賈琳瑜，周 勇，胡 洋，程旭東

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026）

0 引言

鋼管混凝土柱承載力高、塑性和韌性好、抗震性能好、施工方便，由于其優(yōu)越的性能和良好的經(jīng)濟(jì)效益，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中［1］。一旦發(fā)生火災(zāi)，鋼管混凝土柱的熱工和力學(xué)性能在高溫條件下會(huì)發(fā)生劣化，并且在鋼管混凝土柱的表面和內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，引起溫度應(yīng)力［2］，而這些變化都極大地影響了建筑的安全性，甚至可能導(dǎo)致建筑倒塌，造成更為嚴(yán)重的事故后果［3］。2001年，美國(guó)紐約世貿(mào)中心發(fā)生9·11恐怖襲擊，大樓倒塌后鋼構(gòu)件的變形檢測(cè)結(jié)果表明，不均勻的溫度場(chǎng)對(duì)鋼構(gòu)件的性能失效與結(jié)構(gòu)破壞起著重要作用［4］。因此，火災(zāi)環(huán)境下鋼管混凝土柱的溫度場(chǎng)分布的研究對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)清其抗火性能至關(guān)重要［5］。

以往對(duì)鋼管混凝土柱的抗火性能研究均是從其自身特征的角度出發(fā)，僅僅在標(biāo)準(zhǔn)火條件下分析了材料強(qiáng)度、截面含鋼率、橫截面尺寸、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比和荷載偏心率等因素對(duì)其抗火性能的影響［6］，但是缺乏從火災(zāi)發(fā)展角度分析典型火災(zāi)動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)鋼管混凝土柱力學(xué)性能的影響，如火災(zāi)強(qiáng)度、火源類型、火災(zāi)持續(xù)時(shí)間等。此外，以往的研究工作基本只考慮鋼管混凝土柱橫截面二維溫度場(chǎng)的變化［7］，但是在火災(zāi)環(huán)境中，鋼管混凝土柱會(huì)受上層熱煙氣層和下層冷空氣層的作用在軸向產(chǎn)生溫度梯度［8］，而軸向溫度梯度對(duì)鋼管混凝土柱的破壞機(jī)制尚不明確。

因此，本文在開(kāi)敞空間條件下，以正庚烷為燃料［9］，進(jìn)行了不同火災(zāi)場(chǎng)景的燃燒實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同火災(zāi)場(chǎng)景下鋼管混凝土柱表面和內(nèi)部的溫度變化進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了燃料的質(zhì)量變化和鋼管混凝土柱各測(cè)點(diǎn)的溫度變化，為進(jìn)一步的研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

模擬火災(zāi)場(chǎng)景的火源燃料選用正庚烷，采用不同尺寸大小的油盤火來(lái)模擬不同的火災(zāi)場(chǎng)景；火源放置于豎直固定的鋼管混凝土柱正下方，在澆筑混凝土柱之前預(yù)留的測(cè)點(diǎn)位置上布置熱電偶測(cè)量溫度；將油盤放置在覆蓋了隔熱防火板的天平之上，測(cè)量燃料燃燒過(guò)程中的質(zhì)量變化。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig．1 Experimental diagram

如圖1所示，鋼管混凝土柱豎直懸掛在支撐架上，置于集煙罩的正下方，集煙罩開(kāi)口尺寸為3m×3m，上方與排煙管道相連接。

實(shí)驗(yàn)中，定制鋼管的長(zhǎng)度為1500 mm，外直徑為300 mm，壁厚為6 mm，澆筑的混凝土型號(hào)為C20，在其底端設(shè)置端板。油盤放置于豎直固定的鋼管混凝土柱的正下方，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)調(diào)整油盤高度使正庚烷液面與鋼管混凝土柱的距離保持在100mm。在天平上面覆蓋隔熱防火板，盡可能減小火災(zāi)高溫環(huán)境對(duì)天平精度的影響。

在鋼管混凝土柱距離底端250 mm、500 mm、750mm三個(gè)高度的橫截面上均勻布置熱電偶，在橫截面內(nèi)距離鋼管表面30 mm、60 mm、90 mm、120mm、150mm 處布置熱電偶，圖2（a）為 高 度500mm處橫截面內(nèi)的熱電偶示意圖，記為h21～h25，三個(gè)橫截面的熱電偶布置相同，250mm、750mm處橫截面內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置則記為h11～h15、h31～h35。為盡量減小埋設(shè)熱電偶的孔洞對(duì)溫度的影響，橫截面內(nèi)不同深度的熱電偶交叉分布。如圖2（b）所示，在鋼管混凝土柱表面和內(nèi)部深度60mm 位置處縱向均勻設(shè)置5個(gè)熱電偶，分別為b1～b5、n1～n5。

圖2 熱電偶布置圖Fig．2 The plan of thermocouple

在實(shí)驗(yàn)中，采用基于質(zhì)量損失速率的熱釋放速率測(cè)量方法［10，11］，油盤放置在覆蓋了隔熱防火板的天平之上，可以測(cè)得燃料質(zhì)量隨時(shí)間的變化關(guān)系，求導(dǎo)可得到燃料的瞬時(shí)質(zhì)量損失速率，火源的熱釋放速率為正庚烷的熱值與燃料瞬時(shí)質(zhì)量損失速率之積，正庚烷的熱值為4．443×104kJ／kg。

實(shí)驗(yàn)中采用不同油盤尺寸的油池火來(lái)模擬火災(zāi)環(huán)境，以正庚烷為燃料，燃料質(zhì)量均為10kg，采用40cm×40cm、50cm×50cm、60cm×60cm、70cm×70cm、80cm×80cm 的油盤，實(shí)驗(yàn)工況分別記為HS1～HS5，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental condition

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以正庚烷為燃料的油池火的燃燒，實(shí)際上是液面上正庚烷蒸氣的燃燒，火焰對(duì)正庚烷的熱反饋引起液體蒸發(fā)而導(dǎo)致正庚烷液面下降［12］，而液面下降速度決定了正庚烷的質(zhì)量損失速率，燃燒過(guò)程中質(zhì)量損失速率保持相對(duì)穩(wěn)定，而油盤尺寸越大，正庚烷的質(zhì)量損失速率越大，火焰溫度越高，熱釋放速率也越大，燃燒更加猛烈，燃燒時(shí)間變短。

實(shí)驗(yàn)工況HS3，即油盤尺寸60cm×60cm、正庚烷質(zhì)量10kg 的實(shí)驗(yàn)條件下，火焰溫度范圍為253℃～821℃，最高溫度為821℃，火焰高度約為2．0m，燃燒時(shí)間為1516s，質(zhì)量損失速率為6．98×10－3kg／s，熱釋放速率為310kW，圖3為實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖片。

圖3 實(shí)驗(yàn)HS3Fig．3 Experimental diagram of HS3

2．1 鋼管混凝土柱橫截面溫度分布

圖4為實(shí)驗(yàn)工況HS3，即油盤尺寸60cm×60cm、正庚烷質(zhì)量10kg的實(shí)驗(yàn)條件下，鋼管混凝土柱500mm高度處的橫截面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化圖，其中溫度測(cè)點(diǎn)的位置參見(jiàn)圖2。

從圖4中可以看出，鋼管混凝土柱橫截面內(nèi)越靠近中心位置，溫度的滯后時(shí)間越長(zhǎng)，最高溫度越低，達(dá)到最高溫度的時(shí)間越長(zhǎng)?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)很小且吸熱能力較強(qiáng)，在燃燒開(kāi)始階段，核心混凝土接受的熱量較少，溫度變化很小，可忽略不計(jì)，因此認(rèn)為其溫度具有一定的滯后性，越靠近橫截面的中心位置，滯后時(shí)間越長(zhǎng)。在火源燃燒階段，橫截面內(nèi)的熱量是從鋼管表面?zhèn)鬟f到中心位置，因此靠近鋼管表面的位置處溫度上升速率較高，約是橫截面中心位置溫升速率的3 倍?；鹪慈紵Y(jié)束后，溫升速率逐漸降低，達(dá)到各測(cè)點(diǎn)的最高溫度后，溫度開(kāi)始逐漸下降?？拷摴艿臏y(cè)點(diǎn)最先達(dá)到最高溫度，由于鋼管混凝土柱不斷向外界環(huán)境中散熱，因此之后測(cè)點(diǎn)的最高溫度越來(lái)越低，橫截面中心在8121s，即兩個(gè)多小時(shí)之后達(dá)到最高溫度，最高溫度為71℃。

圖4 鋼管混凝土柱500mm 高度處橫截面溫度分布Fig．4 Temperature distribution in the cross－section at height of 500mm

圖5 鋼管混凝土柱500mm 高度處橫截面溫度梯度圖Fig．5 Temperature gradient map in the cross－section at height of 500mm

圖5 給出了溫度上升階段不同時(shí)刻，500 mm高度處橫截面各測(cè)點(diǎn)的溫度分布圖，圖中測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)是以鋼管表面為參考起點(diǎn)。從圖5中可以明顯看出，靠近鋼管的混凝土溫度上升速率較大，X＝300mm處的測(cè)點(diǎn)h21在400s～800s這個(gè)時(shí)間段內(nèi)溫度上升46℃，溫升速率為0．115℃／s，X＝1500mm 處的測(cè)點(diǎn)h25在1200s～2000s這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的溫升速率最大，溫升速率為0．038℃／s。X＝300mm 處的測(cè)點(diǎn)h21在t＝1600s時(shí)刻和t＝2000s時(shí)刻的溫度基本不變，是因?yàn)樯仙阶罡邷囟取?/p>

2．2 鋼管混凝土柱縱向溫度分布

實(shí)驗(yàn)工況HS3，即油盤尺寸60cm×60cm、正庚烷質(zhì)量10kg 的實(shí)驗(yàn)條件下，火源燃燒時(shí)間為25min，火源熱釋放速率為310kW。圖6和圖7分別為實(shí)驗(yàn)工況HS3下鋼管混凝土柱表面、內(nèi)部深度60mm 處縱向不同高度測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化，溫度測(cè)點(diǎn)的位置參見(jiàn)圖2。其中，圖6 所示為火源燃燒階段，鋼管混凝土柱表面的溫度變化，圖7所示為鋼管混凝土柱內(nèi)部深度60mm 處縱向各測(cè)點(diǎn)在火源燃燒中與燃燒后的全過(guò)程溫度變化。

從圖6中可以看出，鋼管混凝土柱表面溫度受火源影響較大，較低高度處的溫度明顯較高，這是鋼管表面和火源及熱煙氣的熱輻射、對(duì)流換熱以及鋼管混凝土柱內(nèi)部的熱傳導(dǎo)綜合作用的結(jié)果。在火源燃燒開(kāi)始階段，鋼管表面溫度迅速上升，不同高度處溫度上升速率不同，高度越低，越靠近火源，溫度上升速率越大，測(cè)點(diǎn)b1（250 mm 高度處）的溫升速率是測(cè)點(diǎn)b5（1250mm 高度處）的3倍，鋼管混凝土柱表面溫度在縱向存在著明顯的溫度梯度。不同高度處的溫度上升時(shí)間相等 鋼管表面溫度迅速上升到一定的溫度之后，溫度緩慢升高直至達(dá)到燃燒巔峰階段，測(cè)點(diǎn)b1（250mm 高度處）的最高溫度能夠達(dá)到650℃。在燃燒衰減階段，鋼管表面的溫度也隨之迅速下降。

圖6 鋼管混凝土柱表面縱向溫度Fig．6 Longituclinal external temperature distribution

圖7 鋼管混凝土柱內(nèi)部深度60mm 處縱向溫度Fig．7 Longitudinal temperature distribution at 60mm away from outside

從圖7 中可以看出，鋼管混凝土柱內(nèi)部深度60mm處的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼管表面的溫度，這是因?yàn)榛炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)，并且混凝土的吸熱能力還比較強(qiáng)。測(cè)點(diǎn)溫度有一定的滯后性，火源燃燒一段時(shí)間后測(cè)點(diǎn)溫度才開(kāi)始升高，不同高度處的溫度上升速率不同，高度越低，越靠近火源，溫度上升速率越大。由于各測(cè)點(diǎn)的位置和鋼管表面的水平距離相等，溫度上升時(shí)間相等，均在t＝2800s時(shí)達(dá)到最高溫度。高度越低，越靠近火源，最高溫度也越大，測(cè)點(diǎn)n1（250 mm 高度處 的最高溫度為 測(cè)點(diǎn)5 高度處的最高溫度為47℃，溫度差為32℃。在溫度下降階段，熱量的傳遞主要方式為向外散熱和核心混凝土內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，核心混凝土內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)的溫度差越來(lái)越小，而向外散熱的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)的速率，因此降溫速率基本一致，且降溫時(shí)間均較長(zhǎng)。

2．3 火源對(duì)鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)的影響

由于布置的溫度測(cè)點(diǎn)比較多，分別在鋼管表面和核心混凝土中選取2個(gè)典型的溫度測(cè)點(diǎn)b1（鋼管混凝土柱表面250mm 高度處）、h21（鋼管混凝土柱500mm 高度處的橫截面內(nèi)X＝300mm 處）進(jìn)行分析。圖8和圖9分別為測(cè)點(diǎn)b1、h21在不同火災(zāi)場(chǎng)景下的溫度變化。從圖8中可以看出，鋼管混凝土柱表面的溫度受火源影響較大，這是因?yàn)殇摴艿膶?dǎo)熱系數(shù)較大。火源熱釋放速率越大，鋼管混凝土柱表面的溫度越高，溫度上升階段的溫升速率越大。火源燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，鋼管混凝土柱表面高溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，燃燒進(jìn)入衰減階段后，溫度開(kāi)始下降，燃燒結(jié)束后，溫度迅速下降。從實(shí)驗(yàn)工況HS1到HS5，火源的熱釋放速率不斷增大，從130 kW 增大到900kW，測(cè)點(diǎn)b1的溫升速率也隨之不斷增大，分別為26．25℃／s、39．43℃／s、43．23℃／s、48．60℃／s、52．76℃／s，測(cè)點(diǎn)b1的最高溫度也隨之升高，分別為488℃、620℃、628℃、649℃、698℃，而隨著火源燃燒時(shí)間變短，測(cè)點(diǎn)b1的高溫持續(xù)時(shí)間也變短。

圖8 測(cè)點(diǎn)b1在不同火災(zāi)場(chǎng)景下的溫度變化Fig．8 Temperature distribution of measuring point b1 under different experimental conditions

鋼管混凝土柱中核心混凝土的溫度具有一定的滯后性 且在火源燃燒結(jié)束后仍然繼續(xù)升高 其溫度變化是熱釋放速率與燃燒時(shí)間共同作用的結(jié)果，如圖9所示，隨著熱釋放速率的增加，測(cè)點(diǎn)h21的升溫滯后時(shí)間變短。隨著燃燒時(shí)間的不斷變短，測(cè)點(diǎn)h21的升溫時(shí)間變短，設(shè)定一個(gè)參數(shù)a＝升溫時(shí)間／燃燒時(shí)間，表示測(cè)點(diǎn)h21的升溫時(shí)間與燃燒時(shí)間的相關(guān)性，參數(shù)a越大，相關(guān)性越小。參數(shù)a的大小與熱釋放速率有關(guān)，如實(shí)驗(yàn)工況HS1 的參數(shù)a＝1．21，實(shí)驗(yàn)工況HS5的參數(shù)a＝2．06，熱釋放速率越大，參數(shù)a越大，即測(cè)點(diǎn)h21的升溫時(shí)間與燃燒時(shí)間的相關(guān)性越小。

圖9 測(cè)點(diǎn)h21在不同火災(zāi)場(chǎng)景下的溫度變化Fig．9 Temperature distribution of measuring point h21 under different experimental conditions

由于核心混凝土的吸熱能力比較強(qiáng)，在測(cè)點(diǎn)h21溫度上升階段的溫升速率隨熱釋放速率的增加而增大，但是增大幅度很小，可忽略不計(jì)，其溫升速率均為0．081℃／s左右。測(cè)點(diǎn)h21的最高溫度在實(shí)驗(yàn)工況HS1條件下最高，達(dá)到150℃左右，鋼管混凝土柱核心混凝土溫度的分布主要受火場(chǎng)持續(xù)時(shí)間的影響。

圖10 為不同火災(zāi)場(chǎng)景下，鋼管混凝土柱500mm高度處的橫截面內(nèi)最靠近鋼管的測(cè)點(diǎn)h21（X＝300mm）與橫截面中心測(cè)點(diǎn)h25（X＝1500mm）的溫差變化圖。熱釋放速率越大，溫差曲線上升階段的溫升速率越大，但是變化幅度不大；燃燒時(shí)間越短，溫差的最大值越小，溫差達(dá)到最大值所需的時(shí)間越短。在橫截面內(nèi)，X越大，熱釋放速率對(duì)核心混凝土柱的影響越小，因此溫差曲線的溫升速率、最高溫度等參數(shù)特征與測(cè)點(diǎn)h21的基本一致。實(shí)驗(yàn)工況HS1，在t＝3000s時(shí)溫差達(dá)到最大值110℃，其余工況下的最大溫差分別為75℃、55℃、40℃、21℃，溫升時(shí)間也隨著燃燒時(shí)間而變短，分別為1750s、1200s、800s、500s。并且，從曲線可以看出內(nèi)部混凝土的最大溫差主要受火災(zāi)持續(xù)時(shí)間影響。

圖10 不同火災(zāi)場(chǎng)景下橫截面內(nèi)混凝土區(qū)域溫差變化Fig．10 Temperature difference of cross－section in concrete area under different experimental conditions

3 結(jié)論

本文在敞開(kāi)空間條件下開(kāi)展了油池火作用下鋼管混凝土柱溫度場(chǎng)分布的研究工作，測(cè)量了其縱向及橫截面的溫度分布，分析了火源參數(shù)對(duì)其溫度變化的影響，得到以下結(jié)論：

（1）鋼管混凝土柱內(nèi)部混凝土橫截面的溫度存在溫度梯度，越靠近中心位置，溫度的滯后時(shí)間越長(zhǎng)，最高溫度越低，溫升速率越小，達(dá)到最高溫度的時(shí)間越長(zhǎng)，內(nèi)部核心的最終溫度達(dá)到71℃。

（2）鋼管混凝土柱表面250 mm 高度位置的溫升速率是1250mm 高度位置的3倍左右，最大溫差約為250℃，而內(nèi)部混凝土區(qū)域的縱向最大溫差僅為30℃左右。

（3）鋼管混凝土柱表面溫度受火場(chǎng)的熱釋放速率影響較大，而內(nèi)部混凝土溫度分布及溫度差異則主要受火場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間影響，最大溫差在3000s時(shí)達(dá)到了110℃。

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