不同升溫曲線下框架結構溫度場對比研究

游 峰

(湖北省交通運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構溫度場對比研究

游 峰

(湖北省交通運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，針對框架結構內部可燃物性質的不同，選取了ISO834升溫曲線和HC升溫曲線對框架結構火災下的瞬態溫度場進行了分析，指出對于建筑結構的抗火性能設計應針對內部不同可燃物特性選擇合適的升溫曲線。

框架結構，火災，升溫曲線，溫度場

現代建筑結構一旦發生火災，將嚴重威脅結構內部生命財產安全，毀壞各種設施設備，甚至危及結構承重部位，進而導致整個建筑的坍塌。現在工業建筑比如廠房多采用鋼結構，民用建筑則多為鋼筋混凝土結構，兩種結構在高溫作用下鋼材和混凝土的力學性能將會改變，尤其是強度和彈性模量會在持續高溫下發生顯著的下降，導致結構承載能力降低，最終發生結構破壞[1]。混凝土結構不易燃燒，但是鋼結構在火災下極易被引燃，國內外曾經發生過多起鋼結構在火災下倒塌的案例。

1973年，天津市體育館發生大火，該體育館為鋼框架結構，火災使結構迅速燃燒，十幾分鐘后整個體育館坍塌；2008年5月25日，我國溫州市一家店市場鋼倉庫發生火災，由于倉庫面積較大，火災持續了10 h左右，內部設備幾乎摧毀殆盡，經濟損失較大，見圖1。

建筑結構廣泛采用鋼筋混凝土結構和鋼結構，混凝土導熱系數隨溫度變化較鋼材小得多，因此發生火災時混凝土結構的危險性較鋼結構低得多，鋼材在高溫下力學性能將顯著改變，在700 ℃左右時已經基本喪失承載能力。對于一般的建筑火災現場，火源周圍溫度可達到1 000 ℃左右，此時鋼材已經發生嚴重變形和扭曲，最終發生倒塌[2]。

建筑設計規范中給出了不同結構的耐火等級，設計者由此確定其耐火時間，制定相應的抗火措施。目前在進行抗火研究時主要采用標準升溫曲線ISO834來模擬結構溫度隨時間的變化，該曲線沒有將結構內部燃燒物特性考慮進去，也沒有考慮不同燃燒物升溫速率。抗火研究的關鍵在于升溫曲線的選取，升溫曲線選取不同，得到的結果也不同。因此進行建筑結構抗火設計時，要根據建筑場所實際環境以及包含可燃物的燃燒性質準確選取升溫曲線分析溫度場的變化[3]。

1 火災溫度場計算基本理論

1.1 火災中熱傳遞方式及熱傳導方程

1)熱傳導。熱傳導就是高溫物體將能量自發傳遞給低溫物體的過程，物體熱傳導系數與熱流密度的關系可由傅里葉定律推出[4]，表達式如下：

(1)

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

q=hf(T-Tl)

(2)

其中，hf為對流換熱系數；Tl為流體溫度；T為固體表面溫度。

3)熱輻射。絕對0 ℃以上的物體均可產生熱量，產生的熱量又被其他物體吸收，這種熱量從一個物體發出，另一個物體接受并將其轉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就能進行傳播，因此在真空中可以實現熱輻射過程，熱輻射與溫度的關系式可表示為[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，取值為5.67×10-8W/(m2·K4)；A1為面1的輻射面積；F12為形狀系數；T1和T2均為溫度。

4)熱傳導方程。物體都遵循能量守恒，即能量不會憑空消失，而是相互轉換，因此外界吸收到物體內部的熱量Q1加上物體自身產生的熱量Q2就等于物體增加的總熱量Q，由此可推出三維瞬態熱傳導方程數學表達式如下：

(4)

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

1.2 鋼結構材料熱參數

物體的導熱系數表示當熱傳遞過程比較穩定時單位溫度梯度和單位時間內通過物體單位面積的熱量，導熱系數單位為W/(m·℃)，歐洲規范給出的鋼材的導熱系數函數表達式為[6]：

(5)

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

(6)

此外，鋼結構的熱工參數還有熱膨脹系數和密度，兩者對溫度變化不敏感，溫度升高較大時熱膨脹系數和密度變化較小，在計算時可忽略其變化。鋼結構的熱膨脹系數為αs=1.4×10-5，密度為ρs=7 850kg/m3。

1.3 火災升溫曲線

ISO834標準升溫曲線在建筑結構火災研究中應用較廣泛，它表示了一種燃燒物溫度隨時間變化的關系，主要用于建筑結構火災分析中，建筑火災中典型的可燃物有木材、鋼材及紙質品等，該升溫曲線表達式為[7]：

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

(7)

其中,t為時間，min；T為t時刻的溫度，℃。

ISO834曲線適合描述一般的可燃物火災下溫度變化規律，但是對于建筑物中含有汽油和化學燃料等可燃物時，其燃燒時熱能釋放非常大而且迅速，很短的幾分鐘內就可達到幾百攝氏度甚至1 000 ℃以上的溫度，此時ISO834將不再適用。因此，本文采用歐洲規范中HC升溫曲線來模擬當建筑結構中含有汽油等可燃物時結構的升溫變化情況，同時將計算結果與ISO834升溫曲線進行對比，明確HC曲線的合理性。HC曲線對于一般的石油燃燒(如汽油箱、汽油罐等)火災場景比較適用，HC曲線表達式為：

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

(8)

歐洲規范中HC升溫曲線與傳統的ISO834標準升溫曲線在同一坐標軸下的變化情況如圖2所示。

2 計算實例

某建筑結構為鋼框架結構，由梁和柱構成，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，頂部梁的長度為5.5m，框架結構內部發生火災，此時梁和柱都受到火源的直接作用，其火災斷面如圖4所示。

2.1 熱分析有限元模型建立

采用結構分析軟件ANSYS，根據鋼框架結構特點，建立其熱分析三維空間模型。計算采用Solid70單元進行熱分析單元模擬，該單元為8節點8溫度自由度單元，可進行三維溫度場熱分析。模型共劃分6 784個單元，30 214個節點，三維模型見圖5。分析中對流換熱系數αc取20W/(m·℃)，輻射系數ξr取0.6，設定兩柱的側面和梁的底面為對流和輻射作用的邊界，進而進行框架結構在兩種升溫曲線下的三維瞬態溫度場的計算分析。

2.2 有限元計算結果

升溫曲線為ISO834標準升溫曲線下框架結構受火災作用10min時溫度場如圖6所示。

由圖6可知，在ISO834升溫曲線作用下，火災作用10min時框架的溫度最高達到了430 ℃，上升速度基本為直線。

HC升溫曲線作用下，框架結構受火災作用10min時的溫度場如圖7所示。

由圖7可知，在HC升溫曲線作用下，框架結構在火災作用下10min時的溫度達到864 ℃，升溫速率在前6min較大，6min后減弱，相對平緩。兩種升溫曲線作用下，框架結構的最高溫度隨時間變化曲線如圖8所示。可知在7min時框架結構在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達到最大，造成這個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構隨時間變化的溫度值

由表1可知，10min內，在不同的升溫曲線作用下，框架結構的溫度隨時間變化趨勢，所達到的最高溫度都有很大不同，相應的在最高溫度下的力學性能的衰減也不同。

故對于建筑結構中的鋼結構框架結構，應當根據具體可燃物的類型進行火災下的溫度場計算，在此基礎上制定合理的消防措施，避免鋼結構因火災造成巨大損失。

3 結語

建筑結構火災分析的重點在于升溫曲線的選取，由于不同規范及不同國家針對不同的火災場景有不同的升溫曲線，曲線選取不同將會得到不同的結果。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構火災下的溫度場分析，結果表明，ISO834升溫曲線下框架結構在10min時的溫度達到430 ℃，在HC升溫曲線作用下，框架結構在10min時的溫度達到864 ℃，兩種情況下相差很大，且升溫速率也差別很大。因此對于建筑結構的抗火研究，應當根據建筑物內可燃物的性質選取合適的升溫曲線。參考文獻:

[1] 過鎮海,時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算[M].北京:清華大學出版社,2003.

[2] 熊 偉,李耀莊,嚴加寶.火災作用下鋼筋混凝土梁溫度場數值模擬及試驗驗證[J].中南大學學報(自然科學版),2012,43(7):2839-2843.

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[5] 范 進.高溫后預應力鋼絞線性能的試驗研究[J].南京理工大學學報,2004,28(2):186-189.

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[9]ISO-834，Fireresistancetests-elementsofbuildingconstruction[D].ISO:Geneva,1975:8．

[10]GB50153—92，工程結構可靠性設計統一標準[S].

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，高級工程師

TU311

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