杜二峰，舒贛平，呂 曉

（1. 東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京211189；2. 山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101）

大空間鋼結(jié)構(gòu)建筑通常占地面積大、高度高，通風(fēng)條件好，該類(lèi)建筑的火災(zāi)類(lèi)型一般為燃料控制型火災(zāi).當(dāng)火災(zāi)荷載不是特別大或者設(shè)置有防火隔離帶等措施時(shí)，燃料燃燒面僅限于局部區(qū)域，建筑內(nèi)部為不均勻溫度場(chǎng).處在不同位置的鋼構(gòu)件接受到的熱量是有差別的，這和一般室內(nèi)火災(zāi)中假定室內(nèi)是均勻溫度場(chǎng)的情形有顯著不同.因此有必要對(duì)大空間鋼結(jié)構(gòu)建筑中的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律和結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征進(jìn)行研究.

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大空間鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的研究主要集中在理論分析方面[1-8]，而關(guān)于試驗(yàn)研究的成果還比較少.同時(shí)由于大空間結(jié)構(gòu)造型各異，且大多形式復(fù)雜，因此已有的試驗(yàn)研究主要集中在相對(duì)簡(jiǎn)單的門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)上.Wong[9]基于英國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)建造一個(gè)1 ∶5 縮尺整體門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，并對(duì)其在局部火源作用下的力學(xué)反應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，然而該研究主要針對(duì)一榀剛架的鋼梁全部被火焰包括的情形，是標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)在實(shí)際場(chǎng)景的再現(xiàn)，未涉及模型內(nèi)部整個(gè)空間的不均勻溫度場(chǎng).Pyl 等[10]報(bào)道了一個(gè)長(zhǎng)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(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的抗火試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)是針對(duì)室內(nèi)均布火荷載的工況.

綜上可知，目前已有的試驗(yàn)研究較少關(guān)注大空間建筑內(nèi)部溫度場(chǎng)分布規(guī)律和鋼構(gòu)件的溫度發(fā)展規(guī)律.因此，本文擬開(kāi)展門(mén)式剛架廠(chǎng)房火災(zāi)試驗(yàn)對(duì)火災(zāi)熱煙氣的發(fā)展規(guī)律、模型內(nèi)部空間以及鋼構(gòu)件的溫度分布發(fā)展情況進(jìn)行研究.同時(shí)，采用《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(GB51249-2017)[11]給出的鋼構(gòu)件溫升計(jì)算公式對(duì)試驗(yàn)中構(gòu)件升降溫進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，以驗(yàn)證規(guī)范計(jì)算方法在實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景中的適用性.

考慮到足尺實(shí)體門(mén)式廠(chǎng)房火災(zāi)試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力與物力，火災(zāi)發(fā)展過(guò)程難以控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集難度以及試驗(yàn)危險(xiǎn)性較大，因此本文擬開(kāi)展縮尺的中功率火災(zāi)試驗(yàn).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型結(jié)構(gòu)之間滿(mǎn)足一定的相似準(zhǔn)則時(shí)，縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑囼?yàn)結(jié)果才能夠直接推算到原型結(jié)構(gòu)上去.對(duì)于火災(zāi)縮尺模型試驗(yàn)而言，縮尺模型與原型須滿(mǎn)足時(shí)間相似、幾何相似、溫度相似和火源強(qiáng)度相似等.設(shè)計(jì)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪紫纫_定幾何縮尺比例，比例過(guò)大會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)成本較高，過(guò)小則試驗(yàn)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(jīng)過(guò)對(duì)比分析，本試驗(yàn)的幾何縮尺比定為1 ∶4. 擬研究的原模型尺寸為： 長(zhǎng)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(mǎn)足大空間建筑火災(zāi)的要求.相應(yīng)縮尺模型的尺寸為：長(zhǎng)12.5 m，寬6 m，檐口高度為2.25 m，屋脊高度為2.55 m.

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼w外貌如圖1 所示，其屋面結(jié)構(gòu)布置如圖2 所示. 在兩端山墻居中各設(shè)置一個(gè)寬1.2 m，高2.03 m 門(mén)洞，在兩側(cè)墻設(shè)有玻璃窗.模型主體結(jié)構(gòu)由6 榀門(mén)式剛架組成，榀間距為2.5 m.剛架梁、柱均采用8 號(hào)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(jié)點(diǎn)處設(shè)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.

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿睩ig.1 The test building

圖2 屋面結(jié)構(gòu)布置平面圖（mm）Fig.2 Layout of the roof structure（mm）

在模型兩端設(shè)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(zhì)均為Q235B.

1.2 試驗(yàn)火源

文獻(xiàn)[13]給出的相應(yīng)于中功率火災(zāi)的最大熱釋放速率為5MW，NFPA92[14]給出火源功率縮尺準(zhǔn)則如下式所示：

式中：Qm和Qf分別為模型和原型的火源功率；Lm和Lf分別為模型和原型的特征長(zhǎng)度，Lm/Lf=1/4.

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）可得縮尺后火源功率為156.25 kW.

由于柴油油池火穩(wěn)定燃燒時(shí)能夠產(chǎn)生較為穩(wěn)定的燃燒速率，而且比較符合大空間火災(zāi)的特點(diǎn)，因此將試驗(yàn)火源設(shè)計(jì)為柴油油池火. 油池選取邊長(zhǎng)為0.5 m 的正方形油盤(pán)，其穩(wěn)定燃燒階段的功率為154.4 kW[15]，基本和縮尺后中功率火災(zāi)的火源功率相當(dāng).油盤(pán)深0.06 m，內(nèi)裝2.8 L 柴油作為燃料，同時(shí)添加200 mL 的汽油助燃，放置在第3 軸線(xiàn)地面中央.

1.3 溫度測(cè)量方案

采用K 型熱電偶對(duì)模型內(nèi)部熱空氣溫度和鋼梁、鋼柱溫度進(jìn)行測(cè)量.數(shù)據(jù)由日本東京測(cè)器有限公司生產(chǎn)的TDS303 數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集.

為了能較充分地捕捉重點(diǎn)部位的溫度數(shù)據(jù)，又不至于熱電偶布置太多，對(duì)熱電偶采取非均勻布置方案.其中火源正上方的第3 軸線(xiàn)門(mén)式剛架及熱空氣熱電偶布置最多，如圖3 所示.構(gòu)件和熱空氣熱電偶的編號(hào)分別以S 和G 開(kāi)頭. 編號(hào)中的第一個(gè)數(shù)字為該熱電偶所在的軸線(xiàn)號(hào)，其余數(shù)字為該熱電偶的序號(hào)，本文其它的熱電偶編號(hào)均遵循該原則.左側(cè)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(guān)測(cè)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.

圖3 3 軸線(xiàn)熱電偶布置圖（mm）Fig.3 Positions of thermocouples at axis 3（mm）

其它軸線(xiàn)門(mén)式剛架僅在梁柱節(jié)點(diǎn)、屋脊處以及C 軸線(xiàn)一側(cè)1 和2 軸線(xiàn)鋼柱柱中布置熱空氣熱電偶.A 軸線(xiàn)一側(cè)各榀梁柱節(jié)點(diǎn)處的熱空氣熱電偶的編號(hào)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(hào)分別為G12、G22、G42、G52 和G62；C 軸線(xiàn)一側(cè)各榀梁柱節(jié)點(diǎn)處的熱空氣熱電偶的編號(hào)分別為G13、G23、G43、G53 和G63，1 和2 軸線(xiàn)鋼柱柱中熱空氣熱電偶的編號(hào)分別為G14 和G24.

2 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

在點(diǎn)火10 s 后火苗基本上布滿(mǎn)整個(gè)油盤(pán)，如圖4（a）所示.20 s 時(shí)，火苗高度接近0.625 m，火苗上方形成明顯的煙柱.46 s 時(shí)，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(shí)，火苗高度達(dá)到1.25 m，此時(shí)煙氣層已下降至距地面約1.5 m處.162 s 時(shí)，火苗高度達(dá)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(dòng)，即火源燃燒產(chǎn)生的熱煙氣和通過(guò)門(mén)洞散失的熱煙氣達(dá)到了基本平衡.294 s 時(shí)，火苗高度達(dá)到1.5 m，如圖4（c）所示.514 s時(shí)，火苗高度約為1.375 m，之后火勢(shì)有所減弱.616 s時(shí)，火勢(shì)明顯減弱，此刻火苗高度約為1 m，如圖4（d）所示.646 s 時(shí)，火苗高度降到0.75 m 左右，684 s 時(shí)，火苗高度降到0.375 m 左右，754 s 時(shí)，僅油盤(pán)角部有少許火苗，如圖4（e）所示.836 s 時(shí)，火苗基本熄滅.

圖4 火源發(fā)展圖Fig.4 The fire development process

3 溫度分布及分析

3.1 熱空氣溫度

試驗(yàn)中各榀剛架屋脊處的熱空氣溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5 所示.由圖可見(jiàn)火源正上方的第3 軸線(xiàn)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(qū)域.離開(kāi)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5 屋脊熱空氣溫度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.5 Temperature curves for the gas near the apex

圖6 和圖7 分別給出了各榀剛架A 軸線(xiàn)和C 軸線(xiàn)側(cè)檐口處熱空氣溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn). 由圖6可見(jiàn)熱電偶G33 的溫度峰值最大，熱電偶G41 的溫度曲線(xiàn)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(mén)洞較近，熱量損失較多.其他兩個(gè)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(shí)間曲線(xiàn)基本一致，而G13 和G63 的溫度峰值明顯減小.

圖6 A 軸線(xiàn)檐口熱空氣溫度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.6 Temperature curves for the gas near the eave in grid A

圖7 C 軸線(xiàn)檐口熱空氣溫度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.7 Temperature curves for the gas near the eave in grid C

火源正上方第3 軸線(xiàn)鋼梁下方布置的熱空氣熱電偶測(cè)得的溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖8 所示.由圖可見(jiàn)離開(kāi)火源正上方之后，熱空氣溫度顯著減小.兩側(cè)溫度基本成對(duì)稱(chēng)分布.

圖8 3 軸線(xiàn)鋼梁處熱空氣溫度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.8 Temperature curves for the gas near the beam in grid 3

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(cè)點(diǎn)的溫度比較接近，相差在30 ℃以?xún)?nèi).其原因是火源燃燒產(chǎn)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(kuò)散，火源正上方的區(qū)域成為熱煙氣擴(kuò)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(duì)較低.因此，熱煙氣層可以分為火源正上方的高溫區(qū)及以外的次高溫區(qū).

圖9 給出了第3 軸線(xiàn)鋼柱側(cè)熱空氣熱電偶溫度隨時(shí)間的變化情況.由圖可見(jiàn)兩側(cè)熱空氣溫度分布基本對(duì)稱(chēng).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?yàn)橹幸韵绿幵跓釤煔鈱又?因此局部火災(zāi)下建筑內(nèi)部空間明顯可分為熱煙氣層區(qū)和以下區(qū)域.

圖9 3 軸線(xiàn)鋼柱側(cè)熱空氣溫度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.9 Temperature curves for the gas around the column in grid 3

C 軸線(xiàn)側(cè)第1、2 和3 軸線(xiàn)鋼柱柱中的熱空氣熱電偶測(cè)得的溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖10 所示.由圖可見(jiàn)三者的溫度相差不大，因此熱煙氣層以下的區(qū)域可視為一個(gè)均勻的溫度場(chǎng).

圖10 C 軸線(xiàn)鋼柱中部熱空氣溫度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.10 Temperature curves for the gas around the middle part of the column in grid C

由于各區(qū)域內(nèi)的溫度相差不大，因此熱煙氣層高溫區(qū)、次高溫區(qū)，以及熱煙氣層以下的區(qū)域的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)可分別用各區(qū)域熱空氣的平均溫度-時(shí)間曲線(xiàn)代表，如圖11 中A、B 和C 三條曲線(xiàn)所示.

圖11 各區(qū)域熱空氣溫度-時(shí)間代表曲線(xiàn)Fig.11 Representative gas temperature curves for the different zones

3.2 鋼構(gòu)件溫度

圖12 和圖13 分別給出了第3 軸線(xiàn)屋脊處b 截面和左側(cè)檐口處a 截面上翼緣、腹板中心和下翼緣的溫度-時(shí)間曲線(xiàn).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(dǎo)熱性較好，且整個(gè)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(yuǎn)高于熱空氣溫度.

圖12 3 軸線(xiàn)屋脊處鋼梁溫度曲線(xiàn)Fig.12 Temperature curves for the apex in grid 3

圖13 3 軸線(xiàn)左側(cè)檐口處鋼梁溫度曲線(xiàn)Fig.13 Temperature curves for the left apex in grid 3

第3 軸線(xiàn)鋼梁和鋼柱腹板中心處熱電偶測(cè)得的溫度隨時(shí)間的變化情況如圖14 和圖15 所示.其溫度發(fā)展分布規(guī)律和前文相應(yīng)位置的熱空氣相似，不再贅述.

圖14 3 軸線(xiàn)鋼梁溫度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.14 Temperature curves for the beam in grid 3

圖15 鋼柱溫度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.15 Temperature curves for the column

4 構(gòu)件溫度計(jì)算對(duì)比

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）給出的構(gòu)件升溫計(jì)算方法如下式：

式中：Ts和Tg分別為鋼構(gòu)件和熱空氣的溫度（℃）；α 為綜合熱傳遞系數(shù)[W/（m2·℃）]；cs為鋼材的比熱（J/（kg·℃））；ρs為鋼材的密度，取ρa(bǔ)= 7 850kg/m3；F/V 為無(wú)防火保護(hù)鋼構(gòu)件的截面形狀系數(shù)（m-1）；Δt 為時(shí)間步長(zhǎng)，不宜超過(guò)5 s.

綜合熱傳遞系數(shù)α 計(jì)算公式如下：

式中：αc為對(duì)流傳熱系數(shù)，取25 W/（m2·℃）；αr為輻射傳熱系數(shù)[W/（m2·℃）]，其計(jì)算公式如下：

式中：εr為綜合輻射率，本文取0.7；σ 為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，取5.67×10-8W/（m2·℃4）.

采用上述公式計(jì)算的構(gòu)件升降溫曲線(xiàn)及其與實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況如圖16 所示.圖中，由規(guī)范公式計(jì)算的曲線(xiàn)標(biāo)以字母“C”.

由圖可見(jiàn)，對(duì)于測(cè)點(diǎn)S31 和S311，在升溫段的前期，規(guī)范公式計(jì)算的結(jié)果和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合較好，在升溫段的后期，計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏小.在計(jì)算溫度峰值點(diǎn)處，對(duì)于上述兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算值較試驗(yàn)值分別小1.67 ℃和1.54 ℃. 相對(duì)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(xiàn)象的原因是這兩點(diǎn)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(chǎng)計(jì)算需要額外考慮火焰的直接輻射作用.對(duì)于處在熱煙氣層次高溫區(qū)域的測(cè)點(diǎn)S33、S35、S39 和S310，除S35 外，在升溫段，計(jì)算結(jié)果均較試驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯偏大.對(duì)于處在熱煙氣層高溫區(qū)域的測(cè)點(diǎn)S37，在390 s 之前，規(guī)范公式計(jì)算的結(jié)果和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合較好.此后直至665 s（升降溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)），計(jì)算值比試驗(yàn)值的增幅顯著偏大.對(duì)所有測(cè)點(diǎn)，公式計(jì)算的降溫的速度都比試驗(yàn)結(jié)果偏快.造成計(jì)算偏差的主要原因是規(guī)范公式是基于標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)的升溫階段，相關(guān)參數(shù)的取值不完全適用于實(shí)際火災(zāi).因此，對(duì)于實(shí)際火災(zāi)中鋼構(gòu)件的升降溫計(jì)算方法，需要進(jìn)一步研究探索，目前相關(guān)工作正在進(jìn)行之中.

圖16 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比曲線(xiàn)Fig.16 Comparison of experimental and calculation curves

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)建造了一個(gè)1 ∶4 縮尺門(mén)式剛架廠(chǎng)房模型，并在其內(nèi)開(kāi)展了小規(guī)?；馂?zāi)試驗(yàn)研究，同時(shí)，利用我國(guó)規(guī)范給出的鋼構(gòu)件升溫計(jì)算公式對(duì)試驗(yàn)中構(gòu)件升降溫進(jìn)行計(jì)算對(duì)比.得出以下結(jié)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(cè)溫度分布基本對(duì)稱(chēng).局部火災(zāi)下建筑內(nèi)部空間明顯可分為熱煙氣層高溫區(qū)、次高溫區(qū)和熱煙氣層以下區(qū)域.

2）升降溫全過(guò)程鋼構(gòu)件的溫度變化相對(duì)于熱空氣表現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象.鋼構(gòu)件的溫度沿截面方向分布較均勻.

3）《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）給出的鋼構(gòu)件溫升計(jì)算公式不完全適用于實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景，對(duì)于處在熱煙氣層以下的鋼構(gòu)件，其溫度場(chǎng)計(jì)算需要額外考慮火焰的直接輻射作用.