本文摘要：摘要:為研究鋁合金板式節點網殼結構在實際火災下的響應，針對一網殼縮尺模型進行了結構受火試驗。采用柴油油池火作為火源，考慮不同的火源功率、火源位置和通風條件，設計了8個受火場景。在結構受火試驗前，進行了兩次柴油燃燒特性試驗，并將試驗結果與經典
摘要:為研究鋁合金板式節點網殼結構在實際火災下的響應，針對一網殼縮尺模型進行了結構受火試驗。采用柴油油池火作為火源，考慮不同的火源功率、火源位置和通風條件，設計了8個受火場景。在結構受火試驗前，進行了兩次柴油燃燒特性試驗，并將試驗結果與經典羽流模型的預測值進行了對比分析。結構受火試驗結果表明:空間溫度場在大空間火災下分布不均勻，且火源位置和火源功率對結構溫度場分布具有較大影響;在各受火場景中，大功率火源位于結構角部且通風條件不佳時為最不利火災場景;在該火災場景下，所測得的最高空氣溫度為128℃，而桿件和節點板的最高實測溫度分別為92℃和84℃;在所有結構模型受火試驗過程中，均發現網殼發生起拱變形，但試驗結束后變形可恢復，且未觀測到其他破壞現象。對試驗過程進行數值模擬，結果表明火災下結構的熱膨脹變形可能提升其穩定承載力，因此在設計時建議分別基于有熱膨脹變形和無熱膨脹變形的結構進行穩定承載力分析，并取兩者結果中的較小值作為結構火災下承載力的設計值。
關鍵詞:鋁合金網殼;板式節點;受火試驗;火災響應
0引言
鋁合金材料在高溫下的力學性能較差[1-4]，考慮到鋁合金結構常用作重要公共建筑的屋蓋結構，因此非常有必要對鋁合金網殼在實際火災下的結構響應進行研究。目前，國內外針對鋁合金結構抗火性能的研究仍停留在結構部件的高溫性能層面。Guo等[5]進行了鋁合金板式節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分析，提出了高溫下鋁合金板式節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、形狀系數和隔熱層厚度等參數，進行了火災下鋁合金構件的軸心受壓試驗，并基于試驗結果提出了鋁合金構件臨界溫度的計算方法。Maljaars等[7-9]對火災下工字形和方管鋁合金軸壓構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力的方法。
韓川[10]進行了113個鋁合金方管和圓管構件在高溫下的偏壓承載性能試驗，黃瑋嘉[11]在其基礎上考慮不同溫度點、截面形狀和長細比等參數進行了大量數值分析，提出了高溫下鋁合金偏壓構件彎曲穩定承載力的計算方法。隨后，Zhu等[12]完成了14個國產6063-T5鋁合金偏壓構件在高溫下的彎扭穩定承載性能試驗，并基于大量參數分析提出了高溫下鋁合金偏壓構件平面外彎扭穩定承載力的計算方法。
盡管針對鋁合金單層網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點網殼的縮尺模型，考慮不同的火源功率、火源位置和通風條件，設計8種非破壞性受火工況。在結構受火試驗前進行火源燃燒特性試驗，并將試驗結果與經典羽流模型進行對比，給出8種工況下的結構受火試驗結果及分析，以期為鋁合金結構在火災下的受力性能研究提供參考。
1試驗概況
1.1試驗模型
考慮大空間建筑的實際尺寸，原型結構的設計尺寸為直徑40m，矢高2.5m，結構總高度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SL確定為0.2[16]。實際試驗模型由鋁合金球面網殼(外覆防火布和陶瓷纖維布)和下部支承結構組成，球面網殼跨度L為8m，矢高f為0.5m，與下部支承結構采用固定鉸連接。鋁合金球面網殼模型為5環K6型網殼，節點采用板式節點。
結構細部尺寸的設計亦考慮了幾何相似常數，其中桿件均為工字形截面，規格為H100×50×4×4，長度為715～1000mm;節點板厚度均為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不銹鋼螺栓與節點板進行連接，螺孔直徑均為6.5mm。節點板和桿件均采用國產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k的標準值。螺栓采用奧氏體不銹鋼，牌號為A2-70。
1.2火源設計
考慮到柴油油池火的燃燒速率較為穩定，且其燃燒過程符合實際火災過程的3個階段(初期增長階段、穩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《建筑鋼結構防火技術規范》[20]中給出的不同建筑類型下火源功率的建議值，結合鋁合金空間結構的實際功能，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)作為結構火災場景。
根據火源縮尺準則[21-23]，本次試驗的火源功率相似常數為SQ=S2.5L=0.0179。由此，對應中功率火災的火源功率Qm=143.11kW，對應大功率火災的火源功率Qh=357.77kW。根據易亮等[24]的研究結果進行計算，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]試驗模型的對稱性，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構的工作狀態，在試驗前用鐵砂在結構上進行堆載。DG-TJ-08-95—2020《鋁合金格構結構技術標準》[25]中規定，火災作用下鋁合金格構結構耐火承載力極限狀態的最不利荷載(作用)效應組合設計值應按式(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次結構非破壞性受火試驗(工況1～8)。
1.4.1油盤燃燒特性試驗侯龍飛等[27]的研究表明風會對火源燃燒產生較大影響。因此在結構受火試驗前，分別在不同風速下進行了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(約1級)下進行;工況0-2在近似無風條件下進行，并在油盤周圍設置了擋風障礙物以隔絕風的影響。
在試驗前，采用手持式風速儀測定風速，并待風速在1min內趨于穩定時開始試驗;在試驗過程中，采用手持式風速儀在距火源3m處持續對風速進行監測并記錄。通過該試驗可獲得火源中心線空氣溫度，從而對經典火焰羽流模型進行驗證，并為后續結構受火試驗提供基礎和參考;同時，可得到風速對火焰發展的影響。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
為了研究火災下空間溫度場的分布、構件溫升及鋁合金網殼結構在實際火災下的響應，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，各測點位于距離構件或墻體表面50mm處。
2油盤燃燒特性試驗結果及分析
2.1試驗現象
工況0-1和工況0-2的試驗現象較為相似，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象，其中T0為試驗開始時測得的環境溫度。風對油盤的燃燒起到了干擾作用。
3結構受火試驗結果及分析
3.1試驗現象
結構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、穩定燃燒階段和衰減階段等4個階段。由于圍護結構的存在，煙氣會在室內空間上部積聚，因此還給出了工況1～8各階段的煙氣分布范圍。在8次結構受火試驗過程中，鋁合金網殼未發生永久變形、斷裂或熔化等破壞，給出了工況1～8的燃燒總時長tt和穩定燃燒階段的煙氣層厚度R。
工況1～6的燃燒持續時間比較接近(483～667s)，而在模型角部進行的大功率受火工況7和工況8，其持續時間相差較大，分別為1396s和245s。這是由于工況7的通風條件較差，大量煙氣在室內頂部聚集，導致室內氧氣濃度逐漸減少，燃料無法充分燃燒。而工況8通風條件更佳，且火源位于距離窗洞更近的角部，充足的空氣交換導致試驗持續時間更短。因此，火源位置和通風條件會對大功率火源的燃燒產生較大影響。
鋁合金論文范例：鋁合金缸體壓鑄工藝探討
4結論
1)8次鋁合金網殼結構模型受火工況后，鋁合金網殼結構均未發生如永久變形、斷裂或熔化等破壞。2)空氣和結構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)所有結構受火工況中，鋁合金結構部件的最高溫度出現于工況7，此時大功率火源位于模型角部，且通風條件較差�？諝鈱崪y最高溫度為128℃，桿件和節點板實測最高溫度分別為92℃和84℃。
4)通風條件會對結構溫度場產生較大影響。通風條件較好時，大部分煙氣可以從最近的洞口排出，同時室內可以補充足夠的氧氣供火源充分燃燒，火災持續時間較短(即加熱時間較短);而通風條件較差時，室內頂部煙氣大量聚積，且氧氣濃度逐漸減少，火災持續時間較長(即加熱時間較長)。5)實際火災工況下網殼結構部件溫度未超過100℃，且網殼在豎向荷載和溫度作用下出現起拱。6)熱膨脹導致的起拱變形可提高結構剛度和非線性穩定承載力。鋁合金結構的抗火設計應同時考慮有熱膨脹和無熱膨脹兩種情況，并取二者較不利結果作為設計值。
參考文獻
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作者：郭小農，陳晨，朱劭駿，蔣首超
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