基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法，包括步驟：一、設(shè)計參數(shù)確定；二、熱釋放速率測量；三、煙羽流上升到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火保護(hù)層外表面的溫度計算：301.熱釋放速率修正；302.火源位置處溫度計算；303.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火保護(hù)層外表面溫度計算；四、試驗截面-材料綜合系數(shù)計算；五、實際截面-材料綜合系數(shù)計算：根據(jù)相似關(guān)系計算實際截面-材料綜合系數(shù)α′t；六、鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)層設(shè)計最小厚度確定。本發(fā)明方法步驟簡單、設(shè)計合理且實現(xiàn)方便、使用效果好，能解決現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度計算方法存在的計算步驟多、計算時間長、不可避免會產(chǎn)生迭代誤差、不能真實反映實際火災(zāi)對鋼結(jié)構(gòu)耐火能力的影響等問題。
【專利說明】基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種基于火災(zāi)熱釋放速率 測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋼材屬于不燃燒材料，但在火災(zāi)條件下，裸露的鋼結(jié)構(gòu)溫度大于550°C后強度很 小，會在十幾分鐘內(nèi)發(fā)生倒塌破壞。建筑用鋼材可分為鋼結(jié)構(gòu)用鋼材（各種型材、鋼板） 和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼材兩類，上述兩類建筑用鋼材的應(yīng)用普遍，它們最基本的耐火要求 是鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)層（也稱為耐火保護(hù)層）的厚度和結(jié)構(gòu)尺寸?，F(xiàn)有計算防火保護(hù)層厚 度的方法是根據(jù)時間一溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線耐火試驗中鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱微分方程進(jìn)行迭代求解，即在 耐火試驗爐內(nèi)，對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行耐火試驗，由此建立導(dǎo)熱微分方程，再求解耐火保護(hù)層厚 度。應(yīng)用導(dǎo)熱微分方程的差分形式進(jìn)行迭代求解時，給定耐火時間和鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度，通過 計算機迭代解出截面_材料綜合系數(shù)，再選定防火保護(hù)材料（導(dǎo)熱系數(shù)），根據(jù)截面系數(shù)， 求出所需保護(hù)層厚度。實際迭代計算時，采用上述時間一溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線的耐火試驗中鋼結(jié) 構(gòu)導(dǎo)熱微分方程的差分形式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法，其特征在于該方法包括 以下步驟： 步驟一、設(shè)計參數(shù)確定：根據(jù)需進(jìn)行防火保護(hù)設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處建筑物的設(shè)計耐 火等級，對所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限η進(jìn)行確定；并結(jié)合所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在所處建筑物 內(nèi)的布設(shè)位置，對所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件高出其下方火源位置的高度ζ進(jìn)行確定；其中，η的單位 為h, ζ的單位為m ; 步驟二、熱釋放速率測量：采用ISO 9705標(biāo)準(zhǔn)房間熱釋放速率測試系統(tǒng)，在ISO 9705 標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗房間內(nèi)對木材堆垛進(jìn)行熱釋放速率測量試驗，試驗過程中對1?和X (O2)進(jìn)行 實時測試，并根據(jù)公式
（3)，計算得出試驗過程中各 時刻的熱釋放速率Q(t);式（3)中，!^為測試得出的試驗過程中各時刻所產(chǎn)生煙氣的質(zhì)量 流量且其單位為kg/s，Xtl(O2)為測試得出的木材堆垛燃燒前空氣中氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)，X(O 2) 為測試得出的試驗過程中各時刻空氣中氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)； 步驟三、煙羽流上升到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火保護(hù)層外表面的溫度計算，過程如下： 步驟301、熱釋放速率修正：根據(jù)步驟二中熱釋放速率測量試驗中的實際熱量釋放狀 況，對式（3)進(jìn)行修正，并獲得修正后的熱釋放速率Qe(t);其中，Q(t)為步驟二中計算得出 的試驗熱釋放速率，QJt)為實際熱釋放速率； 步驟302、火源位置處溫度計算：結(jié)合步驟301中修正后的熱釋放速率Qe(t)，并根據(jù)公 式：
（5)，計算得出燃燒后火源位置處各時刻的溫度TtlU)，式（5)中m為 步驟二中所述木材堆垛的質(zhì)量且其單位為kg，T(O)為木材堆垛燃燒前周圍空氣的絕對溫 度且其單位為K ; 步驟303、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火保護(hù)層外表面溫度計算：根據(jù)步驟一中所確定的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu) 件高出其下方火源位置的高度z，并結(jié)合步驟301中修正后的熱釋放速率Qe(t)和步驟302 中計算得出的燃燒后火源位置處各時刻的溫度T tl (t)，計算得出各時刻火源位置處所產(chǎn)生 煙羽流上升到鋼結(jié)構(gòu)表面的溫度T' (t);其中，T' (t)為各時刻鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火保護(hù)層的 外表面溫度，且T' (t)為各時刻火源位置處所產(chǎn)生的煙羽流在高度ζ處的中心線溫度； 步驟四、試驗截面-材料綜合系數(shù)計算：根據(jù)公式
（7)，計算得出燃 燒后各時刻的試驗截面-材料綜合系數(shù)a t ;式（7)中c為常數(shù)且c = 0. 0076?0. 0097, Cs 為步驟一中所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的比熱容且其單位為J/kg ·?，P s為所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的密度且 其單位為kg/m3 ;Ts(t)和T(t)分別為按時間一溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線對所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行耐火試 驗時所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外表面溫度和所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火保護(hù)層的外表面溫度，T s(t)和 T(t)的單位均為°C ; 步驟五、實際截面-材料綜合系數(shù)計算：結(jié)合步驟303中計算得出溫度T' (t)和步驟 四中計算得出的試驗截面-材料綜合系數(shù)at，并根據(jù)公另
（8)，計算得出燃燒后 各時刻的實際截面-材料綜合系數(shù)a' t，其中
步驟六、鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)層設(shè)計最小厚度確定：結(jié)合步驟一中所確定的鋼結(jié)構(gòu)的耐火 極限n，并根據(jù)式（9)計算得出當(dāng)t = n時的實際截面-材料綜合系數(shù)α ' n;之后，根據(jù)公 式
（1〇)，計算得出鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)層的設(shè)計最小厚度D' ";式（10)中，λ為步 驟一中所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防火保護(hù)層所采用防火保護(hù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，F(xiàn)為所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu) 件單位長度上防火保護(hù)層的內(nèi)表面面積且其單位為m2/m，V為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件單位長度的體積 且其單位為 m3/m。
2. 按照權(quán)利要求1所述的基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法，其 特征在于：步驟一中對所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限η進(jìn)行確定時，對所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件按時 間一溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行耐火試驗，測試得出耐火極限η。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法， 其特征在于：步驟一中所述火源位置為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處建筑物內(nèi)易出現(xiàn)火源的位置。
4. 按照權(quán)利要求3所述的基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法，其特 征在于：步驟一中對所述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件高出其下方火源位置的高度ζ進(jìn)行確定時，根據(jù)同類 建筑物中易出現(xiàn)火災(zāi)的火源類型、位置和火災(zāi)狀況進(jìn)行確定，所述實際火災(zāi)狀況為所述火 源位置處易出現(xiàn)的火災(zāi)狀況。
5. 按照權(quán)利要求1或2所述的基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法， 其特征在于：步驟301中根據(jù)步驟二中熱釋放速率測量試驗中的實際熱量釋放狀況，對式 ⑶進(jìn)行修正時,根據(jù)公式β.(0=(卜《Μ卜OweKO⑷進(jìn)行修正； 式（4)中，為步驟二中所述木材堆垛的燃燒效率因子，&為輻射熱損失比例；a為燃 料參與燃燒附加的熱量占燃燒總熱量的比例；其中，所述燃料為步驟二中在ISO 9705標(biāo)準(zhǔn) 火災(zāi)試驗房間內(nèi)對木材堆垛進(jìn)行熱釋放速率測量試驗時引燃木材堆垛所用的燃料，燃料參 與燃燒附加的熱量為所述燃料燃燒過程中所產(chǎn)生的總熱量，燃燒總熱量為所述木材堆垛燃 燒過程中所產(chǎn)生的總熱量與燃料參與燃燒附加的熱量之和。
6. 按照權(quán)利要求5所述的基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法，其特 征在于：步驟二中在ISO 9705標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗房間內(nèi)對木材堆垛進(jìn)行熱釋放速率測量試驗 時，引燃木材堆垛所用的燃料為汽油；式（4)中，a為汽油參與燃燒附加的熱量占燃燒總熱 量的比例。
7. 按照權(quán)利要求5所述的基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法，其特 征在于：Xr = 40%?50%。
8. 按照權(quán)利要求1或2所述的基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法， 其特征在于
9. 按照權(quán)利要求1或2所述的基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計 方法，其特征在于：步驟303中對各時刻火源位置處所產(chǎn)生煙羽流上升到鋼結(jié)構(gòu)表面 的溫度T' (t)進(jìn)行計算時，結(jié)合步驟301中修正后的熱釋放速率Qe(t)，并根據(jù)公式
(6)進(jìn)行計算；式（6)中，Ta為燃燒后距離木材堆垛高 度Z處各時刻周圍空氣的絕對溫度且其單位為K，Cp為所述煙羽流中氣體的定壓比熱且其 單位為kj/kg · K，P a為距離木材堆垛高度Z處周圍空氣的密度且其單位為kg/m3, g為當(dāng) 地重力加速度且其單位為m/s2, t為耐火時間且其單位為min。
10.按照權(quán)利要求1或2所述的基于火災(zāi)熱釋放速率測量的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計方法， 其特征在于：步驟六中對實際截面-材料綜合系數(shù)α ' n進(jìn)行計算時，將當(dāng)t = 60Xn代入 式（9)，計算得出α ' n。
【文檔編號】G01N25/22GK104392139SQ201410728896
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月30日
【發(fā)明者】吳文忠 申請人:西安科技大學(xué)