本文摘要：摘要:為研究鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在實際火災(zāi)下的響應(yīng)，針對一網(wǎng)殼縮尺模型進行了結(jié)構(gòu)受火試驗。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)計了8個受火場景。在結(jié)構(gòu)受火試驗前，進行了兩次柴油燃燒特性試驗，并將試驗結(jié)果與經(jīng)典
摘要:為研究鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在實際火災(zāi)下的響應(yīng)，針對一網(wǎng)殼縮尺模型進行了結(jié)構(gòu)受火試驗。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)計了8個受火場景。在結(jié)構(gòu)受火試驗前，進行了兩次柴油燃燒特性試驗，并將試驗結(jié)果與經(jīng)典羽流模型的預(yù)測值進行了對比分析。結(jié)構(gòu)受火試驗結(jié)果表明:空間溫度場在大空間火災(zāi)下分布不均勻，且火源位置和火源功率對結(jié)構(gòu)溫度場分布具有較大影響;在各受火場景中，大功率火源位于結(jié)構(gòu)角部且通風(fēng)條件不佳時為最不利火災(zāi)場景;在該火災(zāi)場景下，所測得的最高空氣溫度為128℃，而桿件和節(jié)點板的最高實測溫度分別為92℃和84℃;在所有結(jié)構(gòu)模型受火試驗過程中，均發(fā)現(xiàn)網(wǎng)殼發(fā)生起拱變形，但試驗結(jié)束后變形可恢復(fù)，且未觀測到其他破壞現(xiàn)象。對試驗過程進行數(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)計時建議分別基于有熱膨脹變形和無熱膨脹變形的結(jié)構(gòu)進行穩(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)計值。
關(guān)鍵詞:鋁合金網(wǎng)殼;板式節(jié)點;受火試驗;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)，因此非常有必要對鋁合金網(wǎng)殼在實際火災(zāi)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行研究。目前，國內(nèi)外針對鋁合金結(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]進行了鋁合金板式節(jié)點在高溫下的受彎承載性能試驗，建立了有限元模型并進行了參數(shù)分析，提出了高溫下鋁合金板式節(jié)點的平面外彎曲剛度模型和承載力計算式。
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)，進行了火災(zāi)下鋁合金構(gòu)件的軸心受壓試驗，并基于試驗結(jié)果提出了鋁合金構(gòu)件臨界溫度的計算方法。Maljaars等[7-9]對火災(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行了試驗和有限元分析，提出了確定幾何缺陷和殘余應(yīng)力的方法。
韓川[10]進行了113個鋁合金方管和圓管構(gòu)件在高溫下的偏壓承載性能試驗，黃瑋嘉[11]在其基礎(chǔ)上考慮不同溫度點、截面形狀和長細比等參數(shù)進行了大量數(shù)值分析，提出了高溫下鋁合金偏壓構(gòu)件彎曲穩(wěn)定承載力的計算方法。隨后，Zhu等[12]完成了14個國產(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，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)定承載力的計算方法。
盡管針對鋁合金單層網(wǎng)殼常溫下承載性能的研究成果較為豐富[13-15]，但對其抗火性能的研究和試驗有待深入。為此，本文中針對一鋁合金板式節(jié)點網(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8種非破壞性受火工況。在結(jié)構(gòu)受火試驗前進行火源燃燒特性試驗，并將試驗結(jié)果與經(jīng)典羽流模型進行對比，給出8種工況下的結(jié)構(gòu)受火試驗結(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試驗概況
1.1試驗?zāi)Ｐ?/p>
考慮大空間建筑的實際尺寸，原型結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸為直徑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]。實際試驗?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)點采用板式節(jié)點。
結(jié)構(gòu)細部尺寸的設(shè)計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，長度為715～1000mm;節(jié)點板厚度均為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M6不銹鋼螺栓與節(jié)點板進行連接，螺孔直徑均為6.5mm。節(jié)點板和桿件均采用國產(chǎn)6063-T5鋁合金，其彈性模量E為65364MPa，名義屈服強度f0.2為177.4MPa，抗拉強度為fu為206.8MPa。6063-T5鋁合金材料的彈性模量和名義屈服強度的高溫折減系數(shù)k的標(biāo)準(zhǔn)值。螺栓采用奧氏體不銹鋼，牌號為A2-70。
1.2火源設(shè)計
考慮到柴油油池火的燃燒速率較為穩(wěn)定，且其燃燒過程符合實際火災(zāi)過程的3個階段(初期增長階段、穩(wěn)定燃燒階段和減弱階段)[19]，本試驗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)的實際功能，選取無噴淋的公共場所(8MW，中功率)和無噴淋的超市、倉庫(20MW，大功率)作為結(jié)構(gòu)火災(zāi)場景。
根據(jù)火源縮尺準(zhǔn)則[21-23]，本次試驗的火源功率相似常數(shù)為SQ=S2.5L=0.0179。由此，對應(yīng)中功率火災(zāi)的火源功率Qm=143.11kW，對應(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)果進行計算，中功率火源的面積Am≈0.25m2，采用1個邊長為0.5m的正方形油盤;大功率火源的面積Ah≈0.49m2，可采用1個邊長為0.7m的正方形油盤�？紤]試驗?zāi)Ｐ偷膶ΨQ性，在2個位置放置火源進行受火試驗。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)，在試驗前用鐵砂在結(jié)構(gòu)上進行堆載。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)計值應(yīng)按式(3)、(4)的最不利值確定。
1.4受火試驗方案所進行的受火試驗包括2次油盤燃燒特性試驗(工況0-1、工況0-2)和8次結(jié)構(gòu)非破壞性受火試驗(工況1～8)。
1.4.1油盤燃燒特性試驗侯龍飛等[27]的研究表明風(fēng)會對火源燃燒產(chǎn)生較大影響。因此在結(jié)構(gòu)受火試驗前，分別在不同風(fēng)速下進行了2次油盤燃燒特性試驗(工況0-1、0-2)。其中，工況0-1在自然風(fēng)(約1級)下進行;工況0-2在近似無風(fēng)條件下進行，并在油盤周圍設(shè)置了擋風(fēng)障礙物以隔絕風(fēng)的影響。
在試驗前，采用手持式風(fēng)速儀測定風(fēng)速，并待風(fēng)速在1min內(nèi)趨于穩(wěn)定時開始試驗;在試驗過程中，采用手持式風(fēng)速儀在距火源3m處持續(xù)對風(fēng)速進行監(jiān)測并記錄。通過該試驗可獲得火源中心線空氣溫度，從而對經(jīng)典火焰羽流模型進行驗證，并為后續(xù)結(jié)構(gòu)受火試驗提供基礎(chǔ)和參考;同時，可得到風(fēng)速對火焰發(fā)展的影響。油盤燃燒特性試驗裝置由油盤、燃料、支架、熱電偶樹和標(biāo)尺組成。通過在熱電偶樹懸掛K型熱電偶(編號形式為“F+高度”)，以測量火源正上方空氣溫度。標(biāo)尺上每250mm焊有長短不一的鋼筋段，以測量火焰高度。
1.5測點布置
為了研究火災(zāi)下空間溫度場的分布、構(gòu)件溫升及鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在實際火災(zāi)下的響應(yīng)，測點類型包括溫度測點和位移測點。1)溫度測點。為了測量模型內(nèi)部的空氣溫度，在①、④軸線所在平面上布置了15個偶絲直徑為3mm的熱電偶，各測點位于距離構(gòu)件或墻體表面50mm處。
2油盤燃燒特性試驗結(jié)果及分析
2.1試驗現(xiàn)象
工況0-1和工況0-2的試驗現(xiàn)象較為相似，可分為以下4個階段:1)第一階段為引燃階段。將點燃的木棍放置于油盤角部以點燃油盤。當(dāng)燃料被點燃時，迅速移開木棍，隨后火焰逐漸蔓延到整個油盤表面。該階段持續(xù)時間較短，火焰微弱，伴有少許煙氣。
2)第二階段為初期增長階段。在該階段，整個油盤表面的燃料均開始燃燒，且火焰高度、煙氣濃度和釋放速率均迅速增長。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峰值，并充分燃燒一段時間。此時，火焰高度在峰值附近波動，且煙氣濃度和釋放速率達到峰值。4)第四階段為衰減階段。在該階段，大部分燃料消耗殆盡，火勢開始迅速衰減。此時，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各階段試驗過程的記錄見圖12;表3為各階段的詳細試驗現(xiàn)象，其中T0為試驗開始時測得的環(huán)境溫度。風(fēng)對油盤的燃燒起到了干擾作用。
3結(jié)構(gòu)受火試驗結(jié)果及分析
3.1試驗現(xiàn)象
結(jié)構(gòu)受火試驗的過程與油盤燃燒特性試驗類似，可分為引燃階段、初期增長階段、穩(wěn)定燃燒階段和衰減階段等4個階段。由于圍護結(jié)構(gòu)的存在，煙氣會在室內(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)受火試驗過程中，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的燃燒總時長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)時間比較接近(483～667s)，而在模型角部進行的大功率受火工況7和工況8，其持續(xù)時間相差較大，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)致試驗持續(xù)時間更短。因此，火源位置和通風(fēng)條件會對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，此時大功率火源位于模型角部，且通風(fēng)條件較差�？諝鈱崪y最高溫度為128℃，桿件和節(jié)點板實測最高溫度分別為92℃和84℃。
4)通風(fēng)條件會對結(jié)構(gòu)溫度場產(chǎn)生較大影響。通風(fēng)條件較好時，大部分煙氣可以從最近的洞口排出，同時室內(nèi)可以補充足夠的氧氣供火源充分燃燒，火災(zāi)持續(xù)時間較短(即加熱時間較短);而通風(fēng)條件較差時，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)時間較長(即加熱時間較長)。5)實際火災(zāi)工況下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)部件溫度未超過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)計應(yīng)同時考慮有熱膨脹和無熱膨脹兩種情況，并取二者較不利結(jié)果作為設(shè)計值。
參考文獻
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作者：郭小農(nóng)，陳晨，朱劭駿，蔣首超
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