張 唯 劉 慶 孟天暢 王 禮 南衛(wèi)涵

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

火災(zāi)一直以來(lái)都是人類的噩夢(mèng)，因?yàn)榛馂?zāi)一旦發(fā)生，可能會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，甚至造成難以估量的損失。為此，專家們?cè)诓粩嗵骄咳绾螐母旧辖档突馂?zāi)的發(fā)生幾率或者最大程度地降低火災(zāi)所造成的損失。而在眾多的研究方法中，全尺寸實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)是比較受大家推崇的，因?yàn)樗軌蜃畲蟪潭鹊剡€原火災(zāi)發(fā)生時(shí)的真實(shí)場(chǎng)景，同時(shí)又對(duì)實(shí)體火災(zāi)災(zāi)變機(jī)理和火災(zāi)發(fā)展蔓延規(guī)律的研究起到了極其重要的作用。

然而，火災(zāi)發(fā)展蔓延規(guī)律的研究離不開對(duì)于溫度場(chǎng)的研究。實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)溫度場(chǎng)的研究就是了解空氣的溫度隨時(shí)間的變化情況和不同構(gòu)件表面溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而可以掌握整個(gè)建筑在各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的溫度變化以及火災(zāi)蔓延傳播規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溫度數(shù)據(jù)的采集成為了十分重要的一環(huán)。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(shí)際實(shí)驗(yàn)中，可能需要測(cè)量同一立面上不同高度處的溫度值。此時(shí)，“熱電偶束”應(yīng)運(yùn)而生。

在測(cè)量過(guò)程中，熱電偶的良好固定是溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。熱電偶支架是熱電偶固定的首選。而在目前的實(shí)驗(yàn)研究中，熱電偶支架的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用的相關(guān)研究還并未涉及。所以，本文將詳細(xì)說(shuō)明熱電偶支架的設(shè)計(jì)要素，并將結(jié)合一個(gè)全尺寸實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

1 熱電偶支架設(shè)計(jì)要素

在熱電偶支架設(shè)計(jì)的過(guò)程中，有多種因素需要被考慮，如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、通用性、便攜性和耐火性能等。

1.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

具有良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的熱電偶支架不僅能夠使測(cè)量數(shù)據(jù)更加精確，還能夠在整個(gè)火災(zāi)發(fā)展歷程中使后期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析更加豐富和全面。倘若在火災(zāi)初期就由于熱電偶支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差而使支架傾倒，這將極大的影響到溫度數(shù)據(jù)采集的完整性和整個(gè)實(shí)驗(yàn)的價(jià)值。

1)熱電偶支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的理論分析。

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般與其重心高度和支承面積密切相關(guān)，熱電偶支架也不例外。在實(shí)際設(shè)計(jì)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(wěn)定性。圖1展示了兩個(gè)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(tài)。從二力平衡條件[1]可知，當(dāng)支架受到的重力延長(zhǎng)線恰好穿過(guò)支架的支點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)正好處于平衡狀態(tài)。支架在處于平衡狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)傾角α，當(dāng)傾角小于α?xí)r，支架會(huì)回到水平狀態(tài)，但當(dāng)傾角大于α?xí)r，支架會(huì)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(dǎo)致支架b在平衡狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的傾角α2明顯大于支架a在平衡狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的傾角α1，這就意味著支架b從初始狀態(tài)到傾斜的平衡狀態(tài)有著更大的空間范圍，說(shuō)明與支架a相比，支架b更不易傾倒且有著更強(qiáng)的穩(wěn)定性。因此，這就說(shuō)明熱電偶支架的重心高度越低，則其穩(wěn)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(wěn)定性的重要因素。圖2展示了兩個(gè)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(tài)。 其中支架c的支承面積大于支架a，導(dǎo)致支架c在平衡狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的傾角α3明顯大于支架a在平衡狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的傾角α1，這就意味著支架c從初始狀態(tài)到傾斜的平衡狀態(tài)有著更大的空間范圍，說(shuō)明與支架a相比，支架c更不易傾倒且有著更強(qiáng)的穩(wěn)定性。進(jìn)而說(shuō)明，熱電偶支架的支承面積越大，則其穩(wěn)定性越高。

由此可見(jiàn)，從穩(wěn)定性的角度而言，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)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(shù)值模擬的熱電偶支架穩(wěn)定性理論驗(yàn)證。

利用ABAQUS軟件對(duì)熱電偶支架進(jìn)行處于靜力狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析。建模時(shí)，對(duì)熱電偶支架進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將由圓柱形底座和2 m長(zhǎng)的空心鋼質(zhì)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(guò)程中，在位移施加處同時(shí)會(huì)產(chǎn)生反作用力，該反力會(huì)隨位移變化而不斷變化。在初始狀態(tài)和傾斜狀態(tài)下的熱電偶支架ABAQUS模型如圖3所示。

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

表1 三個(gè)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(shí)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(duì)熱電偶支架進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模型1和模型2中施加的位移與在位移施加處產(chǎn)生的反力計(jì)算值之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨著水平位移不斷增大，當(dāng)反力為0時(shí)，支架達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)達(dá)到支架失穩(wěn)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(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，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(wěn)。同時(shí)，印證了之前的理論：熱電偶支架的重心高度越低，則其穩(wěn)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(shí)保證兩個(gè)模型的重心高度相同。

基于ABAQUS對(duì)熱電偶支架進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模型1和模型3中施加的位移與在位移施加處產(chǎn)生的反力計(jì)算值之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

同樣的，由圖5可知，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，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(wěn)。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(wěn)定性越高。

1.2 通用性

通用性即普遍適用性。支架桿應(yīng)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(gòu)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(huì)使數(shù)據(jù)受火焰和熱煙氣的影響而不穩(wěn)定，或出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)不可用的現(xiàn)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(zhǔn)確性，從而為最終溫度測(cè)量值的準(zhǔn)確性提供了最大保障。

1.3 便攜性

熱電偶支架質(zhì)量應(yīng)相對(duì)較輕，且應(yīng)可拆卸以便于搬運(yùn)。這將有效節(jié)省空間的使用并方便運(yùn)輸，同時(shí)為室外火災(zāi)實(shí)體實(shí)驗(yàn)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(yīng)選用耐火性能較優(yōu)的材質(zhì)。例如304不銹鋼。根據(jù)董方等人[2]關(guān)于304不銹鋼高溫力學(xué)性能的研究表明，其抗拉強(qiáng)度在750 ℃～900 ℃內(nèi)下降速率較大，溫度1 150 ℃左右時(shí)，抗拉強(qiáng)度大約為30 MPa，1 370 ℃左右時(shí)，抗拉強(qiáng)度完全喪失。而屈服強(qiáng)度在700 ℃～850 ℃內(nèi)下降速率較大，1 250 ℃左右，屈服強(qiáng)度下降到小于20 MPa。由于在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，熱電偶架僅用來(lái)固定熱電偶，實(shí)際作用力很小，故在實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)中304不銹鋼材質(zhì)的熱電偶支架能夠很好的完成任務(wù)，盡可能長(zhǎng)時(shí)間的保證支架不出現(xiàn)變形垮塌，采集到相對(duì)完整的數(shù)據(jù)。

2 熱電偶支架的設(shè)計(jì)與選取

基于以上四種熱電偶支架的設(shè)計(jì)要素，一款新型的熱電偶支架被設(shè)計(jì)出來(lái)。此熱電偶支架由支承底座和豎桿構(gòu)成，其中支承底座包含5個(gè)支腿，支架設(shè)計(jì)圖和實(shí)體圖分別見(jiàn)圖6，圖7。

為了設(shè)計(jì)的合理性以及驗(yàn)證上述理論的準(zhǔn)確性，另外選取了4種不同的支架同新型支架一起進(jìn)行測(cè)試并對(duì)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(jìn)行計(jì)算。從式(1)中可知，在假定上方桿件的長(zhǎng)度和質(zhì)量保持不變時(shí)，下方支座的質(zhì)量決定著整個(gè)支架的重心高度。當(dāng)支座的質(zhì)量越大時(shí)，則整個(gè)支架的重心高度越低。通過(guò)測(cè)量，桿自重為1.5 kg，桿長(zhǎng)為2 m。根據(jù)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(zhǎng)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(hào)。

而支架的支承面積是支座的底面積或者多個(gè)支座支腳最外端部點(diǎn)相連組成的圖形面積。同時(shí)，還可以在支架上方人為施加1個(gè)單位力，定性地分析支架是否穩(wěn)定?；谏鲜鲇?jì)算方法， 測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 五種不同熱電偶支架穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

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(wú)法直立，穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定性表現(xiàn)良好，重心都較低且支承面積都相對(duì)更大，正常放置豎桿和熱電偶后依舊具有足夠的穩(wěn)定性，這也同時(shí)印證了先前理論的準(zhǔn)確性。

此外，與其余4個(gè)支架相比，新型熱電偶支架采用的5個(gè)支腿 的支承底座也對(duì)其良好的穩(wěn)定性起到了重要的作用。這根本的原因在于3個(gè)支腿的支承底座就構(gòu)成了靜定結(jié)構(gòu)，而5個(gè)支腿的支承底座構(gòu)成了具有強(qiáng)大穩(wěn)定性的超靜定結(jié)構(gòu)。根據(jù)《結(jié)構(gòu)力學(xué)(上冊(cè))》[4]可知，超靜定結(jié)構(gòu)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(dāng)此新型支架由于破壞失去1個(gè)支腿時(shí)，其仍能保持良好的穩(wěn)定性，這也就更加體現(xiàn)了新型支架在穩(wěn)定性方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

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(jù)熱電偶需搭接位置自由伸縮同時(shí)可配合十字連接扣(見(jiàn)圖13)，在豎桿的任意位置固定橫桿，可使熱電偶在平面內(nèi)任意位置準(zhǔn)確地固定放置(見(jiàn)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(guò)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(jiàn)圖15)。由此可見(jiàn)，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(zhì)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(shè)計(jì)要素并通過(guò)對(duì)比，選取新型支架為最終的熱電偶支架設(shè)計(jì)方案。

3 在全尺寸火災(zāi)實(shí)體實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

2020年8月23日，在貴州省榕江縣高赧村由中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司牽頭的“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“村鎮(zhèn)建筑火災(zāi)災(zāi)變機(jī)理與適宜性防火理論體系”課題全尺寸木屋實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)順利完成。在此次全尺寸實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中，共建造了4個(gè)木屋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中使用熱電偶進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集的3個(gè)木屋中全部架設(shè)了該熱電偶支架，木屋平面布置及現(xiàn)場(chǎng)房間部分熱電偶架布置如圖16～圖19所示。

實(shí)驗(yàn)中，從23 min開始，3號(hào)房出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞并伴隨局部倒塌，隨即4號(hào)房和1號(hào)房屋相繼結(jié)構(gòu)破壞。而在3個(gè)木屋中，使用該熱電偶支架共采集了大約23.5 min的溫度數(shù)據(jù)。例如，選擇在3號(hào)木屋一層點(diǎn)火源處架設(shè)了一個(gè)支架，在支架上固定了4支熱電偶分別測(cè)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(jiàn)圖18)。實(shí)驗(yàn)后，對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明熱電偶溫度數(shù)據(jù)正?？捎?。由此可見(jiàn)，該熱電偶架在前23.5 min內(nèi)并沒(méi)有受到火焰和熱煙氣的影響，保證了溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確平穩(wěn)采集并為后續(xù)的試驗(yàn)分析打下了良好基礎(chǔ)，在符合穩(wěn)定性、通用性、便攜性和耐火性能的前提下，在實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中得到了成功地應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

1)用于全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中的熱電偶支架的設(shè)計(jì)要素應(yīng)包括良好的穩(wěn)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(wěn)定性越高。

3)在全尺寸火災(zāi)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用中，使用熱電偶支架得到的溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的采集。