[doc] 火灾温度作用下钢筋砼构件温度场计算方法及应用

[doc] 火灾温度作用下钢筋砼构件温度场计算方法及应用 火灾温度作用下钢筋砼构件温度场计算方 法及应用 火灾温度作用下钢筋砼构件 温度场计算方法及应用 公安…消 摘要:本文在实验研究的基础上,利用热传导微分 方程.建立r火灾温度作用下钢筋砼粱,板.柱温度场 和构件内钢筋温升的计算方法,作者开发了其相应的 适用于火灾结构烧损鉴定的计算系统软件.文中进行 了理论值与实测值的误差分析,论述了其结论和实际 火场应用方法.计算结果的数据速查表的一部分被收 录在《防火手册》_5(P1269--1294)中. //? 娴钢脯柙一Hl印|I,馏T 在火灾过程中受火建筑构件除承受一般工业与民 用建筑结构荷载外,更重要地要承受温度荷载.在火损 鉴定技术中评价建筑结构损伤程度和修复加固设计的 主要依据是火灾后建筑构件的物理力学性能,而此力 学性能的变化主要由温度变化所致,故研究火灾温度 作用下建筑构件内部温度场就显得十分必要.其中包 括构件内不同砼保护层的钢筋温升速率的研究. 本文论述了火灾温度作用下钢筋砼梁,板,柱温度 场和构件内钢筋温升的计算方法,误差分析和实际应 用方法,作者开发了火灾结构烧损鉴定技术中的三套 计算系统软件:《火灾温度作用下钢筋砼粱,板,柱温度 场计算系统》,《火灾温度作用下钢筋砼梁,板,柱内主 筋温升计算系统》,《火灾结构烧损鉴定绘图系统》.在 火损鉴定中,通过火灾现场勘测,推算确定等效火灾温 度和火灾持续时间,输入边界,初始条件,通过计算机 软件计算,即可迅速,准确地得出火灾后钢筋砼梁,板, 柱温度场分布和构件内主筋温度,为钢筋砼结构烧损 鉴定技术提供必要的科学依据. 一 ,钢筋砼楼板横截面温度场计算方法及应用 (一)计算方法 从总体上讲,火场中建筑结构内部温度分布都是 时间和空间的函数,即: 间. 对楼板而言,火从楼板下部作用,一面受热,内部 温度场是时间和板厚方向的函数. 即:T—f(y,)(A) 为丁得到此分布(A),首先需确定板的高温热常 数,及计算板受火表面温度(是时间的函数). 1.钢筋砼楼板的高温热常数 容重:W一2400kg/m. 比热:c一0.20kgcal/kg?? 导热系数:一1.340.001080 导温系数;n一1/(375+1.860)…………对小试件 a一]/(330+1.590)…………对大试件 其中:0为楼板自身温度. 火焰热流体对楼板底(受火面)的综合换热系数 主要与火焰温度有关,也与楼板本身的古水率有关,再 考虑到火焰的热辐射影响,其值见表1. 上导热系数和导温系数a,是在参考文献E23 的基础上,经过试验修正拟台而得.综合换热系数a的 值,是在参考文献[3]的基础上,通过实验验证和考虑 到火焰热辐射影响得来. 2.楼板受火表面温度计算 发生火灾时,火灾荷载燃烧产生的大量热量将全 部为建筑结构四周所吸收.受火建筑结构物就形成随 时间而变化的非稳定对流和辐射综台传热与导热的过 程.板受火表面温度与板自身的介质,板的大小.火焰 温度和火灾持续时间等有关. 根据牛顿对热换热 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ,对楼板有三种热流量传 热过程,如图1所示 0 Y(mm ? Il I 【___ 囝1热流量传热过程简围 一 ,,,衰1?综台换热毒数?!宴!!二: 式中,,,为构件空 问坐标 为火灾持续时 18 一.一 (?) 第一种,火焰热流体传给楼板底面(受火面)的热 流量: Q】一口l(丁了)Ak—— 火焰热流体对楼板底的综合换热系数 (kcal/m?h??),参见表1. —— 楼板放热系数(kcal/m?h?c), 对不稳定的火灾热源有:=? c——比热(kcal,kg??) —— 材料容重(kg/m) 一一 火灾燃烧时间(h) —— 圆周率3.141593 火灾中,在微小的时间内,可认为热流量处于稳定 状态即热流体传给冷流体的总热流密度和以上三种 热流密度相等: q--Q./A=Q2/a--Q3/a………(1.4) 由(1.1),(1.2),(1.3),(1.4)得: n=T8一(,,一了’)/a,………(1.5) 式中:k=1/(1.+以+1/a)为传热系数,它表示当 冷热流体的温差为1?时,在单位时间内通过楼板单位 面积所传递的热量(kcal/m?h??) 3.楼板内部沮度场计算 对于搂板这样简单结构的内部非稳定温度场,可建立 满足导热微分方程及单值条件的数 学分析解. 假设一面受火楼板的长度和 宽度为无限大,其厚度为:y!h,此 时可按半无限大的平板来考虑,如 图2所示 假定板内初始温度均匀,设定 ,,..且在火灾过程中,板只滑板厚 度方向有变化,井假设在火灾某一 瞬间,板底表面(受火表面)温度,,在热变过程中不 变这样,板内温度场是火灾燃烧时间t和板距受火面 距离y的函数,即: 了’一丁(,)………………(1.6) 根据傅里叶导热微分方程: =n……一—a一 (>0,O<<?) 其中,初始条件:T(y,O)一’.………………(18) 边界条件:T(0,1)--T………………(19) 翌一0…………(1-10) 采较分布 Tw 工I(5,15,30,60or90.120rain)Y(mm) 圉2板沮度场计算简圈 l9 Tf? 图A2—1:实验值与理论值的比较 (5.15,306090.120min) 图A4—1:实验值与理论值的比较 (5,15,30,60or90.120min) 试验进行了五次.其中三次小试验,两次大试验, 各次试验的实测温度值和理论计算温度值的比较见图 A11,图A51,图中带符号”×”的点为实测温度 值,平滑曲线为理论曲线.从左到右分别对应火灾持续 时间5,15,30,60,90和120分钟. 从比较图表上看,其整体拟合程度都比较理想. 对小试件来说,最大均方差为l7.最大平均误差为 13,最大点误差为45;对大试件而言,晟大均方差为21, 最大平均误差为16,最大点误差为5o,其整体误差都在 5N以内.达到此拟合程度是比较令人满意的 从比较图A1一l,图A5一l上可以看出,在火灾不 同时刻的实测温度值与理论计算温度值都大体接近, 特别是在火灾初期(30分钟之前)也如此,这主要是由 于采用了高温导热系数和高温导温系数,以及在综合 热换系数Ct中考虑了试件含水率以及火焰热辐射影响 的缘故. (----)结论 1经过以上理论计算分析和实验验证,得到了适 合于火场锕筋砼楼板横截面温度场的计算公式(A1), 该公式直接用于备类火场不同厚度的锕筋砼楼板横截 面温度场的计算(不含空心板). 2O 囝A3—1:实验值与理论值的比较 (5,15.3O,60or90,120rain) 图A5—1:实验值与理论值的比较 (5.15,30.600r90,120rain) 了其各自的内部温度分布 场的一组曲线图(本文中仅列举图l一1及图A一2),在 图中,从左到右,对应火灾持续时间分别为5,15,30, 6O,90,120,150,180,210,240分钟与此同时,并且以火 灾持续时间每5分钟为一间隔,建立了上述六种厚度的 钢筋砼楼扳横截面内点温升速查表,只要确定了火灾 持续时间和火场温度,对照表一查,即可马上得出板横 截面任一部位的温度,运用十分简单迅速. 3.程序软件还可以绘制各种厚度的钢筋砼楼板在 任一火灾时刻的截面温升曲线图和截面等温场全景 图,及计算截面的某点在某时刻的温升值. 4.板愈厚,受火表面温度愈高,内部温度愈高. 围A一1:板粪沮升曲线圈(T~T--T) (5,1530,G0.90,120.1,50180210240rain) 5砼标号对板截面温度场的影响不大. (四)实际应用 该计算公式(A1),可直接用于实际火场钢筋砼楼 板横截面温度场计算,其误差在5以内. 在实际火场应用中.只要将按《火灾温度确定方 法》D确定的火灾持续时间和火灾温度.以及初始条件, 边界条件代入公式(AI),即通过软件计算得出板的横 截面温度场分布如果板厚为60,80,]00,120,140和 160ram之一,那么.其板内温度场分布具体温度值可直 接查钢筋砼楼板横截面内点温升速查表,还可从温升 曲线图和温升等温场图中查寻所需数据 二,钢筋砼柱横截面温度场计算及应用 (--)计算方法 发生火灾时.建筑掏件受火侵袭,此时.构件要承 受两种荷载——建筑结构荷载和温度荷载.而温度荷 载是评定结构受损程度和修复加固设计的重要依据. 从火灾的形成,发展到衰减熄灭,总的火灾持续时 间都比较短,因而受火构件内部温度场分布与火灾持 续时间和掏件空间坐标息息相关 即:r=F(xy,) 式中:-7:,Y,为构件空间坐标;为火灾持续时间. 对钢筋砼柱而言.如果四面受火大致均匀,柱内部 温度场只考虑某一截面即可.由于柱的高度有限.在实 际火场中,其中部横截面温度相对较高,故在此采用柱 的中部横截面来研究.柱横截面温度场是火灾持续时 间和截面坐标的函数 即:了1=F(,Y,,)……………………………() 为了得到此分布(B),首先需要确定钢筋砼柱的高 温热常数,以及计算柱受火表面温度场 圉A一2:板粪沮升曲线圈(T=T--T.) (5,15,30,G09012o150,18O,210,240mln) 1.钢筋砼柱的高温热常数 容重:w一2400kg/m. 比热:C一0.2OkcaI,k?? 导热系数:一1.34—0.001080 导温系数:n一1/(466+0.40)…………对小试件 ?一]/(396+0.380)…………对大试件 日为柱自身温度 火焰热流体对柱表面(受火表面)的综合换热系数 a主要与火焰温度相关,也与柱本身的含水率相关,再 考虑到火焰的熟辐射影响.其值见表2. 2.柱受火表面温度分布 火场中,建筑构件受火侵袭.暴露于大量火焰热气 流之中,火灾荷载燃烧产生的所有热能将全部被建筑 结构四周吸收因而,受火构件就形成随时间而变化的 非稳定对流和辐射综合传热与导热的过程受火表面 温度与柱自身的介质,柱的几何尺寸,火焰温度和火灾 持续时间等有关. 现在假设柱的介质均匀和柱四面受火均匀.那么 任一受火面在相应位置的温度一致.由于柱的中心对 称性,所以仅考虑其横截面的四分之一.并且只分析某 一 受火面的热流量传热过程,如图3所示 根据牛顿对流换热公式.对柱四分之一横截面 OPQR的OP和QR面有两种热流量传热过程 第一种,火焰热流体传给柱受火面OP的热流量: QI=n】(了1F一了1)Akcal/h……(2.1) 第二种,截面OPQR的直接受火面OP传给中心 面QR的热流量: 】 Q2={一(了1一)kcal/h……(2.2) 火焰温度(?)IGo~2oo『4.0【5ool60ol70ol8ool9o0}l0o0【1100l1200 (kca[/m”n.c)l3I45f6l7l8l1012r15l20 此处,OP面有吸热和传热过 QR面只有吸熟过程 式中:A一0P面的面积(m) 丁一火灾中火焰气流量 2l , X(film) 围3柱横截面传热过程 温度(C) noP受火面某点温度(?) 了一QR中心面某点温度(?) 卜柱0R方向的导热系数(kcM/m-h-?) 一 火焰热流体对OP受火面的综台换热系数 (kcal/m”‘h-?),见表2. 火灾中,虽然热流量随时间变化,但在微小的时间 间隔内,可假定热流量处于稳定状态.即热流体传给冷 流体的总热密度和上两种热流密度相等: 口一q/a=Q?/A………”(2.3) 由(2.1),(2.1),(2.3)式推得} 7一T一K(T—Ttd)/(2.4) 式中:K=1/(1/a+d/20,K为传热系数,它表示 当玲热流体的温度为1?时,在单位时间内通过柱单位 面积所传递的热量(keal/m?h??). 公式(2.4)不能直接用于计算柱受火表面的温度, 因为中心面QR上的温度Ta不可知.不过可间接地进 {f动态处理,QR上的温度不是均匀的,因而受火面OP 上的温度是有差异的. 同样地计算受火面PQ上的温度. 3.柱内部温度场分布 火灾中,受火建筑构件要达到稳定温度场,理论上 讲需要经历无限长的时间.故受火构件内部温度场分 布一般按非稳定温度场来处理求解非稳定温度场主 要有三类方法一类是数学分析解,适合于较简单结构 的受火构件.二类是数值解,适合于较复杂结构的受火 构件,目前各国都广泛采用此法,其原因是当今计算机 迅速发展,使其计算速度和精度都相当令人满意三类 是图解法,也适合于较复杂的构件,但精度较低.一些 国家曾在早期采用过. 现采用数值解求解. 一 般假定柱式构件内部温度在纵向方向是一致 的,故只取其横截面作代表.其温度沿横截面高度和宽 度都是变化的,应接二维热传导温度场计算. 22 四面受火柱横截面内部温度T=F(x,y,t)满足二 维热传导方程: 百 0T 一 1[面柏?)+(?面371Jj(z.s) 式中:c一比热;P密度 , 一 x和Y方向的导热系数; 了1柱内部温度{f一时间. 对于四面受火柱来说,kx=ky=,而导温系数a= x/(cP),故由(2.5)得: OTfT.Tl i一【j 结合图4所示的柱四分之一截面OPQR得到柱的 二维热传导方程的边值问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 : 一 璺+詈1山,)EG.0<i【1,’, …………………………………………… (26) T(x,y,0)一了1”,)EG………(27) T(x,,f):g(,Y,f)-(,)EF, 0?f<f,…………方程 (2.6)的显式格式为: 二:.f? 2+ 凸 + 记—azu/z~x=ozxt/zb3,则上式可改写为{ = TL+r_TII+r:T1+rz砖一+ (1—2r_一2r=)Tl…………(2.10) 下? 可证明+rj?{时,差分格式(2.10)是稳定 的. 在第0层上,,,(1?z??一1,1?J?一1)由初始 条件给出,而7G一0,N;一0,)由边界条件给出,从 方程(2.10)可求出7(1?f??一1,1?J?一1),Tb (o.的比较 都与柱本身的温度有关,所以在计算上和编程上都较 复杂一些 (=)柱9点理论值与实测值的误差分析 试验共进行了三次,三次试验各测点的实测温度 值和理论计算温度值的比较见图c一1,c—l 图中带符号”×”的点为实测点实测温度值,平滑 曲线为测点理论温度曲线.图中只显示1,2,3号测 点.从图中可知其误差趋势 从比较分析图表上看,其整体拟合程度都比较理 想.个别测点的实测值与理论计算值之间的温度差异, 这有多方面的原因,其中不排除测点位置在浇注过程 中有偏移,或砼在高温下有膨胀 在误差程度上讲,C比C好.C又比C:好.但总误 差都不大.最大均方差为3O,最大平均误差为25,最大 点误差为74,其整体误差都在8%以内 从比较图C一1,c一1和误差分析表中都可以看 到,在火灾不同时刻的测点实测温度与理论计算温度 都大体接近.特别在火灾初期阶段(30分钟之前)也如 此,这主要是由于采用了高温导热系数和高温导温系 数,以及在综合换热系数中考虑了试件含水率的缘故. 为了用于实际火场中的受火钢筋砼柱的烧损程度 鉴定,特别作了柱中钢筋媪升实验研究,具体内容请参 阅《火灾温度作用下钢筋砼梁,板,柱构件内主筋温升 速率的研究》 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 . (_---)结论 1.经过上述理论计算分析和实验验证.得到了适 合于火场钢筋砼柱横截面温度场的计算方程(B1),此 方程可直接用于各类火场中不同截面大小的钢筋砼柱 的内部温升场计算 了=r_J+r1r,一+r2r,+I+r2E一】一 (1—2r】一2r2)(B1) 式中:Tl—T(i?x,J?y.kAt) rl:a?t/?,=a?t/?y ?x,?y—x,Y方向的步长 ?t时间t方向的步长 钢筋砼柱的导温系数 2.为了便于火场实际应用,钢筋硷柱横截面150 ×150ram,200×200mm,250×250mm.,30O× 300mm,400×400mm,500×500mm为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,通过软 件系统计算,得到了其各自的内部.【升等温场的系 列曲线图(本文仅列举图cl,c2).图中,从上到 下,或从内到外各条等温线的温度对应为从低到高.与 此同时,并且以火灾持续时间每5分钟为间隔,建立 了上述六种横截面的钢筋砼柱的内点温升速查表.只 23 要知道火灾持续时同和拄几何足寸,对照表一查,即可 马上得出柱内部或表面各部位的温升值,运用十分迅 速简单. 图c一1:柱娄温升等温场全景图 图c一2:柱娄温升等温场全景图 3程序软件还可以绘制钢筋砼柱各种横截面在任 一 火灾时刻的温开等温场和全景图,以及计算某点在 某时刻的温升值. 4.砼标号对柱内部温度场的影响不大. 5.从理论上讲,如果柱四面受火强度一样,在纵向 上也不传热,并且桂的自身介质一样且均匀,那么,柱 内部温度场与柱横截面的大小无关.但在实际中,柱的 高度有限,柱的缴向上有传热,不过对柱中心横截面温 度场的影响不是主要的.由柱受火表面温度计算公式 Td--T日一(了1一r,)/n,其中K一1/(1/+d/,D,可 知,柱横截面大.就小,了1也小,而了1了1就大,因 此或(一7”)是大是小要由了1和d确定.从 我们的取值和计算结果看,如果不变,截面大,则表 面温度略大一些,内部距各个受火面相应位置的温度 也略高. 6.如果火灾荷载的大小一定,那么柱横截面越大, 其受火表面温度越低,柱内部温度也越低. (四)实际应用 上述计算方法和公式(B1),可直接运用于实际火 场钢筋砼拄内部温度场计算,其误差范围在?8%以 内= 24 全自动消防给水系统稳压泵 与消防泵的参数匹配 北京义力达通用机械公司符锡理 在用稳压泵对管阿增压稳压的全自动消防给水系 统中,稳压泵和消防泵的参数必须合理匹配才能保证 系统正常工作. 稳压泵的作用是对消防管阿增压稳压使之处于准 备消防状态.一旦发生火灾,动用消火栓或自动喷头工 作,消防泵自动启动投入工作.对于根据管阿压力降自 动启动消防泵的系统,如果稳压压力低于消防所需的 压力,在火灾时动用消火栓或自动喷头工作,消火栓或 自动喷头可能不工作(例如位于高层建筑顶层的消火 栓或自动喷头喷不出水)或不能正常工作(例如因水压 不够,不能达到 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的流量). 当消火栓或自动喷头不工作(不出水),则不会引 起管阿压力降,从而不能自动启动消防泵当消火栓或 自动喷头的出水流量达不到规定值,则管网压力不能 降低到启动消防泵的设定值,消防泵也不能自动启动. 为此,应对稳压泵的流量提出要求:对于消火栓系坑, 稳压泵的流量宜小于一支水枪的流量,即5L/s;对于自 动喷洒系统,稳压泵的流量宜小于一个自动喷头的流 量,即lL,s.如果稳压泵的流量大于上述值,则会延时 消防泵的启动;值得指出,消防泵延时启动,不会严重 影响消防,应当是允许的. 综上所述,为保证自动消防系统正常工作,稳压泵 的扬程应与消防所需扬程相当,其流量,对于消火栓系 统宜小于5L,s,对于自动喷洒系统宜小于1L/s. 在实际火场应用中,只要将按《火灾温度确定方 法》口求出的火灾持续时间和火灾温度,以及相应初始 条件,边界条件等可知参数输入计算机,即可运用公式 (B1),通过系统软件计算出柱的内部温度场分布,以及 绘制出各种温升曲线图和温升等温场图.如果横截面 是上述六种之一,那么,柱内部温度场分布的具体数据 可直接查钢筋砼柱横截面内点温升速查表,也可从温 升曲线图和温升等温场图中查所需数据. 注:等温场图中所标的受火面温度为受火表面的 最高温度,一般是截面的角部.(未完待续)