游 峰

(湖北省交通運(yùn)輸廳漢十高速公路管理處，湖北 武漢 430050)

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不同升溫曲線下框架結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)對(duì)比研究

游 峰

(湖北省交通運(yùn)輸廳漢十高速公路管理處，湖北 武漢 430050)

采用熱分析軟件ANSYS，建立了某鋼框架熱分析三維空間模型，針對(duì)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部可燃物性質(zhì)的不同，選取了ISO834升溫曲線和HC升溫曲線對(duì)框架結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，指出對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)內(nèi)部不同可燃物特性選擇合適的升溫曲線。

框架結(jié)構(gòu)，火災(zāi)，升溫曲線，溫度場(chǎng)

現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生火災(zāi)，將嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)內(nèi)部生命財(cái)產(chǎn)安全，毀壞各種設(shè)施設(shè)備，甚至危及結(jié)構(gòu)承重部位，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)建筑的坍塌?，F(xiàn)在工業(yè)建筑比如廠房多采用鋼結(jié)構(gòu)，民用建筑則多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)在高溫作用下鋼材和混凝土的力學(xué)性能將會(huì)改變，尤其是強(qiáng)度和彈性模量會(huì)在持續(xù)高溫下發(fā)生顯著的下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力降低，最終發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞[1]。混凝土結(jié)構(gòu)不易燃燒，但是鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下極易被引燃，國(guó)內(nèi)外曾經(jīng)發(fā)生過多起鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下倒塌的案例。

1973年，天津市體育館發(fā)生大火，該體育館為鋼框架結(jié)構(gòu)，火災(zāi)使結(jié)構(gòu)迅速燃燒，十幾分鐘后整個(gè)體育館坍塌；2008年5月25日，我國(guó)溫州市一家店市場(chǎng)鋼倉(cāng)庫(kù)發(fā)生火災(zāi)，由于倉(cāng)庫(kù)面積較大，火災(zāi)持續(xù)了10 h左右，內(nèi)部設(shè)備幾乎摧毀殆盡，經(jīng)濟(jì)損失較大，見圖1。

建筑結(jié)構(gòu)廣泛采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化較鋼材小得多，因此發(fā)生火災(zāi)時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)性較鋼結(jié)構(gòu)低得多，鋼材在高溫下力學(xué)性能將顯著改變，在700 ℃左右時(shí)已經(jīng)基本喪失承載能力。對(duì)于一般的建筑火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，火源周圍溫度可達(dá)到1 000 ℃左右，此時(shí)鋼材已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形和扭曲，最終發(fā)生倒塌[2]。

建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中給出了不同結(jié)構(gòu)的耐火等級(jí)，設(shè)計(jì)者由此確定其耐火時(shí)間，制定相應(yīng)的抗火措施。目前在進(jìn)行抗火研究時(shí)主要采用標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線ISO834來模擬結(jié)構(gòu)溫度隨時(shí)間的變化，該曲線沒有將結(jié)構(gòu)內(nèi)部燃燒物特性考慮進(jìn)去，也沒有考慮不同燃燒物升溫速率。抗火研究的關(guān)鍵在于升溫曲線的選取，升溫曲線選取不同，得到的結(jié)果也不同。因此進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)建筑場(chǎng)所實(shí)際環(huán)境以及包含可燃物的燃燒性質(zhì)準(zhǔn)確選取升溫曲線分析溫度場(chǎng)的變化[3]。

1 火災(zāi)溫度場(chǎng)計(jì)算基本理論

1.1 火災(zāi)中熱傳遞方式及熱傳導(dǎo)方程

1)熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)就是高溫物體將能量自發(fā)傳遞給低溫物體的過程，物體熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱流密度的關(guān)系可由傅里葉定律推出[4]，表達(dá)式如下：

(1)

2)熱對(duì)流。熱對(duì)流是發(fā)生在固體與流體接觸時(shí)不同溫度下的熱量交換，其原理是在高溫作用下，周圍氣體密度發(fā)生改變，空氣受熱向上發(fā)生運(yùn)動(dòng)，而未受高溫作用的空氣向下運(yùn)動(dòng)，這種由于溫度不同導(dǎo)致的上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了熱量的交換。熱對(duì)流中熱流密度與溫度變化關(guān)系表達(dá)式為：

q=hf(T-Tl)

(2)

其中，hf為對(duì)流換熱系數(shù)；Tl為流體溫度；T為固體表面溫度。

3)熱輻射。絕對(duì)0 ℃以上的物體均可產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的熱量又被其他物體吸收，這種熱量從一個(gè)物體發(fā)出，另一個(gè)物體接受并將其轉(zhuǎn)換成能量的過程稱為熱輻射。物體熱輻射能量多少取決于自身溫度的高低，并且熱輻射不需要依靠介質(zhì)就能進(jìn)行傳播，因此在真空中可以實(shí)現(xiàn)熱輻射過程，熱輻射與溫度的關(guān)系式可表示為[5]：

Q=εσA1F12(T14-T24)

(3)

其中，Q為熱流率；ε為輻射率，它表示單位面積的物體熱輻射能量與同溫下黑體熱量的比值；σ為玻爾茲曼常數(shù)，取值為5.67×10-8W/(m2·K4)；A1為面1的輻射面積；F12為形狀系數(shù)；T1和T2均為溫度。

4)熱傳導(dǎo)方程。物體都遵循能量守恒，即能量不會(huì)憑空消失，而是相互轉(zhuǎn)換，因此外界吸收到物體內(nèi)部的熱量Q1加上物體自身產(chǎn)生的熱量Q2就等于物體增加的總熱量Q，由此可推出三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(4)

其中，u為物體在(x,y,z)，t時(shí)的溫度；t為物體受火時(shí)間；ρ為密度；c為比熱容；x，y和z均為空間三維坐標(biāo)；k為導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)材料熱參數(shù)

物體的導(dǎo)熱系數(shù)表示當(dāng)熱傳遞過程比較穩(wěn)定時(shí)單位溫度梯度和單位時(shí)間內(nèi)通過物體單位面積的熱量，導(dǎo)熱系數(shù)單位為W/(m·℃)，歐洲規(guī)范給出的鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)表達(dá)式為[6]：

(5)

物體的比熱容表示單位溫度升高下單位質(zhì)量物體所具有的容納熱量的大小，比熱容單位為J/(kg·℃)，歐洲規(guī)范給出的鋼材的比熱容函數(shù)表達(dá)式為：

(6)

此外，鋼結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)還有熱膨脹系數(shù)和密度，兩者對(duì)溫度變化不敏感，溫度升高較大時(shí)熱膨脹系數(shù)和密度變化較小，在計(jì)算時(shí)可忽略其變化。鋼結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)為αs=1.4×10-5，密度為ρs=7 850kg/m3。

1.3 火災(zāi)升溫曲線

ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線在建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究中應(yīng)用較廣泛，它表示了一種燃燒物溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系，主要用于建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)分析中，建筑火災(zāi)中典型的可燃物有木材、鋼材及紙質(zhì)品等，該升溫曲線表達(dá)式為[7]：

T=345log(8t+1)+20

(7)

其中,t為時(shí)間，min；T為t時(shí)刻的溫度，℃。

ISO834曲線適合描述一般的可燃物火災(zāi)下溫度變化規(guī)律，但是對(duì)于建筑物中含有汽油和化學(xué)燃料等可燃物時(shí)，其燃燒時(shí)熱能釋放非常大而且迅速，很短的幾分鐘內(nèi)就可達(dá)到幾百攝氏度甚至1 000 ℃以上的溫度，此時(shí)ISO834將不再適用。因此，本文采用歐洲規(guī)范中HC升溫曲線來模擬當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)中含有汽油等可燃物時(shí)結(jié)構(gòu)的升溫變化情況，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果與ISO834升溫曲線進(jìn)行對(duì)比，明確HC曲線的合理性。HC曲線對(duì)于一般的石油燃燒(如汽油箱、汽油罐等)火災(zāi)場(chǎng)景比較適用，HC曲線表達(dá)式為：

T=20+1 080(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t)

(8)

歐洲規(guī)范中HC升溫曲線與傳統(tǒng)的ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線在同一坐標(biāo)軸下的變化情況如圖2所示。

2 計(jì)算實(shí)例

某建筑結(jié)構(gòu)為鋼框架結(jié)構(gòu)，由梁和柱構(gòu)成，梁與柱的截面為工字形截面，尺寸如圖3所示，框架柱的高度為3m，頂部梁的長(zhǎng)度為5.5m，框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，此時(shí)梁和柱都受到火源的直接作用，其火災(zāi)斷面如圖4所示。

2.1 熱分析有限元模型建立

采用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS，根據(jù)鋼框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立其熱分析三維空間模型。計(jì)算采用Solid70單元進(jìn)行熱分析單元模擬，該單元為8節(jié)點(diǎn)8溫度自由度單元，可進(jìn)行三維溫度場(chǎng)熱分析。模型共劃分6 784個(gè)單元，30 214個(gè)節(jié)點(diǎn)，三維模型見圖5。分析中對(duì)流換熱系數(shù)αc取20W/(m·℃)，輻射系數(shù)ξr取0.6，設(shè)定兩柱的側(cè)面和梁的底面為對(duì)流和輻射作用的邊界，進(jìn)而進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)在兩種升溫曲線下的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算分析。

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

升溫曲線為ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下框架結(jié)構(gòu)受火災(zāi)作用10min時(shí)溫度場(chǎng)如圖6所示。

由圖6可知，在ISO834升溫曲線作用下，火災(zāi)作用10min時(shí)框架的溫度最高達(dá)到了430 ℃，上升速度基本為直線。

HC升溫曲線作用下，框架結(jié)構(gòu)受火災(zāi)作用10min時(shí)的溫度場(chǎng)如圖7所示。

由圖7可知，在HC升溫曲線作用下，框架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下10min時(shí)的溫度達(dá)到864 ℃，升溫速率在前6min較大，6min后減弱，相對(duì)平緩。兩種升溫曲線作用下，框架結(jié)構(gòu)的最高溫度隨時(shí)間變化曲線如圖8所示?？芍?min時(shí)框架結(jié)構(gòu)在HC升溫曲線下的溫度比ISO834曲線下的溫度高445 ℃，兩種曲線下的溫度差值在此時(shí)達(dá)到最大，造成這個(gè)差別的原因在于兩種升溫曲線的升溫速率不同。

表1 兩種升溫曲線下框架結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的溫度值

由表1可知，10min內(nèi)，在不同的升溫曲線作用下，框架結(jié)構(gòu)的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)，所達(dá)到的最高溫度都有很大不同，相應(yīng)的在最高溫度下的力學(xué)性能的衰減也不同。

故對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體可燃物的類型進(jìn)行火災(zāi)下的溫度場(chǎng)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上制定合理的消防措施，避免鋼結(jié)構(gòu)因火災(zāi)造成巨大損失。

3 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)分析的重點(diǎn)在于升溫曲線的選取，由于不同規(guī)范及不同國(guó)家針對(duì)不同的火災(zāi)場(chǎng)景有不同的升溫曲線，曲線選取不同將會(huì)得到不同的結(jié)果。本文分析選取ISO834升溫曲線和HC升溫曲線，將其用于同一框架結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的溫度場(chǎng)分析，結(jié)果表明，ISO834升溫曲線下框架結(jié)構(gòu)在10min時(shí)的溫度達(dá)到430 ℃，在HC升溫曲線作用下，框架結(jié)構(gòu)在10min時(shí)的溫度達(dá)到864 ℃，兩種情況下相差很大，且升溫速率也差別很大。因此對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的抗火研究，應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑物內(nèi)可燃物的性質(zhì)選取合適的升溫曲線。參考文獻(xiàn):

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Transienttemperaturefieldofframestructureunderdifferentheatingcurves

YouFeng

(HubeiProvinceTransportationHallManagementOfficeoftheHighwayHankoutoShiyan,Wuhan430050,China)

Using the thermal analysis software ANSYS, this paper established the thermal analysis 3D model of a steel frame, according to the different properties of internal combustible materials of frame structure, selection of the ISO834 temperature curve and HC transient temperature curve analyzed the transient temperature field to frame structure fire, pointed out that the fire resistance performance design of building structure should select appropriate temperature rise curve according to different fuel characteristics.

frame structure, fire, temperature rise curve, temperature field

1009-6825(2017)12-0036-03

2017-02-19

游 峰(1976- )，男，碩士，高級(jí)工程師

TU311

A