不同升温曲线下框架结构温度场对比研究

游 峰

(湖北省交通运输厅汉十高速公路管理处，湖北 武汉 430050)



不同升温曲线下框架结构温度场对比研究

游 峰

(湖北省交通运输厅汉十高速公路管理处，湖北 武汉 430050)

采用热分析软件ANSYS，建立了某钢框架热分析三维空间模型，针对框架结构内部可燃物性质的不同，选取了ISO834升温曲线和HC升温曲线对框架结构火灾下的瞬态温度场进行了分析，指出对于建筑结构的抗火性能设计应针对内部不同可燃物特性选择合适的升温曲线。

框架结构，火灾，升温曲线，温度场

现代建筑结构一旦发生火灾，将严重威胁结构内部生命财产安全，毁坏各种设施设备，甚至危及结构承重部位，进而导致整个建筑的坍塌。现在工业建筑比如厂房多采用钢结构，民用建筑则多为钢筋混凝土结构，两种结构在高温作用下钢材和混凝土的力学性能将会改变，尤其是强度和弹性模量会在持续高温下发生显著的下降，导致结构承载能力降低，最终发生结构破坏[1]。混凝土结构不易燃烧，但是钢结构在火灾下极易被引燃，国内外曾经发生过多起钢结构在火灾下倒塌的案例。

1973年，天津市体育馆发生大火，该体育馆为钢框架结构，火灾使结构迅速燃烧，十几分钟后整个体育馆坍塌；2008年5月25日，我国温州市一家店市场钢仓库发生火灾，由于仓库面积较大，火灾持续了10 h左右，内部设备几乎摧毁殆尽，经济损失较大，见图1。

建筑结构广泛采用钢筋混凝土结构和钢结构，混凝土导热系数随温度变化较钢材小得多，因此发生火灾时混凝土结构的危险性较钢结构低得多，钢材在高温下力学性能将显著改变，在700 ℃左右时已经基本丧失承载能力。对于一般的建筑火灾现场，火源周围温度可达到1 000 ℃左右，此时钢材已经发生严重变形和扭曲，最终发生倒塌[2]。

建筑设计规范中给出了不同结构的耐火等级，设计者由此确定其耐火时间，制定相应的抗火措施。目前在进行抗火研究时主要采用标准升温曲线ISO834来模拟结构温度随时间的变化，该曲线没有将结构内部燃烧物特性考虑进去，也没有考虑不同燃烧物升温速率。抗火研究的关键在于升温曲线的选取，升温曲线选取不同，得到的结果也不同。因此进行建筑结构抗火设计时，要根据建筑场所实际环境以及包含可燃物的燃烧性质准确选取升温曲线分析温度场的变化[3]。

1 火灾温度场计算基本理论

1.1 火灾中热传递方式及热传导方程

1)热传导。热传导就是高温物体将能量自发传递给低温物体的过程，物体热传导系数与热流密度的关系可由傅里叶定律推出[4]，表达式如下：

(1)

2)热对流。热对流是发生在固体与流体接触时不同温度下的热量交换，其原理是在高温作用下，周围气体密度发生改变，空气受热向上发生运动，而未受高温作用的空气向下运动，这种由于温度不同导致的上下运动导致了热量的交换。热对流中热流密度与温度变化关系表达式为：

q=hf(T-Tl)

(2)

其中，hf为对流换热系数；Tl为流体温度；T为固体表面温度。

3)热辐射。绝对0 ℃以上的物体均可产生热量，产生的热量又被其他物体吸收，这种热量从一个物体发出，另一个物体接受并将其转换成能量的过程称为热辐射。物体热辐射能量多少取决于自身温度的高低，并且热辐射不需要依靠介质就能进行传播，因此在真空中可以实现热辐射过程，热辐射与温度的关系式可表示为[5]：

Q=εσA1F12(T14-T24)

(3)

其中，Q为热流率；ε为辐射率，它表示单位面积的物体热辐射能量与同温下黑体热量的比值；σ为玻尔兹曼常数，取值为5.67×10-8W/(m2·K4)；A1为面1的辐射面积；F12为形状系数；T1和T2均为温度。

4)热传导方程。物体都遵循能量守恒，即能量不会凭空消失，而是相互转换，因此外界吸收到物体内部的热量Q1加上物体自身产生的热量Q2就等于物体增加的总热量Q，由此可推出三维瞬态热传导方程数学表达式如下：

(4)

其中，u为物体在(x,y,z)，t时的温度；t为物体受火时间；ρ为密度；c为比热容；x，y和z均为空间三维坐标；k为导热系数。

1.2 钢结构材料热参数

物体的导热系数表示当热传递过程比较稳定时单位温度梯度和单位时间内通过物体单位面积的热量，导热系数单位为W/(m·℃)，欧洲规范给出的钢材的导热系数函数表达式为[6]：

(5)

物体的比热容表示单位温度升高下单位质量物体所具有的容纳热量的大小，比热容单位为J/(kg·℃)，欧洲规范给出的钢材的比热容函数表达式为：

(6)

此外，钢结构的热工参数还有热膨胀系数和密度，两者对温度变化不敏感，温度升高较大时热膨胀系数和密度变化较小，在计算时可忽略其变化。钢结构的热膨胀系数为αs=1.4×10-5，密度为ρs=7 850kg/m3。

1.3 火灾升温曲线

ISO834标准升温曲线在建筑结构火灾研究中应用较广泛，它表示了一种燃烧物温度随时间变化的关系，主要用于建筑结构火灾分析中，建筑火灾中典型的可燃物有木材、钢材及纸质品等，该升温曲线表达式为[7]：

T=345log(8t+1)+20

(7)

其中,t为时间，min；T为t时刻的温度，℃。

ISO834曲线适合描述一般的可燃物火灾下温度变化规律，但是对于建筑物中含有汽油和化学燃料等可燃物时，其燃烧时热能释放非常大而且迅速，很短的几分钟内就可达到几百摄氏度甚至1 000 ℃以上的温度，此时ISO834将不再适用。因此，本文采用欧洲规范中HC升温曲线来模拟当建筑结构中含有汽油等可燃物时结构的升温变化情况，同时将计算结果与ISO834升温曲线进行对比，明确HC曲线的合理性。HC曲线对于一般的石油燃烧(如汽油箱、汽油罐等)火灾场景比较适用，HC曲线表达式为：

T=20+1 080(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t)

(8)

欧洲规范中HC升温曲线与传统的ISO834标准升温曲线在同一坐标轴下的变化情况如图2所示。

2 计算实例

某建筑结构为钢框架结构，由梁和柱构成，梁与柱的截面为工字形截面，尺寸如图3所示，框架柱的高度为3m，顶部梁的长度为5.5m，框架结构内部发生火灾，此时梁和柱都受到火源的直接作用，其火灾断面如图4所示。

2.1 热分析有限元模型建立

采用结构分析软件ANSYS，根据钢框架结构特点，建立其热分析三维空间模型。计算采用Solid70单元进行热分析单元模拟，该单元为8节点8温度自由度单元，可进行三维温度场热分析。模型共划分6 784个单元，30 214个节点，三维模型见图5。分析中对流换热系数αc取20W/(m·℃)，辐射系数ξr取0.6，设定两柱的侧面和梁的底面为对流和辐射作用的边界，进而进行框架结构在两种升温曲线下的三维瞬态温度场的计算分析。

2.2 有限元计算结果

升温曲线为ISO834标准升温曲线下框架结构受火灾作用10min时温度场如图6所示。

由图6可知，在ISO834升温曲线作用下，火灾作用10min时框架的温度最高达到了430 ℃，上升速度基本为直线。

HC升温曲线作用下，框架结构受火灾作用10min时的温度场如图7所示。

由图7可知，在HC升温曲线作用下，框架结构在火灾作用下10min时的温度达到864 ℃，升温速率在前6min较大，6min后减弱，相对平缓。两种升温曲线作用下，框架结构的最高温度随时间变化曲线如图8所示。可知在7min时框架结构在HC升温曲线下的温度比ISO834曲线下的温度高445 ℃，两种曲线下的温度差值在此时达到最大，造成这个差别的原因在于两种升温曲线的升温速率不同。

表1 两种升温曲线下框架结构随时间变化的温度值

由表1可知，10min内，在不同的升温曲线作用下，框架结构的温度随时间变化趋势，所达到的最高温度都有很大不同，相应的在最高温度下的力学性能的衰减也不同。

故对于建筑结构中的钢结构框架结构，应当根据具体可燃物的类型进行火灾下的温度场计算，在此基础上制定合理的消防措施，避免钢结构因火灾造成巨大损失。

3 结语

建筑结构火灾分析的重点在于升温曲线的选取，由于不同规范及不同国家针对不同的火灾场景有不同的升温曲线，曲线选取不同将会得到不同的结果。本文分析选取ISO834升温曲线和HC升温曲线，将其用于同一框架结构火灾下的温度场分析，结果表明，ISO834升温曲线下框架结构在10min时的温度达到430 ℃，在HC升温曲线作用下，框架结构在10min时的温度达到864 ℃，两种情况下相差很大，且升温速率也差别很大。因此对于建筑结构的抗火研究，应当根据建筑物内可燃物的性质选取合适的升温曲线。参考文献:

[1] 过镇海,时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2] 熊 伟,李耀庄,严加宝.火灾作用下钢筋混凝土梁温度场数值模拟及试验验证[J].中南大学学报(自然科学版),2012,43(7):2839-2843.

[3] 熊学玉,蔡 跃,黄鼎业.火灾下预应力混凝土结构极限承载力计算方法[J].自然灾害学报,2005,14(2):147-154.

[4] 时旭东,过镇海.高温下钢筋混凝土框架的受力性能试验研究[J].土木工程学报,2000,33(1):36-45.

[5] 范 进.高温后预应力钢绞线性能的试验研究[J].南京理工大学学报,2004,28(2):186-189.

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[8]AliAsgary,AliSadeghiNaini,JasonLevy.Modelingtheriskofstructuralfireincidentsusingaself-organizingmap[J].FireSafetyJournal,2012(49):1-9.

[9]ISO-834，Fireresistancetests-elementsofbuildingconstruction[D].ISO:Geneva,1975:8．

[10]GB50153—92，工程结构可靠性设计统一标准[S].

Transienttemperaturefieldofframestructureunderdifferentheatingcurves

YouFeng

(HubeiProvinceTransportationHallManagementOfficeoftheHighwayHankoutoShiyan,Wuhan430050,China)

Using the thermal analysis software ANSYS, this paper established the thermal analysis 3D model of a steel frame, according to the different properties of internal combustible materials of frame structure, selection of the ISO834 temperature curve and HC transient temperature curve analyzed the transient temperature field to frame structure fire, pointed out that the fire resistance performance design of building structure should select appropriate temperature rise curve according to different fuel characteristics.

frame structure, fire, temperature rise curve, temperature field

1009-6825(2017)12-0036-03

2017-02-19

游 峰(1976- )，男，硕士，高级工程师

TU311

A