1∶4縮尺廠房中功率火災試驗研究

杜二峰 舒贛平 呂曉

摘 ? 要：為研究局部火災作用下大空間建筑內火源、熱煙氣以及室內空間和鋼構件溫度場的發展及分布規律，設計建造了一個縮尺比為1 ∶ 4的門式剛架廠房模型，在模型內開展相當于中功率火災的小規模火災試驗.試驗過程中測量了模型內部各關鍵位置的熱空氣和鋼構件溫度，并采用《建筑鋼結構防火技術規范》（GB51249-2017）給出的鋼構件溫度場計算公式對試驗中構件升降溫進行計算對比.結果表明：熱空氣溫度峰值從火源正上方向四周逐漸減小，沿跨度方向兩側溫度分布基本對稱.局部火災下建筑內部空間明顯可分為熱煙氣層高溫區、次高溫區和熱煙氣層以下區域. 鋼構件溫度沿截面方向分布較均勻，其溫度變化明顯滯后于熱空氣.對于處在熱煙氣層以下的鋼構件，其溫度場計算需要額外考慮火焰的直接輻射作用.

關鍵詞：局部火災;試驗研究;門式剛架;熱空氣;溫度

中圖分類號：TU393.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Medium Power Fire Test Study on a 1 ∶ 4 Scaled Portal Frame Building

DU Erfeng1，SHU Ganping1？覮，L？譈 Xiao2

（1. Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，

Southeast University，Nanjing 21189，China;

2. School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji'nan 250101，China）

Abstract：To investigate the fire development，smoke movement，and temperature development within the whole building and steel members，a 1 ∶ 4 scaled portal frame building was designed and built for a medium fire test. The temperatures of the hot gas and steel members were measured in the test. The formulation recommended by《Code for fire safety of steel structure in buildings》（GB51249-2017） was used to predict the temperature-time curves of steel members. The test results indicate that the maximum temperature of hot smoke decreases from the fire origin to the surrounding zone and distributes symmetrically on either side of the roof ridge. In the case of localized fire，the space in the building can be divided into high temperature zone of hot smoke layer，sub-high temperature zone and zone below the hot smoke layer. The temperature distributions within the steel sections are approximately uniform. The temperature variation of steel members lags behind that of the surrounding hot gas during the growth and decline stage. Meanwhile，the effect of flame radiation on the temperature elevation of steel members under the hot smoke zone needs to be considered in addition.

Key words：localized fire;experimental study;portal frame;hot smoke;temperature

大空間鋼結構建筑通常占地面積大、高度高，通風條件好，該類建筑的火災類型一般為燃料控制型火災.當火災荷載不是特別大或者設置有防火隔離帶等措施時，燃料燃燒面僅限于局部區域，建筑內部為不均勻溫度場.處在不同位置的鋼構件接受到的熱量是有差別的，這和一般室內火災中假定室內是均勻溫度場的情形有顯著不同.因此有必要對大空間鋼結構建筑中的火災發展規律和結構響應特征進行研究.

目前，國內外對大空間鋼結構抗火性能的研究主要集中在理論分析方面[1-8]，而關于試驗研究的成

果還比較少.同時由于大空間結構造型各異，且大多形式復雜，因此已有的試驗研究主要集中在相對簡單的門式剛架結構上. Wong[9]基于英國規范設計建造一個1 ∶ 5縮尺整體門式剛架結構，并對其在局部火源作用下的力學反應進行試驗研究，然而該研究主要針對一榀剛架的鋼梁全部被火焰包括的情形，是標準火災在實際場景的再現，未涉及模型內部整個空間的不均勻溫度場. Pyl等[10]報道了一個長20 m、寬8 m、檐口高度為2.5 m的冷成型薄壁鋼組合截面門式剛架結構的抗火試驗研究，該試驗是針對室內均布火荷載的工況.

綜上可知，目前已有的試驗研究較少關注大空間建筑內部溫度場分布規律和鋼構件的溫度發展規律.因此，本文擬開展門式剛架廠房火災試驗對火災熱煙氣的發展規律、模型內部空間以及鋼構件的溫度分布發展情況進行研究. 同時，采用《建筑鋼結構防火技術規范》（GB51249-2017）[11]給出的鋼構件溫升計算公式對試驗中構件升降溫進行計算對比，以驗證規范計算方法在實際火災場景中的適用性.

考慮到足尺實體門式廠房火災試驗需要耗費大量的人力與物力，火災發展過程難以控制，試驗數據采集難度以及試驗危險性較大，因此本文擬開展縮尺的中功率火災試驗.

1 ? 試驗方案

1.1 ? 試驗模型

縮尺試驗模型與原型結構之間滿足一定的相似準則時，縮尺試驗模型的試驗結果才能夠直接推算到原型結構上去. 對于火災縮尺模型試驗而言，縮尺模型與原型須滿足時間相似、幾何相似、溫度相似和火源強度相似等. 設計縮尺試驗模型首先要確定幾何縮尺比例，比例過大會導致試驗成本較高，過小則試驗精度難以保證. NFPA92B[12]推薦的最小幾何縮尺比例為1 ∶ 8，因此經過對比分析，本試驗的幾何縮尺比定為1 ∶ 4.擬研究的原模型尺寸為：長50 m，寬24 m，檐口高度為9 m，屋脊高度為10.2 m，屋面坡度為1/10. 此模型的地面面積為1 200 m2，滿足大空間建筑火災的要求.相應縮尺模型的尺寸為：長12.5 m，寬6 m，檐口高度為2.25 m，屋脊高度為2.55 m.

試驗模型的整體外貌如圖1所示，其屋面結構布置如圖2所示.在兩端山墻居中各設置一個寬1.2 m，高2.03 m門洞，在兩側墻設有玻璃窗. 模型主體結構由6榀門式剛架組成，榀間距為2.5 m. 剛架梁、柱均采用8號工字鋼制作，截面尺寸為80×50×4.5×6.5 mm. 墻檁和屋檁由鍍鋅鋼板彎折而成，截面尺寸為60×38×12×1.6 mm. 在屋脊和梁柱節點處設置剛性系桿，剛性系桿采用直徑為42 mm、壁厚為3 mm的圓鋼管.

在模型兩端設置屋面水平支撐和柱間支撐，支撐采用直徑為10 mm的圓鋼.屋面板為巖棉夾芯板，其上層壓型鋼板為0.5 mm厚瓦楞板、下層壓型鋼板為0.5 mm厚平板，中間為75 mm厚巖棉.墻面板為0.5 mm厚單層壓型鋼板.所有鋼材的材質均為Q235B.

1.2 ? 試驗火源

由于柴油油池火穩定燃燒時能夠產生較為穩定的燃燒速率，而且比較符合大空間火災的特點，因此將試驗火源設計為柴油油池火.油池選取邊長為0.5 m的正方形油盤，其穩定燃燒階段的功率為154.4 kW[15]，基本和縮尺后中功率火災的火源功率相當. 油盤深0.06 m，內裝2.8 L柴油作為燃料，同時添加200 mL的汽油助燃，放置在第3軸線地面中央.

1.3 ? 溫度測量方案

采用K型熱電偶對模型內部熱空氣溫度和鋼梁、鋼柱溫度進行測量.數據由日本東京測器有限公司生產的TDS303數據采集儀自動采集.

為了能較充分地捕捉重點部位的溫度數據，又不至于熱電偶布置太多，對熱電偶采取非均勻布置方案. 其中火源正上方的第3軸線門式剛架及熱空氣熱電偶布置最多，如圖3所示. 構件和熱空氣熱電偶的編號分別以S和G開頭.編號中的第一個數字為該熱電偶所在的軸線號，其余數字為該熱電偶的序號，本文其它的熱電偶編號均遵循該原則. 左側檐口和屋脊處鋼梁熱電偶分別布置在上下翼緣和腹板中心，用以觀測溫度在同一截面的分布情況，如圖3中a和b截面所示. 其他部位梁、柱熱電偶均固定在腹板中心.

其它軸線門式剛架僅在梁柱節點、屋脊處以及C軸線一側1和2軸線鋼柱柱中布置熱空氣熱電偶.A軸線一側各榀梁柱節點處的熱空氣熱電偶的編號分別為G11、G21、G41、G51和G61;屋脊處各榀剛架的熱空氣熱電偶的編號分別為G12、G22、G42、G52和G62;C軸線一側各榀梁柱節點處的熱空氣熱電偶的編號分別為G13、G23、G43、G53和G63，1和2軸線鋼柱柱中熱空氣熱電偶的編號分別為G14和G24.

2 ? 試驗過程及現象

在點火10 s后火苗基本上布滿整個油盤，如圖4（a）所示. 20 s時，火苗高度接近0.625 m，火苗上方形成明顯的煙柱. 46 s時，火苗高度接近1 m，屋頂形成明顯的煙氣層，如圖4（b）所示. 78 s時，火苗高度達到1.25 m，此時煙氣層已下降至距地面約1.5 m處. 162 s時，火苗高度達到1.375 m，煙氣層下降至距地面約1.25 m處，此后煙氣層距地面的高度基本上在1.25 m與1.5 m之間浮動，即火源燃燒產生的熱煙氣和通過門洞散失的熱煙氣達到了基本平衡.294 s時，火苗高度達到1.5 m，如圖4（c）所示.514 s時，火苗高度約為1.375 m，之后火勢有所減弱.616 s時，火勢明顯減弱，此刻火苗高度約為1 m，如圖4（d）所示. 646 s時，火苗高度降到0.75 m左右，684 s時，火苗高度降到0.375 m左右，754 s時，僅油盤角部有少許火苗，如圖4（e）所示. 836 s時，火苗基本熄滅.

3 ? 溫度分布及分析

3.1 ? 熱空氣溫度

試驗中各榀剛架屋脊處的熱空氣溫度隨時間的變化規律如圖5所示.由圖可見火源正上方的第3軸線剛架屋脊處熱空氣熱電偶G35的溫度最高，其原因是此處為煙氣羽流的中心區域.離開火源正上方之后，熱空氣溫度劇烈衰減.隨著距火源的距離增大，各熱電偶溫度峰值漸減.

圖6和圖7分別給出了各榀剛架A軸線和C軸線側檐口處熱空氣溫度隨時間的變化曲線. 由圖6可見熱電偶G33的溫度峰值最大，熱電偶G41的溫度曲線和G33非常接近.雖然熱電偶G21距火源的距離和熱電偶G41的相同，但前者溫度明顯低于后者，其原因可能是熱電偶G21距門洞較近，熱量損失較多.其他兩個熱電偶的溫度峰值隨著距火源的距離增大而減小.由圖7可以看出熱電偶G37、G43和G53的溫度-時間曲線基本一致，而G13和G63的溫度峰值明顯減小.

圖5～圖8中各熱空氣熱電偶均處在熱煙氣層中，綜合各圖可以看出，除火源正上方的熱電偶G35之外，其它各測點的溫度比較接近，相差在30 ℃以內. 其原因是火源燃燒產生的煙氣羽流在浮力作用下上升沖擊屋頂后，沿屋頂向四面擴散，火源正上方的區域成為熱煙氣擴散中心，溫度最高.而四散出去的熱煙氣不斷向下方的冷空氣傳輸熱量，溫度相對較低. 因此，熱煙氣層可以分為火源正上方的高溫區及以外的次高溫區.

圖9給出了第3軸線鋼柱側熱空氣熱電偶溫度隨時間的變化情況. 由圖可見兩側熱空氣溫度分布基本對稱. 柱中（G32、G38）和柱腳處（G31）的熱電偶的溫度明顯低于檐口處（G33、G37）的溫度. 這是因為柱中以下處在熱煙氣層之外. 因此局部火災下建筑內部空間明顯可分為熱煙氣層區和以下區域.

3.2 ? ?鋼構件溫度

圖12和圖13分別給出了第3軸線屋脊處b截面和左側檐口處a截面上翼緣、腹板中心和下翼緣的溫度-時間曲線. 從圖中可以看出，鋼梁截面溫度基本均勻分布，其主要原因是鋼梁截面較小，鋼材的導熱性較好，且整個截面處在熱煙氣的包圍之中. 在升溫階段，鋼梁溫度明顯低于熱空氣溫度. 在降溫階段，鋼梁的降溫速度較慢，其溫度遠高于熱空氣溫度.

4 ? 構件溫度計算對比

《建筑鋼結構防火技術規范》（GB51249-2017）給出的構件升溫計算方法如下式：

采用上述公式計算的構件升降溫曲線及其與實測值的對比情況如圖16所示. 圖中，由規范公式計算的曲線標以字母“C”.

由圖可見，對于測點S31和S311，在升溫段的前期，規范公式計算的結果和試驗實測值吻合較好，在升溫段的后期，計算結果較試驗數據偏小. 在計算溫度峰值點處，對于上述兩個測點，計算值較試驗值分別小1.67 ℃和1.54 ℃.相對于它們的溫升（10 ℃和12.1 ℃）而言，誤差分別為16.7%和12.7%. 造成這一現象的原因是這兩點均位于柱中，處在熱煙氣層以下，它們的溫升不僅源自熱煙氣，而且受到火源的直接熱輻射作用，因此其溫度場計算需要額外考慮火焰的直接輻射作用.對于處在熱煙氣層次高溫區域的

測點S33、S35、S39和S310，除S35外，在升溫段，計算結果均較試驗數據明顯偏大. 對于處在熱煙氣層高溫區域的測點S37，在390 s之前，規范公式計算的結果和試驗實測值吻合較好. 此后直至665 s（升降溫轉折點），計算值比試驗值的增幅顯著偏大. 對所有測點，公式計算的降溫的速度都比試驗結果偏快.造成計算偏差的主要原因是規范公式是基于標準火災的升溫階段，相關參數的取值不完全適用于實際火災.因此，對于實際火災中鋼構件的升降溫計算方法，需要進一步研究探索，目前相關工作正在進行之中.

5 ? 結 論

本文設計建造了一個1 ∶ 4縮尺門式剛架廠房模型，并在其內開展了小規模火災試驗研究，同時，利用我國規范給出的鋼構件升溫計算公式對試驗中構件升降溫進行計算對比.得出以下結論：

1）熱空氣溫度峰值從火源正上方向四周逐漸減小.沿跨度方向兩側溫度分布基本對稱. 局部火災下建筑內部空間明顯可分為熱煙氣層高溫區、次高溫區和熱煙氣層以下區域.

2）升降溫全過程鋼構件的溫度變化相對于熱空氣表現出明顯的滯后現象. 鋼構件的溫度沿截面方向分布較均勻.

3）《建筑鋼結構防火技術規范》（GB51249-2017）給出的鋼構件溫升計算公式不完全適用于實際火災場景，對于處在熱煙氣層以下的鋼構件，其溫度場計算需要額外考慮火焰的直接輻射作用.

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