6): 4-6.

[3] 同濟(jì)大學(xué)，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)防火與防腐分會(huì).建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范:CECS 200:2006[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2006.

(責(zé)任編輯馬龍)

On the Effect of Ventilation Coefficient to the Fire Resistance of a Steel Component

ZHU Wanwan

(HohhotMunicipalFireBrigade,InnerMongoliaAutonomousRegion010010,China)

To accurately evaluate the fire resistance of a steel component in compartment fire, the average temperature of the compartment was calculated, based on the theories of heat balance of compartment post-flashover and heat conduction, in which the fire load density was 800 MJ·m-2and the ventilation coefficient were 0.03, 0.05, 0.08 and 0.1 m1/2. Based on the theories of heat transfer, the average temperature-time curves of the quadrate steel column were calculated by program in the fire load of these temperatures of the compartment. And the effect of ventilation coefficient to the temperature of the column was analyzed. The results show that when the ventilation coefficient is big, the temperature of the compartment fire will be high, but, the time of the fire persisted will be short, and the highest temperature of the steel column will be low. So the steel structure will be safer in the situation.

steel component; fire load; ventilation coefficient; heat transfer; fire resistance

2016-01-05

朱婉婉(1987—)，女，安徽銅陵人，助理工程師。

TU391

A

1008-2077(2016)08-0009-04