通風系數對鋼構件的耐火性能影響研究

朱婉婉

(呼和浩特市消防支隊，內蒙古 呼和浩特　010010)

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通風系數對鋼構件的耐火性能影響研究

朱婉婉

(呼和浩特市消防支隊，內蒙古 呼和浩特010010)

為準確評估鋼構件在室內火災時的耐火性能，以室內火災轟燃后的房間熱平衡和熱傳導理論為基礎，計算了火災荷載為800 MJ·m-2，通風系數分別為0.03、0.05、0.08和0.1 m1/2時的室內平均溫度，以此為火作用，基于傳熱學基本理論，分別編程計算了方矩鋼管柱在防火保護情況下的平均溫度-時間曲線，對比分析了通風系數對鋼構件溫度的影響。結果表明：雖然通風系數較大時火災溫度較高，但由于火災持續時間較短，鋼構件最高溫度較低，較通風系數較小時更偏于安全。

鋼構件；火災荷載；通風系數；傳熱學；耐火性能

0　引言

鋼材的特點是強度高、自重輕、延性抗震性能好、施工周期短，以鋼材作為主要結構構件的鋼結構建筑具有優異的結構性能和經濟優勢，因此，鋼結構建筑在我國得到了快速發展。但是，鋼結構有著耐熱但不耐火的特點[1]，隨著溫度的變化，其強度隨溫度升高而大幅度下降，承載力降低。鋼材在溫度達到500 ℃、700 ℃時，其強度分別下降至3/5、1/5[2]，而一般火場的溫度為800～1 000 ℃，在這樣的高溫情況下，無任何防火保護的鋼結構，很快出現塑性變形而倒塌，因此，鋼結構的防火性能研究成為熱點問題。但是，廣大學者多集中于鋼結構防火保護的研究，忽略了火災本身對構件的影響。本文以室內火災轟燃后的房間熱平衡和熱傳導理論為基礎，計算了著火房間在不同通風系數情況下的平均溫度-時間曲線，以此為火作用，計算方矩鋼管柱的溫度，并對計算結果進行對比分析，研究了通風系數對鋼柱耐火性能的影響，以期為鋼結構建筑的防火設計提供參考。

1　室內火災平均溫度計算

本文所采用民用建筑一般室內火災轟燃后房間的平均溫度，根據中國工程建設標準化協會標準《建筑鋼結構防火技術規范》(CECS 200：2006)附錄B，由下式計算[3]：

(1)

熱釋放速率系數D由下式計算：

(2)

(3)

式中，t為轟燃后火災持續時間，min；t0為房間內所有可燃物燒盡時的火災理論持續時間，min；qT為房間設計火災荷載密度，MJ·m-2。

對流、輻射換熱系數之和α由下式計算：

(4)

煙氣比熱容cg按表1取值。

表1　煙氣比熱容cg

壁面內表面溫度T1的計算，詳見《建筑鋼結構防火技術規范》(CECS 200：2006)附錄B，由于篇幅有限，不再詳細介紹。

根據上述方法，編程計算可得火災荷載q=800 MJ·m-2，通風系數η=0.03、0.05、0.08、0.1 m1/2時一般室內火災轟燃后的平均溫度-時間曲線，如圖1所示。

圖1　一般室內火災平均溫度-時間曲線

由圖1可見，在火災荷載一定時，通風系數越大室內火災溫度越高，但由于燃燒速度快，可燃物較快燃盡，所以室內溫度較早下降。通風系數較小時，雖然火災溫度較低，但火災持續時間較長。

2　鋼柱溫度計算模型

為便于構件的溫度計算，引入以下假定：(1)保護材料外表面的溫度等于室內平均溫度；(2)由外部傳入的熱量全部消耗于提高構件和保護材料的溫度，不計其他熱損失；(3)構件截面和沿軸向溫度均勻分布。

鋼構件在受火過程的傳熱本來是連續非穩態傳熱，現人為地把時間坐標離散化，在微小時間增量Δt內，可認為構件溫度和室內溫度保持不變。在時刻t，構件溫度為Ts(t)，相應的室溫為Tg。

由于保護材料厚度較小，在微小時間增量Δt內，可看作均質平板的穩態傳熱。通過保護材料傳入的熱流強度q可表達為：

(5)

在微小時間增量Δt內，通過保護材料傳入構件單位長度內的總熱量ΔQ為：

(6)

式中，S為構件單位長度上保護材料內表面面積，m2·m-1；d為保護材料厚度，m；λ為保護材料導熱系數，W·m-2·K-1。

在微小時間增量Δt內，室溫上升為ΔT，單位長度構件吸熱為：

(7)

由于按穩態考慮，保護材料內溫度線性分布，在微小時間增量Δt內，保護材料吸熱為：

(8)

由假定條件(2)有：

(9)

代入式(6)(7)(8)整理得：

(10)

由圖1可見，隨時間增大，ΔT很快衰減。為方便且偏于安全，將式(10)中第三項忽略，即得到一般室內火災升溫條件下鋼構件溫度計算方程：

(11)

(12)

式中，Cs為鋼材比熱，J·kg-1·K-1；ρs為鋼材密度，取7 850 kg·m-3；V為構件單位長度體積，m3·m-1；C為保護材料的比熱，J·kg-1·K-1；ρ為保護材料的密度，kg·m-3。

鋼材比熱按下式確定：

Cs=425+0.772×Ts(t)-0.00169×Ts(t)2

(13)

3　鋼柱溫度計算及其結果分析

根據上文關于鋼柱溫度計算的模型，本文通過編程，計算了方矩鋼管柱在防火保護材料包覆下，受到本文第1部分所述室內溫度作用下的構件溫度。鋼柱截面受火作用示意圖如圖2所示。

圖2　鋼構件截面受火作用示意圖

鋼構件截面寬和高均為0.5 m，厚度為0.02 m。保護材料比熱C=1 100 J·kg-1·K-1，保護材料的密度ρ=400 kg·m-3，保護材料導熱系數λ=0.1 W·m-2·K-1，保護材料厚度d=0.025 m。

根據以上參數和上述方法，編程計算室內火災荷載q=800 MJ·m-2，通風系數分別為0.03、0.05、0.08、0.1 m1/2時鋼柱截面溫度。表2為通風系數為0.1 m1/2時計算所得鋼柱截面溫度值，由于篇幅有限，其他通風系數計算結果不再給出。

根據計算結果繪制不同通風系數下鋼柱的截面溫度-時間曲線，如圖3所示。

由圖1和圖3分析可知，雖然通風系數越大，室內火災平均溫度最高值越大，但由于可燃物較快燃盡，火災持續時間較短，所以受防火保護的鋼構件截面溫度在初始階段以較快速度上升，但在較快達到峰值時便開始下降，峰值溫度相比通風系數較小時的構件截面溫度也要低。因此，在本文工況下，通風系數較大時，更有利于鋼構件的耐火性能。

圖3　鋼構件截面溫度-時間曲線

t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃t/minTs(t)/℃130.241963.0837105.0555145.6573184.4391214.68109230.17230.762065.4238107.3556147.8574186.4592215.95110230.53331.542167.7639109.6457150.0575188.4493217.18111230.82432.542270.140111.9358152.2576190.3994218.36112231.05533.742372.4541114.2259154.4477192.395219.49113231.22635.132474.842116.560156.6278194.1796220.58114231.32736.72577.1443118.7761158.87919697221.62115231.36838.452679.4844121.0462160.9780197.7998222.62116231.33940.392781.8245123.363163.1481199.5499223.56117231.231042.522884.1646125.5664165.382201.24100224.45118231.081144.712986.547127.8265167.4583202.91101225.3119230.891246.943088.8348130.0666169.684204.53102226.09120230.691349.23191.1649132.3167171.7585206.11103226.83121230.491451.483293.4950134.5468173.8986207.65104227.52122230.291553.783395.8151136.7869176.0387209.14105228.16123230.081656.093498.135213970178.1588210.59106228.751758.4135100.4453141.2271180.2889212107229.281860.7436102.7554143.4472182.3790213.36108229.75

4　結論

根據本文對不同通風系數情況下室內火災溫度和受防火保護鋼構件截面溫度的計算及其結果分析，可得出如下結論：(1)鋼構件的耐火性能，除受到其自身力學特性和防火保護的性能影響之外，所處環境的通風系數也是一項重要的影響因素，在鋼結構建筑耐火設計時應予以重視。(2)為提高已有鋼結構建筑的耐火性能，可在考慮實際情況下，通過增加通風口面積的方法，達到耐火性能要求。

[1] 張耀春.鋼結構設計原理[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2] 屈立軍.火災荷載、通風系數對鋼筋混凝土軸心受壓柱耐火穩定性的影響[J].消防科學與技術,2001，20(6): 4-6.

[3] 同濟大學，中國鋼結構協會防火與防腐分會.建筑鋼結構防火技術規范:CECS 200:2006[S].北京:中國計劃出版社,2006.

(責任編輯馬龍)

On the Effect of Ventilation Coefficient to the Fire Resistance of a Steel Component

ZHU Wanwan

(HohhotMunicipalFireBrigade,InnerMongoliaAutonomousRegion010010,China)

To accurately evaluate the fire resistance of a steel component in compartment fire, the average temperature of the compartment was calculated, based on the theories of heat balance of compartment post-flashover and heat conduction, in which the fire load density was 800 MJ·m-2and the ventilation coefficient were 0.03, 0.05, 0.08 and 0.1 m1/2. Based on the theories of heat transfer, the average temperature-time curves of the quadrate steel column were calculated by program in the fire load of these temperatures of the compartment. And the effect of ventilation coefficient to the temperature of the column was analyzed. The results show that when the ventilation coefficient is big, the temperature of the compartment fire will be high, but, the time of the fire persisted will be short, and the highest temperature of the steel column will be low. So the steel structure will be safer in the situation.

steel component; fire load; ventilation coefficient; heat transfer; fire resistance

2016-01-05

朱婉婉(1987—)，女，安徽銅陵人，助理工程師。

TU391

A

1008-2077(2016)08-0009-04