本文摘要：摘要:為研究鋁合金板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在實(shí)際火災(zāi)下的響應(yīng)，針對(duì)一網(wǎng)殼縮尺模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)。采用柴油油池火作為火源，考慮不同的火源功率、火源位置和通風(fēng)條件，設(shè)計(jì)了8個(gè)受火場(chǎng)景。在結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)前，進(jìn)行了兩次柴油燃燒特性試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典
摘要:為研究鋁合金板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在實(shí)際火災(zāi)下的響應(yīng)，針對(duì)一網(wǎng)殼縮尺模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)。采用柴油油池火作為火源，考慮不同的火源功率、火源位置和通風(fēng)條件，設(shè)計(jì)了8個(gè)受火場(chǎng)景。在結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)前，進(jìn)行了兩次柴油燃燒特性試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典羽流模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)結(jié)果表明:空間溫度場(chǎng)在大空間火災(zāi)下分布不均勻，且火源位置和火源功率對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布具有較大影響;在各受火場(chǎng)景中，大功率火源位于結(jié)構(gòu)角部且通風(fēng)條件不佳時(shí)為最不利火災(zāi)場(chǎng)景;在該火災(zāi)場(chǎng)景下，所測(cè)得的最高空氣溫度為128℃，而桿件和節(jié)點(diǎn)板的最高實(shí)測(cè)溫度分別為92℃和84℃;在所有結(jié)構(gòu)模型受火試驗(yàn)過(guò)程中，均發(fā)現(xiàn)網(wǎng)殼發(fā)生起拱變形，但試驗(yàn)結(jié)束后變形可恢復(fù)，且未觀測(cè)到其他破壞現(xiàn)象。對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的熱膨脹變形可能提升其穩(wěn)定承載力，因此在設(shè)計(jì)時(shí)建議分別基于有熱膨脹變形和無(wú)熱膨脹變形的結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定承載力分析，并取兩者結(jié)果中的較小值作為結(jié)構(gòu)火災(zāi)下承載力的設(shè)計(jì)值。
關(guān)鍵詞:鋁合金網(wǎng)殼;板式節(jié)點(diǎn);受火試驗(yàn);火災(zāi)響應(yīng)
0引言
鋁合金材料在高溫下的力學(xué)性能較差[1-4]，考慮到鋁合金結(jié)構(gòu)常用作重要公共建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)，因此非常有必要對(duì)鋁合金網(wǎng)殼在實(shí)際火災(zāi)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行研究。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)抗火性能的研究仍停留在結(jié)構(gòu)部件的高溫性能層面。Guo等[5]進(jìn)行了鋁合金板式節(jié)點(diǎn)在高溫下的受彎承載性能試驗(yàn)，建立了有限元模型并進(jìn)行了參數(shù)分析，提出了高溫下鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的平面外彎曲剛度模型和承載力計(jì)算式。
Suzuki等[6]考慮不同的截面類型、形狀系數(shù)和隔熱層厚度等參數(shù)，進(jìn)行了火災(zāi)下鋁合金構(gòu)件的軸心受壓試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果提出了鋁合金構(gòu)件臨界溫度的計(jì)算方法。Maljaars等[7-9]對(duì)火災(zāi)下工字形和方管鋁合金軸壓構(gòu)件的整體和局部屈曲性能進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元分析，提出了確定幾何缺陷和殘余應(yīng)力的方法。
韓川[10]進(jìn)行了113個(gè)鋁合金方管和圓管構(gòu)件在高溫下的偏壓承載性能試驗(yàn)，黃瑋嘉[11]在其基礎(chǔ)上考慮不同溫度點(diǎn)、截面形狀和長(zhǎng)細(xì)比等參數(shù)進(jìn)行了大量數(shù)值分析，提出了高溫下鋁合金偏壓構(gòu)件彎曲穩(wěn)定承載力的計(jì)算方法。隨后，Zhu等[12]完成了14個(gè)國(guó)產(chǎn)6063-T5鋁合金偏壓構(gòu)件在高溫下的彎扭穩(wěn)定承載性能試驗(yàn)，并基于大量參數(shù)分析提出了高溫下鋁合金偏壓構(gòu)件平面外彎扭穩(wěn)定承載力的計(jì)算方法。
盡管針對(duì)鋁合金單層網(wǎng)殼常溫下承載性能的研究成果較為豐富[13-15]，但對(duì)其抗火性能的研究和試驗(yàn)有待深入。為此，本文中針對(duì)一鋁合金板式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼的縮尺模型，考慮不同的火源功率、火源位置和通風(fēng)條件，設(shè)計(jì)8種非破壞性受火工況。在結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)前進(jìn)行火源燃燒特性試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典羽流模型進(jìn)行對(duì)比，給出8種工況下的結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)結(jié)果及分析，以期為鋁合金結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的受力性能研究提供參考。
1試驗(yàn)概況
1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
考慮大空間建筑的實(shí)際尺寸，原型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸為直徑40m，矢高2.5m，結(jié)構(gòu)總高度18.5m。為了保證縮尺模型具有足夠的相似性和精度，幾何相似常數(shù)SL確定為0.2[16]。實(shí)際試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀射X合金球面網(wǎng)殼(外覆防火布和陶瓷纖維布)和下部支承結(jié)構(gòu)組成，球面網(wǎng)殼跨度L為8m，矢高f為0.5m，與下部支承結(jié)構(gòu)采用固定鉸連接。鋁合金球面網(wǎng)殼模型為5環(huán)K6型網(wǎng)殼，節(jié)點(diǎn)采用板式節(jié)點(diǎn)。
結(jié)構(gòu)細(xì)部尺寸的設(shè)計(jì)亦考慮了幾何相似常數(shù)，其中桿件均為工字形截面，規(guī)格為H100×50×4×4，長(zhǎng)度為715～1000mm;節(jié)點(diǎn)板厚度均為5mm，拱度為3mm，半徑為100～110mm。每根桿件端部上、下翼緣分別配置6個(gè)M6不銹鋼螺栓與節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行連接，螺孔直徑均為6.5mm。節(jié)點(diǎn)板和桿件均采用國(guó)產(chǎn)6063-T5鋁合金，其彈性模量E為65364MPa，名義屈服強(qiáng)度f(wàn)0.2為177.4MPa，抗拉強(qiáng)度為fu為206.8MPa。6063-T5鋁合金材料的彈性模量和名義屈服強(qiáng)度的高溫折減系數(shù)k的標(biāo)準(zhǔn)值。螺栓采用奧氏體不銹鋼，牌號(hào)為A2-70。
1.2火源設(shè)計(jì)
考慮到柴油油池火的燃燒速率較為穩(wěn)定，且其燃燒過(guò)程符合實(shí)際火災(zāi)過(guò)程的3個(gè)階段(初期增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定燃燒階段和減弱階段)[19]，本試驗(yàn)中采用柴油作為火源。參考CECS:200—2006《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》[20]中給出的不同建筑類型下火源功率的建議值，結(jié)合鋁合金空間結(jié)構(gòu)的實(shí)際功能，選取無(wú)噴淋的公共場(chǎng)所(8MW，中功率)和無(wú)噴淋的超市、倉(cāng)庫(kù)(20MW，大功率)作為結(jié)構(gòu)火災(zāi)場(chǎng)景。
根據(jù)火源縮尺準(zhǔn)則[21-23]，本次試驗(yàn)的火源功率相似常數(shù)為SQ=S2.5L=0.0179。由此，對(duì)應(yīng)中功率火災(zāi)的火源功率Qm=143.11kW，對(duì)應(yīng)大功率火災(zāi)的火源功率Qh=357.77kW。根據(jù)易亮等[24]的研究結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，中功率火源的面積Am≈0.25m2，采用1個(gè)邊長(zhǎng)為0.5m的正方形油盤(pán);大功率火源的面積Ah≈0.49m2，可采用1個(gè)邊長(zhǎng)為0.7m的正方形油盤(pán)。考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?duì)稱性，在2個(gè)位置放置火源進(jìn)行受火試驗(yàn)。其中，火源位置1位于模型正下方位置，火源位置2位于模型角部位置。
1.3堆載方案為了模擬結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，在試驗(yàn)前用鐵砂在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行堆載。DG-TJ-08-95—2020《鋁合金格構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[25]中規(guī)定，火災(zāi)作用下鋁合金格構(gòu)結(jié)構(gòu)耐火承載力極限狀態(tài)的最不利荷載(作用)效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值應(yīng)按式(3)、(4)的最不利值確定。
1.4受火試驗(yàn)方案所進(jìn)行的受火試驗(yàn)包括2次油盤(pán)燃燒特性試驗(yàn)(工況0-1、工況0-2)和8次結(jié)構(gòu)非破壞性受火試驗(yàn)(工況1～8)。
1.4.1油盤(pán)燃燒特性試驗(yàn)侯龍飛等[27]的研究表明風(fēng)會(huì)對(duì)火源燃燒產(chǎn)生較大影響。因此在結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)前，分別在不同風(fēng)速下進(jìn)行了2次油盤(pán)燃燒特性試驗(yàn)(工況0-1、0-2)。其中，工況0-1在自然風(fēng)(約1級(jí))下進(jìn)行;工況0-2在近似無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行，并在油盤(pán)周?chē)O(shè)置了擋風(fēng)障礙物以隔絕風(fēng)的影響。
在試驗(yàn)前，采用手持式風(fēng)速儀測(cè)定風(fēng)速，并待風(fēng)速在1min內(nèi)趨于穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始試驗(yàn);在試驗(yàn)過(guò)程中，采用手持式風(fēng)速儀在距火源3m處持續(xù)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄。通過(guò)該試驗(yàn)可獲得火源中心線空氣溫度，從而對(duì)經(jīng)典火焰羽流模型進(jìn)行驗(yàn)證，并為后續(xù)結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)提供基礎(chǔ)和參考;同時(shí)，可得到風(fēng)速對(duì)火焰發(fā)展的影響。油盤(pán)燃燒特性試驗(yàn)裝置由油盤(pán)、燃料、支架、熱電偶樹(shù)和標(biāo)尺組成。通過(guò)在熱電偶樹(shù)懸掛K型熱電偶(編號(hào)形式為“F+高度”)，以測(cè)量火源正上方空氣溫度。標(biāo)尺上每250mm焊有長(zhǎng)短不一的鋼筋段，以測(cè)量火焰高度。
1.5測(cè)點(diǎn)布置
為了研究火災(zāi)下空間溫度場(chǎng)的分布、構(gòu)件溫升及鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在實(shí)際火災(zāi)下的響應(yīng)，測(cè)點(diǎn)類型包括溫度測(cè)點(diǎn)和位移測(cè)點(diǎn)。1)溫度測(cè)點(diǎn)。為了測(cè)量模型內(nèi)部的空氣溫度，在①、④軸線所在平面上布置了15個(gè)偶絲直徑為3mm的熱電偶，各測(cè)點(diǎn)位于距離構(gòu)件或墻體表面50mm處。
2油盤(pán)燃燒特性試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1試驗(yàn)現(xiàn)象
工況0-1和工況0-2的試驗(yàn)現(xiàn)象較為相似，可分為以下4個(gè)階段:1)第一階段為引燃階段。將點(diǎn)燃的木棍放置于油盤(pán)角部以點(diǎn)燃油盤(pán)。當(dāng)燃料被點(diǎn)燃時(shí)，迅速移開(kāi)木棍，隨后火焰逐漸蔓延到整個(gè)油盤(pán)表面。該階段持續(xù)時(shí)間較短，火焰微弱，伴有少許煙氣。
2)第二階段為初期增長(zhǎng)階段。在該階段，整個(gè)油盤(pán)表面的燃料均開(kāi)始燃燒，且火焰高度、煙氣濃度和釋放速率均迅速增長(zhǎng)。3)第三階段為穩(wěn)定燃燒階段。在該階段，火源的熱釋放速率已達(dá)峰值，并充分燃燒一段時(shí)間。此時(shí)，火焰高度在峰值附近波動(dòng)，且煙氣濃度和釋放速率達(dá)到峰值。4)第四階段為衰減階段。在該階段，大部分燃料消耗殆盡，火勢(shì)開(kāi)始迅速衰減。此時(shí)，火焰高度、煙氣濃度和釋放速率都迅速下降。工況0-1和工況0-2各階段試驗(yàn)過(guò)程的記錄見(jiàn)圖12;表3為各階段的詳細(xì)試驗(yàn)現(xiàn)象，其中T0為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)得的環(huán)境溫度。風(fēng)對(duì)油盤(pán)的燃燒起到了干擾作用。
3結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1試驗(yàn)現(xiàn)象
結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)的過(guò)程與油盤(pán)燃燒特性試驗(yàn)類似，可分為引燃階段、初期增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定燃燒階段和衰減階段等4個(gè)階段。由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，煙氣會(huì)在室內(nèi)空間上部積聚，因此還給出了工況1～8各階段的煙氣分布范圍。在8次結(jié)構(gòu)受火試驗(yàn)過(guò)程中，鋁合金網(wǎng)殼未發(fā)生永久變形、斷裂或熔化等破壞，給出了工況1～8的燃燒總時(shí)長(zhǎng)tt和穩(wěn)定燃燒階段的煙氣層厚度R。
工況1～6的燃燒持續(xù)時(shí)間比較接近(483～667s)，而在模型角部進(jìn)行的大功率受火工況7和工況8，其持續(xù)時(shí)間相差較大，分別為1396s和245s。這是由于工況7的通風(fēng)條件較差，大量煙氣在室內(nèi)頂部聚集，導(dǎo)致室內(nèi)氧氣濃度逐漸減少，燃料無(wú)法充分燃燒。而工況8通風(fēng)條件更佳，且火源位于距離窗洞更近的角部，充足的空氣交換導(dǎo)致試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間更短。因此，火源位置和通風(fēng)條件會(huì)對(duì)大功率火源的燃燒產(chǎn)生較大影響。
鋁合金論文范例：鋁合金缸體壓鑄工藝探討
4結(jié)論
1)8次鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型受火工況后，鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)均未發(fā)生如永久變形、斷裂或熔化等破壞。2)空氣和結(jié)構(gòu)部件的溫度峰值隨火源功率增大而增大，且隨其與火源之間的水平距離的增大而減小。3)所有結(jié)構(gòu)受火工況中，鋁合金結(jié)構(gòu)部件的最高溫度出現(xiàn)于工況7，此時(shí)大功率火源位于模型角部，且通風(fēng)條件較差�？諝鈱�(shí)測(cè)最高溫度為128℃，桿件和節(jié)點(diǎn)板實(shí)測(cè)最高溫度分別為92℃和84℃。
4)通風(fēng)條件會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。通風(fēng)條件較好時(shí)，大部分煙氣可以從最近的洞口排出，同時(shí)室內(nèi)可以補(bǔ)充足夠的氧氣供火源充分燃燒，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間較短(即加熱時(shí)間較短);而通風(fēng)條件較差時(shí)，室內(nèi)頂部煙氣大量聚積，且氧氣濃度逐漸減少，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(即加熱時(shí)間較長(zhǎng))。5)實(shí)際火災(zāi)工況下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)部件溫度未超過(guò)100℃，且網(wǎng)殼在豎向荷載和溫度作用下出現(xiàn)起拱。6)熱膨脹導(dǎo)致的起拱變形可提高結(jié)構(gòu)剛度和非線性穩(wěn)定承載力。鋁合金結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮有熱膨脹和無(wú)熱膨脹兩種情況，并取二者較不利結(jié)果作為設(shè)計(jì)值。
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作者：郭小農(nóng)，陳晨，朱劭駿，蔣首超
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