薛 辰 李 然 蘭 濤, 余志祥 李澤旭

(1.中國船舶重工集團(tuán)國際工程有限公司, 北京 100121; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 成都 610031)

0 引 言

箱板式鋼結(jié)構(gòu)作為一種新興的裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系,在強(qiáng)度、整體性、延性、抗震性能等多方面都具有很大優(yōu)勢。[1-6]該結(jié)構(gòu)借鑒了船舶上層建筑形式,此體系的房屋建筑單元由加勁鋼板裝配而成,內(nèi)部無梁柱,建筑單元具有模塊化集裝特征,構(gòu)件連接及單元裝配均采用干連接。該結(jié)構(gòu)中的圍壁墻板和樓板均由帶加勁肋鋼板制造而成,兩者經(jīng)裝配形成承載系統(tǒng)以承擔(dān)結(jié)構(gòu)中的水平荷載和豎向荷載。該體系可充分利用室內(nèi)空間,具有生產(chǎn)工業(yè)化、施工裝配化、裝修一體化等特點,現(xiàn)已應(yīng)用于實際工程,詳見圖1、2所示。由于該體系為純鋼結(jié)構(gòu),耐火性較差,火災(zāi)作用下的高溫對帶加勁肋鋼板的傳熱、受力等性能將產(chǎn)生較大影響,因此,須要明確箱板裝配式鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的溫度場分布規(guī)律,為經(jīng)濟(jì)合理設(shè)計箱板式鋼結(jié)構(gòu)提供安全保障。

圖1 箱板裝配式鋼結(jié)構(gòu)辦公樓示范工程Fig.1 A demonstration project of prefabricated box-plate steel structure office buildings

圖2 箱板裝配式加勁鋼墻板與鋼樓板Fig.2 Stiffened wall panels and steel floor slabs of prefabricated box-plate steel structures

現(xiàn)有的模擬火災(zāi)空氣溫度場的計算模型主要有經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、區(qū)域模型和場模型。經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭?當(dāng)前采用最多的是1991年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO給出的標(biāo)準(zhǔn)溫度-時間曲線[7]。該曲線雖計算方便,但由于未考慮火災(zāi)中各因素的影響,計算結(jié)果與實際情況差距大。區(qū)域模型可將結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理分區(qū),計算效率高,但其應(yīng)用場景有限,在計算復(fù)雜空間場景時該方法將失效。目前計算最精確、最先進(jìn)的是場模型,因此主流的流體軟件FDS、FLUENT和CFX等都采用場模型,其計算精確高效,更接近真實火災(zāi)情況。李國強(qiáng)團(tuán)隊基于FDS軟件模擬了120余例大空間建筑火災(zāi)溫度場,擬合出適用于大空間建筑的空氣升溫簡化模型算式[8-9],該算式已被CECS 200∶2006《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》采用。

目前對于截面均勻分布的鋼構(gòu)件的升溫已有多種計算方法可求解,但對截面非均勻分布的鋼構(gòu)件升溫,二維非穩(wěn)態(tài)傳熱問題的解析解求解非常困難,通常采用數(shù)值方法。Palm使用通用有限元軟件ABAQUS,考慮熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射的綜合因素,對各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行三維瞬態(tài)熱分析,得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)下的溫度分布[10],計算結(jié)果與文獻(xiàn)[11-12]的計算結(jié)果相比較,顯示有限元方法的精度令人滿意。

目前對該新型結(jié)構(gòu)體系的抗火性能研究較少,此體系在火災(zāi)作用下的耐火極限、臨界溫度、破壞模式等方面的研究尚處于空白,因此有必要對其在火災(zāi)下的熱力學(xué)行為開展研究,為箱板式鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計提供參考依據(jù)。為此,以一個模塊單元組成的單層箱板結(jié)構(gòu)和三個模塊單元組成的三層箱板整體結(jié)構(gòu)為研究對象,通過數(shù)值模擬軟件建立火災(zāi)動力學(xué)模型及火災(zāi)瞬態(tài)熱分析模型,以火源位置變化為參數(shù)開展了7種火災(zāi)場景數(shù)值模擬,得到了不同火災(zāi)場景下空氣溫度場的分布規(guī)律及整體結(jié)構(gòu)的傳熱歷程數(shù)據(jù)。

1 模型概況

選擇火災(zāi)動力學(xué)軟件FDS,采用場模型建立了一層和三層的箱板式鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)動力學(xué)模型,進(jìn)而根據(jù)火災(zāi)空氣溫度場結(jié)果,導(dǎo)入ABAQUS構(gòu)建一層和三層箱板裝配式鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)瞬態(tài)熱分析模型。

1.1 空氣溫度場模型

1.1.1模型建立

建立的FDS模型以真實結(jié)構(gòu)為依據(jù),最大程度還原了真實結(jié)構(gòu),鋼板墻內(nèi)外兩側(cè)和樓板下方都設(shè)有均勻分布的橫、縱向加勁肋。結(jié)構(gòu)平面尺寸為9.7 m×8.3 m,層高為2.9 m,三層總高為8.7 m,墻和樓板均采用Q235,厚度均為1 cm,T形、L形加勁肋均勻分布于墻板與樓板內(nèi)側(cè),L形加勁肋采用┗75×50×8,T形加勁肋采用TN200×200。所有的門窗洞口都處于常開的狀態(tài),用于模擬熱氣流的傳導(dǎo)和煙氣的擴(kuò)散。取箱板裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的單層單間和三層單間為研究對象,該結(jié)構(gòu)功能為辦公室,室內(nèi)未采用噴淋防火措施。

為包含整個建筑物,單層模型建立的網(wǎng)格尺寸為11.0 m×10.0 m×5.0 m,總?cè)莘e達(dá)550 m3,占地面積為110 m2。為確保其計算的穩(wěn)定性和精確性,將整個建筑模型統(tǒng)一劃分網(wǎng)格,最后選用0.1 m×0.1 m×0.1 m的單元格,最終網(wǎng)格個數(shù)為550 000個,模擬火災(zāi)時間為1 800 s,單次模擬計算時間大約需100 h。三層模型網(wǎng)格尺寸為11.0 m×10.0 m×10.0 m,模擬火災(zāi)時間為1 800 s,單次模擬計算時間大約需200 h。

1.1.2火源設(shè)定

大量火災(zāi)試驗數(shù)據(jù)顯示,在火災(zāi)初期增長階段,熱釋放速率近似按時間的平方(t2)規(guī)律發(fā)展,簡化之后可以式(1)[13]表示:

Q=αt2

(1)

式中:Q為火源熱釋放速率,kW;α為火災(zāi)增長系數(shù),kW/s2;t為火災(zāi)有效燃燒的時間,s。

火災(zāi)的火源按照固定型火源場景設(shè)置,選取火災(zāi)類別為快速火,根據(jù)文獻(xiàn)[13]取火災(zāi)增長系數(shù)α=0.044。該建筑的使用功能是辦公室或住房,無噴淋,按GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[14]中取穩(wěn)態(tài)時最大熱釋放速率為6.0 MW。取固體穩(wěn)定火源面積為單位面積1.0 m×1.0 m,將其布置在木質(zhì)桌面上,設(shè)定其單位熱釋放速率為6 000.0 kW/m2,根據(jù)式(1)可計算得到,在t=358 s時將達(dá)到最大熱釋放速率。

因模型是按固定型火源設(shè)置,所以火源位置是影響箱板式鋼結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)溫度場分布的關(guān)鍵因素。當(dāng)火源居中時,四周鋼結(jié)構(gòu)同步受熱升溫;但當(dāng)火源在室內(nèi)一側(cè)時,靠近火源的鋼構(gòu)件會更快速地進(jìn)入危險狀態(tài),鋼構(gòu)件失效順序也會發(fā)生變化。為了研究不同火災(zāi)場景下該結(jié)構(gòu)的失效過程和破壞機(jī)理,設(shè)置了不同的火源場景來探究不同工況下的火災(zāi)對空氣溫度場的影響,7種不同火災(zāi)場景工況見表1,單層模型的火災(zāi)場景工況示意見圖3,室內(nèi)空間的9個分區(qū)示意見圖4。

表1 火災(zāi)場景工況Table 1 Fire scenarios of a single-storey prefabricated box-plate steel structure

a—三維示意; b—正視圖; c—俯視圖。圖3 單層箱板裝配式鋼結(jié)構(gòu)FDS模型Fig.3 A FDS model of a single-storey prefabricated box-plate steel structure

圖4 空間分區(qū)示意Fig.4 A schematic diagram of space partition

1.1.3測點布置

為了獲得火災(zāi)下整個室內(nèi)的溫度場,須要在關(guān)鍵位置設(shè)置足夠的熱電偶來測量火災(zāi)過程中的溫度及其他參數(shù)的變化。為此,設(shè)定一層地面標(biāo)高為Z=0 m,分別在Z=0,1,2,2.9 m高度平面內(nèi),室內(nèi)空間A～G區(qū)每個區(qū)域的中心處各設(shè)置一個熱電偶,在特殊位置如門窗洞口和墻面上也設(shè)置了部分溫度測點,共計68個。另外為了更直觀展示火災(zāi)發(fā)展過程中溫度分布情況,在模型X、Y方向剖面以及Z=1,2,2.9 m高度平面處設(shè)置了溫度切片。三層測點設(shè)置在每層中間高度和樓板處,分區(qū)情況與單層結(jié)構(gòu)相同。

1.2 火災(zāi)瞬態(tài)熱分析模型

1.2.1模型建立

火災(zāi)瞬態(tài)熱分析模型的規(guī)格尺寸與前述FDS火災(zāi)模型一致,結(jié)構(gòu)平面尺寸為9.7 m×8.3 m,單層高為2.9 m,三層總高為8.7 m,墻板厚為1 cm,樓板厚為1 cm;T形、L形加勁肋均勻分布于墻板與樓板內(nèi)側(cè),L形、T形加勁肋截面分別采用L75×50×8和TN200×200×8×13,墻板外部的加強(qiáng)區(qū)由矩形肋縱橫分布交錯組成,截面為100 mm×10 mm;所有鋼材均采用Q235;模型中所有鋼構(gòu)件間的連接均為剛接,邊界條件為底部全部固接;熱力耦合計算前施加的恒荷載為自重,活荷載為樓面荷載和上人屋面荷載,樓面荷載與上人屋面荷載大小為2.0 kN/m2。

1.2.2材料屬性

通過比較分析各國設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于鋼材高溫材性的關(guān)鍵參數(shù)取值,最終確定了本文數(shù)值模型的有效熱物理參數(shù)及材性力學(xué)參數(shù)。鋼板和加勁肋材料均為Q235鋼,常溫下屈服強(qiáng)度為235 MPa。熱物理屬性密度取ρs=7 850 kg/m3;熱膨脹系數(shù)取αs=1.4×10-5m/(m·℃);比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)使用歐洲Eurocode 3[15]中的算式;泊松比取νs=0.3;屈服強(qiáng)度、彈性模量都按GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》[16]提供的算式進(jìn)行計算,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系使用Eurocode 3中提出的不考慮強(qiáng)化的光滑曲線材料模型為計算模型,輸入每個溫度下對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.2.3單元類型與分析步設(shè)置

瞬態(tài)熱分析計算需要在接觸板塊中輸入熱輻射和熱對流參數(shù),并導(dǎo)入FDS中計算的測點隨時間變化的溫度數(shù)據(jù)。因火災(zāi)模型只考慮初期增長階段及持續(xù)平穩(wěn)的全盛階段過程,所以1 800 s后的火災(zāi)視為已進(jìn)入平穩(wěn)階段,之后的測點溫度將使用火災(zāi)發(fā)展平穩(wěn)階段的溫度數(shù)據(jù)。采用DC3D8熱傳導(dǎo)網(wǎng)格,通過瞬態(tài)熱分析即可以得到結(jié)構(gòu)受熱后的溫度時程數(shù)據(jù)。共設(shè)置一個分析步,屬性為瞬態(tài)熱傳導(dǎo),設(shè)置為自動調(diào)整步長,最大步長為30 s,計算時長取10 800 s。

2 空氣溫度場計算及分析

2.1 單層模型

2.1.1室內(nèi)整體溫度場分布

為方便觀察火災(zāi)下室內(nèi)空間空氣溫度場的分布規(guī)律,更直觀地呈現(xiàn)火災(zāi)變化趨勢,截取了不同場景計算結(jié)果,如圖5～7所示,圖中體現(xiàn)了火源處X、Y、Z方向的溫度變化、煙氣濃度和火勢變化。

a—豎直方向; b—水平方向(Z=2.0 m)。圖5 火災(zāi)場景1不同方向溫度場分布 ℃Fig.5 Temperature fields in different directions in scenario 1

a—豎直方向; b—水平方向(Z=2.0 m)。圖6 火災(zāi)場景2不同方向溫度場分布 ℃Fig.6 Temperature fields in different directions in scenario 2

a—豎直方向; b—水平方向(Z=2.0 m)。圖7 火災(zāi)場景3不同方向溫度場分布 ℃Fig.7 Temperature fields in different directions in scenario 3

2.1.2測點溫度-時間曲線

3種火災(zāi)場景下各測點時間-溫度曲線如圖8～10所示。由于火源位置的不同,場景1～場景3高溫所對應(yīng)的區(qū)域分別為E區(qū),D區(qū)和A區(qū)。場景1和2中環(huán)境最高溫度都達(dá)到了1 000 ℃以上,場景3溫度偏低,最高溫度約為900 ℃。

a—Z=2.0 m; b—Z=2.9 m。 A; B; C; D; E; F; G; H; I。圖8 火災(zāi)場景1各測點溫度-時間曲線Fig.8 Temperature-time curves of measurement points in scenario 1

a—Z=2.0 m; b—Z=2.9 m。 A; B; C; D; E; F; G; H; I。圖9 火災(zāi)場景2各測點溫度-時間曲線Fig.9 Temperature-time curves of measurement points in scenario 2

a—Z=2.0 m; b—Z=2.9 m。 A; B; C; D; E; F; G; H; I。圖10 火災(zāi)場景3各測點溫度-時間曲線Fig.10 Temperature-time curves of measurement points in scenario 3

整體來看,三種場景下的時間-溫度曲線都呈現(xiàn)出離火源位置越近溫度越高的趨勢。從圖8a、b中可以看出:滅災(zāi)場景1高度2.0 m處,E區(qū)后期溫度穩(wěn)定在1 050 ℃,除火源外,其余分區(qū)溫度維持在400～500 ℃,E、A、B、G、C區(qū)呈現(xiàn)相似的變化趨勢,在1 000 s附近溫度突增。這是因為1 000 s左右時桌子腿被引燃,釋放出了更多的熱量;高度2.9 m處,除E分區(qū)外,D和F區(qū)溫度較高,穩(wěn)定階段溫度分別維持在670,600 ℃,其余分區(qū)則在500 ℃以下。場景2中,高度2.0 m處除火源區(qū)D區(qū)外,其余分區(qū)都經(jīng)歷了先兩次升溫,后進(jìn)入穩(wěn)定階段,之后降溫,再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的過程,各分區(qū)溫度-時間曲線如圖9a所示;高度2.9 m處溫度基本沒有突變,如圖9b所示,Z=2.0,2.9 m最后穩(wěn)定階段各分區(qū)溫度見表2。場景3中,高度2.0 m處的曲線除火源外的區(qū)域溫度變化較為一致,維持在300～400 ℃,2.9 m處時除火源外,溫度最高的分區(qū)為D、E區(qū),最高溫度達(dá)到600 ℃,之后分別穩(wěn)定在320 ℃和430 ℃,B、C、F、G區(qū)變化趨勢較為一致,最后都穩(wěn)定在340 ℃左右,其他距離較遠(yuǎn)的分區(qū)則在30 ℃以下。從圖中也可以看出,空間位置越高的測點,曲率越緩和,體現(xiàn)了屋頂熱空氣慢慢積聚的過程。

表2 場景2各分區(qū)穩(wěn)定階段溫度值Table 2 Temperatures of each part in scenario 2 in the stable phase of heating

2.2 三層結(jié)構(gòu)

2.2.1室內(nèi)整體溫度場分布

4個火災(zāi)場景在燃燒相對穩(wěn)定時的整體溫度場分布結(jié)果如圖11～14所示,圖中體現(xiàn)了火源處X、Y兩豎直方向及火源上方屋頂Z平面的溫度分布。

a—豎直方向; b—水平方向(Z=2.9 m)。圖11 火災(zāi)場景4溫度場分布 ℃Fig.11 Temperature fields in different directions in scenario 4

a—豎直方向; b—水平方向(Z=2.9 m)。圖12 火災(zāi)場景5溫度場分布 ℃Fig.12 Temperature fields in different directions in scenario 5

a—豎直方向; b—水平方向(Z=5.8 m)。圖13 火災(zāi)場景6溫度場分布 ℃Fig.13 Temperature fields in different directions in scenario 6

a—豎直方向; b—水平方向(Z=5.8 m)。圖14 火災(zāi)場景7溫度場分布 ℃Fig.14 Temperature fields in different directions in scenario 7

2.2.2測點-溫度時間曲線

火災(zāi)場景4和5的火源分別位于一層的E區(qū)和D區(qū),火災(zāi)場景6和7的火源分別位于二層的E區(qū)和D區(qū);4個火災(zāi)場景在不同高度處的時間-溫度曲線見圖15～18所示。

a—一層Z=1.5 m; b—一層Z=2.9 m; c—二層Z=4.4 m、 Z=5.8 m; d—三層Z=7.3 m、Z=8.7 m。圖15 火災(zāi)場景4各測點溫度-時間曲線Fig.15 Temperature-time curves of measurement points in scenario 4

a—一層Z=1.5 m; b—一層Z=2.9 m; c—二層Z=4.4 m、 Z=5.8 m; d—三層Z=7.3 m、Z=8.7 m。圖16 火災(zāi)場景5各測點溫度-時間曲線Fig.16 Temperature-time curves of measurement points in scenario 5

a—二層Z=4.4 m; b—二層Z=5.8 m; c—一層Z=2.9 m與三層Z=7.3 m、Z=8.7 m。圖17 火災(zāi)場景6各測點溫度-時間曲線Fig.17 Temperature-time curves of measurement points in scenario 6

a—二層Z=4.4 m; b—二層Z=5.8 m; c—一層Z=2.9 m與三層Z=7.3 m、Z=8.7 m。圖18 火災(zāi)場景7各測點溫度-時間曲線Fig.18 Temperature-time curves of measurement points in scenario 7

由于火源位置的不同,場景4和6高溫所對應(yīng)的區(qū)域為E區(qū),場景5和7對應(yīng)的為D區(qū)。4個場景最高溫度都達(dá)到了1 000 ℃以上。

場景4和5的最高溫度出現(xiàn)在一層火源所在E區(qū)和D區(qū)處,Z=1.5 m處最高溫度在1 000 ℃左右,一層屋頂因為熱空氣上升的原因,場景4的E區(qū)和場景5的D區(qū)溫度也穩(wěn)定在了900 ℃以上;火源外的其他分區(qū)在Z=1.5 m處的溫度集中在100～200 ℃,Z=2.9 m屋頂則呈現(xiàn)不同分區(qū)間的溫度差異較大,場景4有D、F和C區(qū)在500 ℃以上,其余則在400 ℃以下,場景5溫度較高分區(qū)為A區(qū)和E區(qū),其余在400 ℃以下;對比圖15c、d與圖16c、d可知:場景4二層和三層的整體溫度要高于場景5,但最終頂層樓板溫度都在100 ℃左右。

場景6和7的最高溫度出現(xiàn)在二層火源所在分區(qū)E區(qū)和D區(qū)上方,場景6在Z=4.4 m處最高溫度在1 100 ℃,場景7則達(dá)到了1 200 ℃,二層屋頂Z=5.8 m的D、E區(qū)后續(xù)也穩(wěn)定在了1 000 ℃左右;火源外的其他分區(qū)在Z=4.4 m處的溫度集中在200 ℃以下,Z=5.8 m屋頂處不同分區(qū)間的溫度差異較大,場景6有F和G區(qū)在500 ℃,其余分區(qū)則在300～400 ℃,場景5溫度較高分區(qū)為A區(qū)和E區(qū),其余在400 ℃以下;對比圖17c與圖18c可知,一層溫度幾乎不變,維持在20 ℃,場景6三層的整體溫度要稍高于場景7,最終頂層樓板溫度都在100 ℃左右。

由4種場景下的時間-溫度曲線可知:火源所在樓層的層中高度處,火源所在分區(qū)升溫速度極快,時間-溫度曲線斜率近乎呈垂直趨勢,溫度極高,均在1 000 ℃以上,其余分區(qū)則溫度較低,在200 ℃以下,且呈現(xiàn)相似的變化趨勢;火源所在樓層屋頂高度處的溫度比起層中高度處的溫度變化較為緩和,并且溫度稍低于層中高度處的溫度,而其余分區(qū)則遠(yuǎn)高于層中高度處的溫度,且距火源越近的分區(qū)溫度越高;4個場景中第三層的溫度變化較為一致,由于樓梯口位于C區(qū),上下層的空氣流通、傳熱都須要通過此處,所以C區(qū)空氣溫度較高,在300～400 ℃,頂層溫度則都在100 ℃。從各層溫度-時間曲線可見:位置越高的測點,曲率越緩和,體現(xiàn)了屋頂熱空氣慢慢積聚的過程。

3 結(jié)構(gòu)溫度場計算及分析

3.1 單層結(jié)構(gòu)

由于火源位置不同,對應(yīng)的室內(nèi)空氣溫度場分布也不盡相同,從而影響空氣與結(jié)構(gòu)之間的熱對流,對結(jié)構(gòu)傳熱升溫造成極大影響。以下為3種不同工況下的單元傳熱過程,火災(zāi)發(fā)展過程中的時刻用T表示。

3.1.1火災(zāi)場景1

當(dāng)T=1 631 s時,中心E區(qū)樓板升溫至400 ℃以上,鋼材材性已經(jīng)開始微變;T=5 531 s時,B、C區(qū)升溫緩慢,D、H兩分區(qū)樓板升溫最快,已達(dá)400 ℃以上,火源所在的E區(qū)位置樓板溫度已經(jīng)達(dá)到900 ℃,其余分區(qū)樓板溫度均在300 ℃左右,整體結(jié)構(gòu)墻板也在逐漸升溫;T=7 231 s時,E區(qū)樓板溫度有所回落,降至868 ℃,除B、C區(qū)樓板溫度在300 ℃外,其余分區(qū)樓板溫度均在400 ℃,Z≥1 m的墻板溫度已達(dá)300 ℃以上;T=9 981 s時,整體結(jié)構(gòu)溫度場已經(jīng)穩(wěn)定,如圖19所示。

a—T=1 631 s; b—T=5 531s; c—T=7 231s; d—T=9 981 s。圖19 火災(zāi)場景1不同時刻溫度場 ℃Fig.19 Temperature fields at different points in time in scenario 1

3.1.2火災(zāi)場景2

當(dāng)T=300 s時,D區(qū)樓板升溫至450 ℃,靠D區(qū)近的窗口上緣也升溫迅速,升溫至200 ℃以上,其他位置溫度均處于200 ℃以下;T=388 s時,D區(qū)樓板升溫至600 ℃,鋼材進(jìn)入屈服狀態(tài),窗口上緣鋼板溫度升至300 ℃以上,其余位置溫度均在200 ℃以下;T=1 122 s時,D區(qū)樓板溫度升至822 ℃,A、E、G區(qū)樓板溫度在488 ℃,窗口周邊結(jié)構(gòu)溫度在600 ℃左右,靠近火源的上半部分墻板在300 ℃左右;T=2 022 s時,結(jié)構(gòu)溫度場基本穩(wěn)定,如圖20所示,D區(qū)樓板溫度在900 ℃左右,A、E、G區(qū)樓板溫度在500 ℃左右,洞口附近墻板溫度在800 ℃左右,西側(cè)其余墻板溫度在400 ℃左右。

a—T=300 s; b—T=388 s; c—T=1 122 s; d—T=2 022 s。圖20 火災(zāi)場景2不同時刻溫度場 ℃Fig.20 Temperature fields at different points in time in scenario 2

3.1.3火災(zāi)場景3

當(dāng)T=478 s時,A區(qū)樓板溫度達(dá)416 ℃,近火源的西側(cè)墻板溫度升至300 ℃,D、E區(qū)樓板比其余分區(qū)樓板升溫快,已達(dá)200 ℃左右;T=628 s時,A區(qū)樓板溫度已升至600 ℃左右,北側(cè)近火處窗口上方墻板溫度升至500 ℃左右,西側(cè)墻板溫度上升至400 ℃左右,D、E區(qū)樓板溫度在250 ℃左右;T=808 s時,A區(qū)樓板溫度升至700 ℃,北側(cè)近火處窗口上方墻板溫度為600 ℃左右,西側(cè)墻板溫度在500 ℃左右,D、E區(qū)樓板溫度在300 ℃左右;T=1 077 s時,結(jié)構(gòu)溫度場已基本穩(wěn)定,如圖21所示,A區(qū)樓板穩(wěn)定在800 ℃,北側(cè)近火處窗口墻板溫度達(dá)到了800 ℃,火源附近的B、D、E區(qū)樓板溫度也達(dá)到500 ℃以上,西側(cè)墻板溫度在600 ℃左右。

a—T=478 s; b—T=628 s; c—T=808 s; d—T=1 077 s。圖21 火災(zāi)場景3不同時刻溫度場 ℃Fig.21 Temperature fields at different points in time in scenario 3

3.2 三層結(jié)構(gòu)

由空氣溫度場計算結(jié)果可知,三層結(jié)構(gòu)與單層結(jié)構(gòu)有很大不同,以下為4種不同工況下最終穩(wěn)定后的整體結(jié)構(gòu)和各樓層的結(jié)構(gòu)溫度場分布。

3.2.1火災(zāi)場景4

當(dāng)T=6 027 s時,整體結(jié)構(gòu)溫度已經(jīng)接近穩(wěn)定,溫度場分布如圖22a所示。由于火源位于一層中心位置,所以在三層整體結(jié)構(gòu)溫度場模型中一層樓板及墻板的溫度都較高,而二、三層溫度分布不明顯。單獨截取一～三層的結(jié)構(gòu)溫度場分布如圖22b～d所示,可見:一層樓板火源上方樓板達(dá)到了960 ℃,樓板其余位置溫度則在400～500 ℃,中部以上的墻板溫度大約在330 ℃;二層所有分區(qū)中C區(qū)溫度較高,墻板底部溫度達(dá)到250 ℃,墻板上部和樓板的溫度都在180 ℃,這是因為一層層頂C區(qū)布置有樓梯口,熱空氣會通過該洞口流通,造成局域溫度較高,其他區(qū)域的樓板和墻板中上部均溫也在100 ℃;三層樓板比二層樓板溫度略有上升,均溫110 ℃,C區(qū)墻板溫度在200 ℃以上,其他墻板均溫在160 ℃,該層呈現(xiàn)了溫度隨高度升高而降低的規(guī)律。

a—整體結(jié)構(gòu)溫度場; b—一層結(jié)構(gòu)溫度場; c—二層結(jié)構(gòu)溫度場; d—三層結(jié)構(gòu)溫度場。圖22 火災(zāi)場景4不同樓層結(jié)構(gòu)溫度場 ℃Fig.22 Temperature fields on different floors in scenario 4

3.2.2火災(zāi)場景5

當(dāng)T=7 017 s時,整體結(jié)構(gòu)溫度已經(jīng)接近穩(wěn)定,如圖23a所示。各層結(jié)構(gòu)溫度場分布如圖23b～d所示?？芍?首層樓板火源處D區(qū)溫度最高,達(dá)到944 ℃,D區(qū)的墻板溫度在550～700 ℃,其他位置處的樓板和墻板均溫在300～400 ℃;二層穩(wěn)定后最高溫度位于C區(qū),墻板底層溫度在200 ℃左右,中間高度處溫度約240 ℃,樓板溫度在140 ℃左右,其余分區(qū)樓板和墻板均為80 ℃左右;三層C區(qū)墻板底層溫度在130 ℃左右,中間高度處溫度約200 ℃,其余位置處墻板均溫約為130 ℃,而頂層樓板溫度整體較為平均,大約為100 ℃。

3.2.3火災(zāi)場景6

當(dāng)T=6 642 s時,整體結(jié)構(gòu)溫度已經(jīng)接近穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)溫度場分布如圖24a所示。各層結(jié)構(gòu)溫度場的分布如圖24b～d所示?？芍?首層結(jié)構(gòu)整體溫度較低,均溫20 ℃,只有墻板頂和C區(qū)附近區(qū)域溫度稍高,在25 ℃左右;二層樓板E區(qū)最高溫度達(dá)954 ℃,其他分區(qū)樓板溫度在500 ℃左右,墻板除C區(qū)外,中部以上部分溫度都在400 ℃,而C區(qū)因為樓板洞口的存在,火源所在樓層產(chǎn)生的熱空氣向上流動被帶走,所以還保持著較低的溫度;三層也呈現(xiàn)隨高度升高溫度逐漸降低的趨勢,頂層樓板均溫在130 ℃,大部分墻板則維持在200 ℃左右。

a—整體結(jié)構(gòu)溫度場; b—一層結(jié)構(gòu)溫度場; c—二層結(jié)構(gòu)溫度場; d—三層結(jié)構(gòu)溫度場。圖24 火災(zāi)場景6不同樓層結(jié)構(gòu)溫度場 ℃Fig.24 Temperature fields on different floors in scenario 6

3.2.4火災(zāi)場景7

當(dāng)T=7 472 s時,整體結(jié)構(gòu)溫度場已經(jīng)接近穩(wěn)定,如圖25a所示。各層結(jié)構(gòu)的溫度場分布如圖25b～d所示。可知:首層結(jié)構(gòu)整體溫度較低,均溫為20 ℃,只有墻板頂部和C區(qū)附近溫度稍高,25 ℃左右;二層D區(qū)樓板最高溫度達(dá)996 ℃,A、E區(qū)樓板溫度在550 ℃左右,F區(qū)樓板在400 ℃左右,D區(qū)墻板溫度也較高,在500～900 ℃,靠近樓板洞口的C區(qū)依舊溫度較低,在20 ℃左右,其他分區(qū)墻板和樓板均溫約350 ℃;三層樓板均溫約為100 ℃,C區(qū)墻板溫度在210 ℃左右,其余墻板均溫約為170 ℃。

a—整體結(jié)構(gòu)溫度場; b—一層結(jié)構(gòu)溫度場; c—二層結(jié)構(gòu)溫度場; d—三層結(jié)構(gòu)溫度場。圖25 火災(zāi)場景7不同樓層結(jié)構(gòu)溫度場 ℃Fig.25 Temperature fields on different floors in scenario 7

4 結(jié)束語

以一個模塊單元組成的單層箱板結(jié)構(gòu)和三個模塊單元組成的三層箱板整體結(jié)構(gòu)為研究對象,通過數(shù)值模擬方法得到了箱板鋼結(jié)構(gòu)空氣溫度場及結(jié)構(gòu)傳熱規(guī)律:

1)針對箱板結(jié)構(gòu)內(nèi)部空氣溫度場,火源所在區(qū)域不同高度的時間-溫度曲線有很大差異,越靠近火源的測點,初始升溫速率越大,且升溫速率隨時間逐漸增大,曲線斜率最大時接近豎直狀態(tài),與ISO國際升溫曲線相比,室內(nèi)最高溫度要大于ISO曲線溫度,比起室內(nèi)采用統(tǒng)一升溫曲線的傳統(tǒng)計算方法,根據(jù)高度分區(qū)計算更符合實際情況;

2)由7種火災(zāi)場景下的時間-溫度曲線計算結(jié)果顯示,單層結(jié)構(gòu)同一高度處,火源所在位置區(qū)域溫度最高,3種工況下最高溫度都達(dá)到900 ℃以上,其他區(qū)域則離火源越近溫度越高,并且出現(xiàn)溫度隨高度升高而升高的趨勢;三層結(jié)構(gòu)火源所在樓層溫度最高,4種工況下最高溫度達(dá)1 000 ℃以上,層內(nèi)離火源越近的區(qū)域溫度越高,底層樓層溫度基本不變,均溫在20 ℃,頂層樓層的空間的時間-溫度曲線較為緩和,層內(nèi)溫度分布均勻同時溫度也較低,都在100 ℃左右,并且出現(xiàn)溫度隨高度升高而降低的趨勢;各曲線曲率隨高度升高逐漸緩和,體現(xiàn)了屋頂熱空氣緩慢積聚的過程;

3)由火災(zāi)瞬態(tài)熱分析計算得到的結(jié)構(gòu)溫度場顯示,單層箱板結(jié)構(gòu)火源上方樓板溫度最高,3種工況下最高溫度都在800 ℃以上,墻板底部溫度最低,均溫在20 ℃左右;三層箱板結(jié)構(gòu)在4種工況下最高溫度都在900 ℃以上,位于火源上方樓板處,火源位置樓層墻板溫度隨高度升高而升高;當(dāng)火源位于一層時,一層整體平均溫度較高,二層整體平均溫度為200 ℃,三層整體均溫為100 ℃,當(dāng)火源位于二層時,二層整體平均溫度較高,一層整體溫度維持在20 ℃,三層平均溫度為150 ℃,火源外的其他樓層溫度較低且分布更均勻;

4)箱板裝配式鋼結(jié)構(gòu)室內(nèi)空氣溫度場具有明顯的分層性和區(qū)域性,空氣溫度場與結(jié)構(gòu)溫度場分布總體呈現(xiàn)一致趨勢,火源所在樓層的溫度隨空間高度升高而升高,而由于樓層之間的密閉性和熱空氣的向上流動,底部樓層溫度基本不變,上部樓層溫度會較低且分布更均勻。