新型楼板火灾温度场的试验与模拟

本文针对一种新型楼板，介绍了相应的受火试验与模拟方法。

1. Introduction

引言

远大集团研发的不锈钢芯板是一种超轻超强结构材料，由两块钢板、中间密布薄壁芯管组成，用1083℃无氧铜钎焊焊接成一个牢固整体，空隙填充岩棉隔热隔音，可直接用作建筑的柱、梁、楼板，也可根据建筑设计任意切割。从性能上看，其比同尺寸钢筋混凝土重量轻10倍，强度高3倍，耐腐比碳钢高100倍以上。在疫情期间，利用工厂化不锈钢芯板技术向韩国“出口”了两座“火神山”医院，图1为负压隔离病房。

图1

钢结构不耐火，将不锈钢芯板建筑结构推广应用需要解决其抗火问题，而研究其火灾下温度场分布规律是解决其抗火问题的基础。对于存在空腔的结构而言，结构内部的温度差过大会导致空腔辐射效应增强，但现有研究往往忽视了这部分的影响。我们针对新型的空腔结构，基于ABAQUS软件，模拟了空腔辐射作用。

本研究首先开展楼板受火试验，并使用有限元分析软件ABAQUS，从不锈钢芯板中选取一个周期胞元，建立了考虑芯管内部空腔辐射效应和空气导热的有限元分析模型，这大大降低了模拟难度，提高了模拟效率。

2. Experimental Research

试验研究

2.1 试验设置

对一块不锈钢芯板试件在标准火灾下单面受火时的温度场进行了试验。试件尺寸为700×1100×150mm（L×H×W），面板厚度为1.5mm；芯管直径为51mm，厚度为0.3mm，间距为100×100mm。采用电炉对不锈钢芯板进行加热，炉膛尺寸为800×1200×800mm（L×H×W），单面受火时仅使用一半炉膛。采用陶瓷纤维板制成夹持装置将不锈钢芯板固定在炉膛上，如图2（示意图）、图3（实物图）所示。分别在不锈钢芯板受火面和背火面中心处及对称轴1/4处布置K型热电偶测量受火面和背火面温度，同时，采用红外热像仪观测背火面温度。炉内升温曲线设定为ISO834标准升温曲线。

图2

图3

2.2 试验结果

试验前后受火面变化情况见图4，试验前芯板表面颜色光洁，表面触感光滑；试验后芯板表面颜色局部区域呈褐红色，触感粗糙，其余区域呈青黑色。

图4（左图为试验前，右图为试验后）

试验过程中背火面的变化情况见图5，受火40min时，芯板背火面芯管区域颜色变为焦黄色，岩棉区域颜色基本无变化；受火76min时，芯管区域颜色逐渐加深，岩棉区域颜色逐渐变为焦黄色，两部分区域出现明显的边界；冷却至室温后，背火面已发生氧化，整体呈红褐色，芯管区域颜色更深。

图5（左滑依次为试验前、受火40min、受火76min、冷却后）

由红外热成像仪所得到的背火面温度分布图见图6，背火面芯管内区域温度高于岩棉区域温度，温度分布不均匀。

图6 受火30min时红外热像仪所摄背火面温度分布

试验后芯板夹芯岩棉和芯管见图7，受火面一侧岩棉由于温度较高，发生了熔融塌落，芯管也由于高温作用变黑，芯板边缘由于温度不均匀分布导致的应力而发生翘曲。

图7

炉内升温曲线见图8，受火面及背火面测点温度变化曲线见图9。受炉内温度不均匀的影响，受火面不同测点温度前期有一定差别，后期较为恒定且与炉温越来越接近。

图8

图9

3. Numerical Simulation

模拟研究

不锈钢芯板中含有大量芯管，芯管按一定的间距排列，芯管与芯管之间填充岩棉隔音保温。模型几何参数如图10所示，芯管沿芯板长度和宽度方向的间距分别为l1、l2，面板厚度为t，芯管厚度为δ，内径为d，高度h。有限元模拟时取一个蜂窝胞元建立3D实体传热模型，建模时根据实际的不锈钢芯板尺寸进行确定。胞元由4个部分组成：面板、芯管、岩棉和空气，其热物性参数见表1，其中不锈钢面板和芯管的热物性参数采用欧洲规范EN-1993-1-2-2005推荐值。

图10

表1

芯板内部各个部分之间采用tie接触。芯管内壁和上下面板构成一个三表面闭合空腔，设置空腔辐射，不锈钢表面发射率εs为0.2。根据欧洲规范EN1991-1-2-2002，对于以纤维类物质为主的火灾，火灾升温曲线按照ISO834升温，受火面对流换热系数hc(exposed)取值25W/(m^2·℃)，综合热辐射系数εr(exposed)取0.4，背火面设置综合对流换热系数hc(unexposed)为9W/(m^2·℃)。实验时采用电炉模拟火灾，故模拟时的受火面对流换热系数hc(exposed)取值50W/(m^2·℃)，综合热辐射系数εr(exposed)取0.9，不锈钢表面发射率εs取0.3，背火面综合对流换热系数hc(unexposed)取9W/(m^2·℃)。胞元侧面岩棉则为绝热面，环境温度设为20°C。

4. Model Verified

模型验证

为了验证有限元模型的正确性，按照上述建模方法，从试验试件中选取胞元建模，对试验进行模拟分析。试件几何尺寸如下：面板厚t=1.5mm，芯管间距l1=l2=100mm；芯管直径d=51mm，厚度δ=0.3mm，高度H=150mm。

模拟得到的胞元单面受火76min时的温度场见图11。模拟温度与试验结果对比见图12，背火面和受火面温度模拟与试验吻合较好，说明该模型具有较高的精度。

图11

图12

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