火灾全过程钢结构温度预测及试验研究

                               徐志胜朱国庆

                     1中南大学防灾科学与安全技术研究所湖南长沙 410075

2中国矿业大学安全工程学院江苏徐州 221116

 

     为研究火灾全过程中钢结构整体稳定性对火灾中受火钢构件温度变化规律进行研究分析受火钢构件温度变化原理重新选择预测模型中关键参数的取值介绍相关试验设计方案5个工况研究钢构件及室内烟气温度变化对比试验结果和预测值验证模型的准确性试验结果表明修正过后的预测模型可以准确的预测火灾全过程中钢结构温度变化尤其是衰退阶段时钢结构温度变化规律

关键词钢结构火灾衰退阶段冷却形式温度预测模型试验研究

中图分类号X924.4, TU391, TK121   文献标志码A 

文章编号1009-0029(2017)01-004-04

目前关于钢结构抗火的研究主要集中在火灾升温阶段如同济大学李国强教授中国矿业大学张国维博士提出了火灾中钢结构温升计算模型关于火灾衰退阶段钢结构整体稳定性的影响相对较少实际上在火灾衰退阶段很多在火灾升温阶段经历过高温而没有倒塌的钢结构建筑由于在随后的灭火救援行动中或现场清理时室内温度迅速下降导致钢结构内部温度分布不均匀受约束的钢构件在温度的影响下其内部产生巨大应力造成建筑倒塌和救援人员伤亡建立火灾全过程中钢结构建筑温度预测模型对指导钢结构建筑防火设计及灭火救援行动具有重要意义

1  钢构件升降温理论研究

1. 1 火灾全过程受火钢构件升降温模型

在火灾全过程中钢结构温度主要受三个因素的影响烟气对钢结构的热辐射烟气与钢结构之间的对流换热火焰对钢结构的辐射换热烟气与钢结构的对流换热在升温和降温阶段影响较大但是当火焰距离钢构件较近角系数较大时火焰辐射的影响增加为了研究方便假设钢构件各个面辐射吸收率相同又因为钢材是热的良导体故假设钢构件同一截面内温度一致

采用集总热容法以钢构件为研究对象建立相关热平衡方程如式1所示

image.png

式中Q为单位时间内单位长度钢构件所传递的总热量KWρ为钢构件密度kg?C为钢构件的比热容J/(kg·);V为单位长度钢构件体积?dT为单位时间钢构件温升t为时间s

由于钢结构升温热量主要来自火焰的热辐射烟气的热辐射和烟气的热对流如图1所示钢结构热量传递如式2所示

                        image.png

式中Qgr为烟气与钢构件之间的辐射传热量KWQfr为火焰与构件之间的辐射传热量KWQsc为烟气与构件之间的对流传热量KW

image.png

同济大学李国强教授给出了受火钢结构温度变化量的表达式将烟气热辐射火焰热辐射烟气对流热的表达式代入钢构件热平衡方程变形后可以得到单位时间内钢构件温度变化量的表达式如式3所示

image.png

由于3式并不能求出解析解所以采用迭代计算的方法对于火灾全过程钢结构温度变化进行求解如式4所示

image.png

式中image.png为第j1步钢构件温度image.png为第j步钢构件温度

该模型在预测火灾升温阶段准确度较高但是对于熄灭阶段钢结构温度预测值低于试验值需要对模型中的关键参数重新进行选取

1. 2 关键参数取值

1对流换热系数image.png京都大学的TanaKaYamada在测试中发现从地板到顶棚的对流换热系数变化范围为540 W/(·K)。普林斯顿大学Peter S. Veloo James G. Quintiere的试验中发现对流换热占总热流量25以上并给出对流系数在燃烧阶段与熄灭阶段取值如式5)、6所示

image.png

式中image.png为无量纲对流换热系数h为对流换热系数W/(·);ρ为周围空气密度kg?Cp为空气的定压比热容J/(kg·),一般取Cp1200 J/(KG ·);image.png为距火焰面的高度ΔT为距火焰面image.png处温度与周围空气温度的差值T为周围气体温度

2烟气发射率image.png烟气吸收系数与温度间的关系如式7所示

image.png

3比热容C火场中钢构件的比热随温度发生变化ECCS 规范条文解释及BSI编写的相关设计手册给出钢构件比热容的精确方法如式8所示

image.png

2 试验验证

1. 1 试验设计

利用一个设有独立水喷淋系统的方形小室布置试房间尺寸为4.8 m×4.4 m×2.8 m),墙壁为砖混结构屋面板为钢筋混凝土房间设有一个补风口11底边与地板平齐试验房间整体布置如图2所示钢构件为20型工字钢截面尺寸如图3所示构件沿房间长度方向穿墙布置,两侧墙开口处用混凝土密封。工字钢底面距地面2.2 m

image.png

沿工字钢受火侧长度方向每隔30cm设置一个深3cm的钻孔热电偶布置在钻孔内其在孔内位置为工字钢腹板与翼板结合部即工字钢截面最厚处