结构构件耐火隔热性计算模型_王荣辉.pdf

消防理论研究结构构件耐火隔热性计算模型王荣辉，张靖岩，史毅，吕振纲，仝玉，王礼，张泽江（江西省消防总队，江西 南昌 ；住房和城乡建设部防灾研究中心，北京 ；公安部四川消防研究所，四川 都江堰 ）摘要：根据传热学理论，在标准温升曲线条件下，以蛭石防火门为例，建立了防火门背火面温升简化预测模型。将防火门分为门扇和门框两部分，分别确定各部分的导热系数、热阻，通过对防火门背火面建立热平衡公式，建立温升预测模型。与实际测试结果的对比分析表明，预测模型结果误差较小。关键词：结构构件；耐火性能；传热学中图分类号：，文献标志码：文章编号：（）结构构件的耐火性能评价方法，主要应参考各相关建筑设计防火规范中所给出的建筑构件燃烧性能和耐火极限表格中的数据，或根据构件实际情况设计并进行耐火性能试验。耐火性能试验是一种以标准升温方式确定构件耐火性能的方法，是目前最为可靠的方法。目前，国际也针对不同火灾场景采用了一些附加的测试方法，如缓慢升温方法、室外火灾升温方法以及火灾荷载较高的高碳火灾升温方式。这些方法可以结合性能化评估的结果，对不同火灾场景下的构件进行相应的升温条件下的耐火性能判断。但是，耐火性能试验一般规模较大，需要人力物力较多，如果在试验前对耐火性能有一个初步的评价结果，对于检测机构和送检单位来说，都会大大提高试验检测效率。笔者根据传热学理论，在标准温升曲线条件下，以某防火门为例，建立了一个防火门背火面温升简化预测模型，并与实际测试结果进行对比。建立预测模型在模型建立过程中进行一定的假设，条件如下：（）防火门为一维导热；（）炉内对流和辐射传热系数和炉外对流传热系数近似等于 （）；（）无内热源；（）防火门内相同材质是均质的；（）防火门背火面与环境之间的辐射换热是小表面与无限大腔体之间的换热问题，可忽略；（）较厚材料由于在升温过程中需要一定的导热过程，所以导热系数通过积分求平均获得；而较薄材料由于导热较快，导热系数采用瞬态值获得。物理模型耐火炉中的防火门受火模型，见图所示。标准时间温度曲线公式耐火炉中的标准温升曲线符合式（）。（）（）式中：为试验炉内温度平均值，可近似看作防火门受火面温升，；为环境温度，取 ；为试验从开始起进行的时间，。图防火门受火情况 导热系数的确定由于升温过程为非稳态过程，导热系数随温度变化而变化，因此通过查找手册建立导热系数方程，其中碳硅钢的导热系数见式（）。（）（）防火玻璃的导热系数见式（）。（）（）（）膨胀蛭石的导热系数见式（）。（）（）热阻的确定从传热学角度讲，当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导热热阻。对于热流经过的截面积不变的平板，导热热阻为（）。其中：为平板的厚度；为平板垂直于热流方向的截面积；为平板材料的导热系数。能量从炉内经由下列途径传出到环境空气：（）从炉内空气到防火门受火面的自然对流；（）从炉壁到防火门受火面的热辐射；（从防火门受火面到背火面的热传导；（）防火门背火面向环境空气的自然对流；（）防火门背火面向环境空气的热辐射。由此得到热回路，各项热阻如图所示。基金项目：中国建筑科学研究院自筹基金课题“城市工程建设综合防灾减灾技术体系研究”（）消防科学与技术 年月第 卷第期在图中，为炉内空气温度；为炉内对流传热系数；为防火门背火面温度；为热传导及传热方向。防火门的热阻计算方法依据其实际构成确定，见式（）。（）式中：为构成防火门的材料种类。门扇的热阻计算见式（）。（）（）（）门框的热阻计算见式（）。（）（）（）从试验炉腔体到防火门背火面的总热阻包括受火面并联的对流和辐射的等效热阻以及防火门的传导热阻。因而有式（）建立计算模型根据能量守恒定律，热能和机械能进入一个控制体积的速率减去这些能量离开控制体积的速率一定等于这些能量在控制体积中贮存的速率。对防火门背火面来说，达到稳定的状态时，贮存在控制体积中的能量不变，也就是流入的能量等于流出的能量，建立热平衡公式，见式（）式（）。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）建立模型如下：门扇的热平衡关系式见式（）。（）（）（）（）（）（）（）门框的热平衡关系式见式（）。（）（）（）（）（）（）模型的计算求解将各种已知条件带入上述方程中，得到蛭石防火门门扇的热平衡关系式，见式（）。（）（）（）（）（）蛭石防火门门框的热平衡关系式，见式（）。（）（）利用 对上述方程进行计算求解，得到结果见图所示。防火门、防火窗是进行防火分隔的措施之一，要求能隔绝烟火，对防止火灾蔓延、减少火灾损失关系很大。根据我国实际情况，将隔热防火门定为 （丙级）、（乙级）、（甲级）、五级，其对应的耐火隔热性相应为、。根据模型的计算结果，甲乙丙级相应时刻的背火面温度，见表所示。表各种时刻背火面温度时间 蛭石防火门门扇 蛭石防火门门框 ，根据测试要求，试件背火面的平均温升超过试件表面初始平均温度 或背火面任何一点的温升超过该点初始温度 时，则认为试件失去隔热性。由表可以看出，蛭石防火门门扇背火面温度在 时为 ，但计算结果并不是绝对可靠的，还与初始温度有关（该计算模型中采用的是）。案例研究和模型验证图为某厂家的蛭石防火门在耐火试验炉中的耐火测试图，炉温为标准温升曲线，标有数字的各点为热电偶的温度测点，防火门尺寸为 。图蛭石防火门测试点的布置图为蛭石防火门门扇背火面温度实测点与计算值的比较，从图看出两者吻合较好。但 之后差异变大，这是因为随着温度的升高，防火门中水分不断析出，同时防火门出现变形以及烧蚀等现象，由此产生一定的误差。因此，防火门耐火试验中应同时考虑隔热性和完整性的要求，很多防火门达到了隔热性要求，但变形及烧蚀等情况会导致完整性破坏，笔者仅考虑了隔热性，这还远远不够，需要在今后的研究过程中不断完善。图实测与计算结果的比较结论根据图中模型计算结果可见，门扇温度与实测值差别不大。说明对于门扇来说，背火面温度的预测结果是比较可靠的。门上不同点的温度不同，原因之一是接触热阻不同，有时引起的温升差别是很可观的。但这部分的计算过程该模型没有考虑，宜在今后的研究过程中完善。参考文献：李国强，蒋首超，林桂祥钢结构抗火计算与设计北京：中国建筑工业出版社，建筑构件耐火试验方法 （），：（）：（），杨世铭，陶文铨传热学北京：高等教育出版社，防火门 ，（，；，；，）：，消防科学与技术 年月第 卷第期消防理论研究聚氨酯和聚苯乙烯热解前后的结构演变徐磊，韩雪峰，尤飞，胡银，王佳鑫（南京工业大学 城市建设与安全工程学院，江苏 南京 ）摘要：以软质聚氨酯泡沫和聚苯乙烯泡沫颗粒两种典型多孔材料为试验对象，对其孔隙率、孔径分布、表观密度和堆积密度等结构特性参数及表面微观形貌进行了测算和表面扫描电镜（）表征，研究不同热解程度材料结构特性演变与阴燃建立和传播趋势之间的关系。结果表明：软质聚氨酯泡沫结构尺寸更大，整体更为疏松，受热成炭后呈现轮廓清晰的细削骨架，孔隙硕大且畅通，氧气完全自由输运，热量传递更直接，更易建立阴燃、维持传播并实现向明火的转化；相对而言，聚苯乙烯泡沫颗粒孔径较为细小，受热后成炭显著，孔径尺寸减小，空气气流量和氧气容纳量大大减少，不易建立阴燃过程。关键词：阴燃热解程度；微观形貌；结构特性；软质聚氨酯泡沫；聚苯乙烯泡沫中图分类号：，文献标志码：文章编号：（）阴燃是一种没有火焰的缓慢燃烧现象，通常具有产生烟和温度上升等现象，与有焰燃烧的区别是无火焰，它与无焰燃烧的区别是能热分解出可燃气，因此在一定条件下阴燃可转换成有焰燃烧。阴燃多发生在多孔材料内部。实际生活中有两种情况可以发生阴燃：一是自然一体的多孔固体骨架和孔隙间的流体相组成的多相共存空间，如聚氨酯泡沫；二是由可燃介质单元（煤粒、枯叶、木屑等）堆积或聚集形成的类似多孔介质的多孔空间。自然界和生活生产中由阴燃向明火突变并最终引发火灾、造成损失和危害的实例不胜枚举，涉及的常规阴燃物品包括棉织品、布匹、毛巾、烟花残屑、刨花等。另外，煤田櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒、，：作者简介：王荣辉（），男，安徽和县人，江西省消防总队防火部建审处高级工程师，硕士，主要从事建筑工程消防安全管理方面的工作，南昌市西湖区抚生路 号，。收稿日期：森林和粮库等资源性物质也会发生阴燃和火灾。阴燃向明火突变引发的火灾给人们生命和财产安全带来了持续的重大威胁，这主要是由于对阴燃建立及其向明火突变的机理和制约因素的认识十分欠缺，无法发展高效的防控技术。加大对这一成灾关键环节的研究是当务之急。软质聚氨酯（）泡沫和可发性聚苯乙烯（）泡沫颗粒是重要的家居材料和建筑保温板用材，在受火后会发生明显的阴燃建立、传播和向明火突变的过程，造成多起重大火灾。因此，以这两种材料为阴燃研究对象具有代表性。现阶段国内外对阴燃的研究主要集中在可燃多孔材料的阴燃特性、阴燃产物和阴燃模型等三个方面。已有研究中利用多孔材料在微观尺度上理化特性演变（特别是不同热解程度的结构特性）角度反向推演研究阴燃建立和传播的研究较少，具有较大创新空间。笔者对 泡沫和 泡沫颗粒进行不同程度热解前后微观结构特性和形貌的演变进行了理论和试验研究，以探讨阴燃建立与多孔可燃材料微观结构特性和形貌的关系。试验装置与计算方法 表面微观形貌表征将裁切适当的 泡沫和 泡沫材料及其经历不同热解程度后的产物固定在黑色导电胶带上，利用表面扫描电镜（型）进行表面微观形貌（）表征。结构特性参数计算和测试 孔隙率的计算多孔材料的孔隙率是指多孔体中孔隙所占体积与多孔体总体积的比率，计算见式（）。（）（）（）式中：为多孔体的孔隙率；为多孔体中孔隙的体积，；为多孔体的总体积，；为多孔体中致密固体的体积，。应用显微分析法测定两种多孔材料的孔隙率。显微分析法要求多孔材料样品的观察截面要尽量的平整，然后由显微镜观测出截面的总面积和其中包含的孔隙面积，再通过式（）计算孔隙率。（）（）式中：为截面的总面积，；为孔隙面积，。基金项目：国家自然科学基金项目（），