實體火災實驗中熱電偶支架結構的設計與應用★

張 唯 劉 慶 孟天暢 王 禮 南衛涵

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

火災一直以來都是人類的噩夢，因為火災一旦發生，可能會產生巨大的影響，甚至造成難以估量的損失。為此，專家們在不斷探究如何從根本上降低火災的發生幾率或者最大程度地降低火災所造成的損失。而在眾多的研究方法中，全尺寸實體火災實驗是比較受大家推崇的，因為它能夠最大程度地還原火災發生時的真實場景，同時又對實體火災災變機理和火災發展蔓延規律的研究起到了極其重要的作用。

然而，火災發展蔓延規律的研究離不開對于溫度場的研究。實體火災實驗中，對溫度場的研究就是了解空氣的溫度隨時間的變化情況和不同構件表面溫度隨時間的變化規律，從而可以掌握整個建筑在各個時間節點的溫度變化以及火災蔓延傳播規律。在實驗過程中，溫度數據的采集成為了十分重要的一環。在通常情況下，K型鎧裝鎳鉻—鎳硅熱電偶被廣泛使用。而在實際實驗中，可能需要測量同一立面上不同高度處的溫度值。此時，“熱電偶束”應運而生。

在測量過程中，熱電偶的良好固定是溫度場數據采集準確性的基礎。熱電偶支架是熱電偶固定的首選。而在目前的實驗研究中，熱電偶支架的設計以及應用的相關研究還并未涉及。所以，本文將詳細說明熱電偶支架的設計要素，并將結合一個全尺寸實體火災實驗進行應用驗證。

1 熱電偶支架設計要素

在熱電偶支架設計的過程中，有多種因素需要被考慮，如結構穩定性、通用性、便攜性和耐火性能等。

1.1 結構穩定性

具有良好結構穩定性的熱電偶支架不僅能夠使測量數據更加精確，還能夠在整個火災發展歷程中使后期的實驗數據分析更加豐富和全面。倘若在火災初期就由于熱電偶支架的結構穩定性差而使支架傾倒，這將極大的影響到溫度數據采集的完整性和整個實驗的價值。

1)熱電偶支架結構穩定性的理論分析。

結構的穩定性一般與其重心高度和支承面積密切相關，熱電偶支架也不例外。在實際設計中，熱電偶支架一般由豎桿和支承底座兩部分組成。

熱電偶支架的重心高度直接決定著其穩定性。圖1展示了兩個有著不同重心高度但支承面積相同的熱電偶支架的一種平衡狀態。從二力平衡條件[1]可知，當支架受到的重力延長線恰好穿過支架的支點時，結構正好處于平衡狀態。支架在處于平衡狀態時會產生一個傾角α，當傾角小于α時，支架會回到水平狀態，但當傾角大于α時，支架會失去平衡從而傾倒。而其中支架b的重心高度低于支架a，導致支架b在平衡狀態時產生的傾角α2明顯大于支架a在平衡狀態時產生的傾角α1，這就意味著支架b從初始狀態到傾斜的平衡狀態有著更大的空間范圍，說明與支架a相比，支架b更不易傾倒且有著更強的穩定性。因此，這就說明熱電偶支架的重心高度越低，則其穩定性越高。

此外，熱電偶支架的支承面積大小同樣是影響其穩定性的重要因素。圖2展示了兩個支承面積不同但重心高度相同的熱電偶支架的一種平衡狀態。 其中支架c的支承面積大于支架a，導致支架c在平衡狀態時產生的傾角α3明顯大于支架a在平衡狀態時產生的傾角α1，這就意味著支架c從初始狀態到傾斜的平衡狀態有著更大的空間范圍，說明與支架a相比，支架c更不易傾倒且有著更強的穩定性。進而說明，熱電偶支架的支承面積越大，則其穩定性越高。

由此可見，從穩定性的角度而言，實際應用時應選用重心高度較低且支承面積較大的熱電偶支架。

2)基于ABAQUS數值模擬的熱電偶支架穩定性理論驗證。

利用ABAQUS軟件對熱電偶支架進行處于靜力狀態下的穩定性分析。建模時，對熱電偶支架進行簡化處理，將由圓柱形底座和2 m長的空心鋼質豎桿組成的支架放置于水泥地面上，并在支架豎桿的1 m高度處施加水平位移使豎桿不斷傾斜。在此過程中，在位移施加處同時會產生反作用力，該反力會隨位移變化而不斷變化。在初始狀態和傾斜狀態下的熱電偶支架ABAQUS模型如圖3所示。

為了方便對比，共建立了三個熱電偶支架模型。其中三個模型均使用了同樣的空心鋼質豎桿，但為分析支架的重心高度和支承面積對其穩定性的影響，分別調整了底座密度和底座底面半徑，三個模型的底座具體信息如表1所示。

表1 三個ABAQUS模型的底座密度和底座半徑

其中，與模型1相比，模型2的底座密度更大，但同時保證它們的支承面積(底座半徑)相同，這意味著模型2比模型1的重心高度更低。

基于ABAQUS對熱電偶支架進行數值模擬計算，模型1和模型2中施加的位移與在位移施加處產生的反力計算值之間的關系曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨著水平位移不斷增大，當反力為0時，支架達到平衡狀態，此時達到支架失穩前的最大水平位移量(極限位移量)，而支架的極限位移量越大，意味著其更不易傾倒。通過對比發現，重心高度更小的模型2的極限位移量更大，也就更不易失穩。同時，印證了之前的理論：熱電偶支架的重心高度越低，則其穩定性越高。

此外，與模型1相比，模型3的支承面積(底座半徑)更小，但同時保證兩個模型的重心高度相同。

基于ABAQUS對熱電偶支架進行數值模擬計算，模型1和模型3中施加的位移與在位移施加處產生的反力計算值之間的關系曲線如圖5所示。

同樣的，由圖5可知，通過對比發現，支承面積更大的模型1的極限位移量更大，也就更不易失穩。這也就印證了之前的理論：熱電偶支架的支承面積越大，則其穩定性越高。

1.2 通用性

通用性即普遍適用性。支架桿應可自由伸縮，可將熱電偶固定搭接在任何所需位置。此前的做法大多是先將鋼絲或繩子倒掛在梁或構件上，再將熱電偶綁扎到鋼絲或繩子上，這種固定方式通常會使數據受火焰和熱煙氣的影響而不穩定，或出現部分數據不可用的現象。所以相較于普遍的熱電偶固定方式，熱電偶支架大大提升了熱電偶固定位置的靈活性和準確性，從而為最終溫度測量值的準確性提供了最大保障。

1.3 便攜性

熱電偶支架質量應相對較輕，且應可拆卸以便于搬運。這將有效節省空間的使用并方便運輸，同時為室外火災實體實驗中熱電偶的布置安裝提供更大便利。

1.4 耐火性能

熱電偶支架應選用耐火性能較優的材質。例如304不銹鋼。根據董方等人[2]關于304不銹鋼高溫力學性能的研究表明，其抗拉強度在750 ℃～900 ℃內下降速率較大，溫度1 150 ℃左右時，抗拉強度大約為30 MPa，1 370 ℃左右時，抗拉強度完全喪失。而屈服強度在700 ℃～850 ℃內下降速率較大，1 250 ℃左右，屈服強度下降到小于20 MPa。由于在實際試驗過程中，熱電偶架僅用來固定熱電偶，實際作用力很小，故在實體火災試驗中304不銹鋼材質的熱電偶支架能夠很好的完成任務，盡可能長時間的保證支架不出現變形垮塌，采集到相對完整的數據。

2 熱電偶支架的設計與選取

基于以上四種熱電偶支架的設計要素，一款新型的熱電偶支架被設計出來。此熱電偶支架由支承底座和豎桿構成，其中支承底座包含5個支腿，支架設計圖和實體圖分別見圖6，圖7。

為了設計的合理性以及驗證上述理論的準確性，另外選取了4種不同的支架同新型支架一起進行測試并對比，共5種熱電偶支架及其底座如圖8～圖12所示。

其中，重心高度使用式(1)[3]進行計算。從式(1)中可知，在假定上方桿件的長度和質量保持不變時，下方支座的質量決定著整個支架的重心高度。當支座的質量越大時，則整個支架的重心高度越低。通過測量，桿自重為1.5 kg，桿長為2 m。根據式(1)[3]，可將熱電偶架分為兩部分，即豎桿及底座。五種支架均使用相同長度的豎桿，桿自重為14.7 N(取9.8 N/kg)，桿重心高度約為1 m。

(1)

其中，h為物體重心離地面的高度,mm;T為物體自重，kg;i為物體的編號。

而支架的支承面積是支座的底面積或者多個支座支腳最外端部點相連組成的圖形面積。同時，還可以在支架上方人為施加1個單位力，定性地分析支架是否穩定。基于上述計算方法， 測試結果如表2所示。

表2 五種不同熱電偶支架穩定性測試數據

從表2中可以看出，支架1的重心最高且支承面積最小，插入豎桿后無法直立，穩定性最差。支架2和支架3有各自的缺陷，支架2的重心雖較低但其支承面積依舊偏小，而支架3的支承面積雖較大但其重心高度卻偏大，最終支架2和支架3的穩定性也是比較差的。相較于前面幾種支架，支架4和新型支架的穩定性表現良好，重心都較低且支承面積都相對更大，正常放置豎桿和熱電偶后依舊具有足夠的穩定性，這也同時印證了先前理論的準確性。

此外，與其余4個支架相比，新型熱電偶支架采用的5個支腿 的支承底座也對其良好的穩定性起到了重要的作用。這根本的原因在于3個支腿的支承底座就構成了靜定結構，而5個支腿的支承底座構成了具有強大穩定性的超靜定結構。根據《結構力學(上冊)》[4]可知，超靜定結構是擁有多余約束的幾何不變體系，且其多余約束破壞后仍能維持幾何不變體系。所以，當此新型支架由于破壞失去1個支腿時，其仍能保持良好的穩定性，這也就更加體現了新型支架在穩定性方面的強大優勢。

另外，與支架4相比，新型支架的支架桿更加滿足通用性的要求，可根據熱電偶需搭接位置自由伸縮同時可配合十字連接扣(見圖13)，在豎桿的任意位置固定橫桿，可使熱電偶在平面內任意位置準確地固定放置(見圖14)。

除此以外，新型支架的總體重量更輕且其支架桿可縮短至1 m，底座與豎桿使用螺栓連接，連接更牢固且易于拆卸。在拆卸過程中，使用普通扳手和六角板子就可輕松將熱電偶架分成底座，十字連接扣和支架桿(見圖15)。由此可見，新型支架在便攜性上也更勝一籌。另外，新型支架全身采用的不銹鋼304材質能夠充分滿足耐火性能的要求。

綜上，基于熱電偶支架的四大設計要素并通過對比，選取新型支架為最終的熱電偶支架設計方案。

3 在全尺寸火災實體實驗中的應用

2020年8月23日，在貴州省榕江縣高赧村由中國建筑科學研究院有限公司牽頭的“十三五”國家重點研發計劃項目“村鎮建筑火災災變機理與適宜性防火理論體系”課題全尺寸木屋實體火災實驗順利完成。在此次全尺寸實體火災實驗中，共建造了4個木屋進行實驗，其中使用熱電偶進行溫度數據采集的3個木屋中全部架設了該熱電偶支架，木屋平面布置及現場房間部分熱電偶架布置如圖16～圖19所示。

實驗中，從23 min開始，3號房出現結構破壞并伴隨局部倒塌，隨即4號房和1號房屋相繼結構破壞。而在3個木屋中，使用該熱電偶支架共采集了大約23.5 min的溫度數據。例如，選擇在3號木屋一層點火源處架設了一個支架，在支架上固定了4支熱電偶分別測量沿高度方向距火源上方0.5 m，1.0 m，1.5 m和2.0 m處的溫升變化(見圖18)。實驗后，對實驗溫度數據進行了分析，結果表明熱電偶溫度數據正常可用。由此可見，該熱電偶架在前23.5 min內并沒有受到火焰和熱煙氣的影響，保證了溫度數據的準確平穩采集并為后續的試驗分析打下了良好基礎，在符合穩定性、通用性、便攜性和耐火性能的前提下，在實體火災實驗中得到了成功地應用。

4 結語

1)用于全尺寸火災實驗中的熱電偶支架的設計要素應包括良好的穩定性、通用性、便攜性和耐火性能。

2)熱電偶支架的重心高度越低且支承面積越大，則其穩定性越高。

3)在全尺寸火災實體實驗的實際應用中，使用熱電偶支架得到的溫度數據正常，表明該熱電偶支架未受到前期火焰和熱煙氣的影響，能夠利用其良好的性能保證溫度數據的采集。