6 温度作用及其效应组合

6.1 室内火灾空气升温

6.1.1 本规范采用的标准升温曲线为国家标准《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978-1999)规定的升温曲线,也是国际标准ISO 834推荐的升温曲线。

6.1.2 标准升温曲线并不一定与实际火灾的升温曲线相同。一次火灾的全过程通常分为初起阶段、全面发展阶段和衰减熄灭阶段。一般来说,火灾的初起阶段不会对建筑结构造成实质性破坏。火灾经过初起阶段一定时间后,房间顶棚下充满烟气,在一定条件下会导致室内绝大部分可燃物起火燃烧,这种现象称为轰燃。轰燃持续时间很短,随后火灾即进入全面发展阶段。轰燃后的火灾对建筑结构会造成不同程度的损伤。研究表明,轰燃后室内温度时间曲线与可燃物种类、数量、分布、房间通风条件和壁面材料的热物理性能等多个因素有关。以轰燃后房间的平均温度-时间关系作为构件的升温曲线进行抗火设计,可以更准确地反映火灾对结构的影响。
    附录B依据轰燃后房间的热平衡方程计算房间的平均温度。选取影响火灾温度的最重要的两个参数火灾荷载与开口因子作为变量,壁面材料的热工参数取用加气混凝土与普通混凝土的平均值。对一般建筑物来说,这是偏于安全的。理论分析表明,轰燃30min以后,壁面材料的热工参数对房间的热平衡影响不大。
    附录B的适用条件为:(1)可燃物主要为一般可燃物,如木材、纸张、棉花、布匹、衣物等,可混有少量塑料或合成材料;(2)火灾房间可燃物大致均匀分布;(3)火焰高度可达到房间顶棚。

6.1.3 不同的开口因子和火灾荷载,具有不同的温度-时间曲线。如果直接以附录A计算曲线作为升温条件计算构件保护层厚度,由于失火房间开口因子和火灾荷载的多变性,只能采用计算机数值解法而不能得到统一的计算公式。使用等效曝火时间te可把千变万化的火灾时保护层厚度的计算统一到标准升温条件下进行计算,同时也考虑了火灾的实际情况。
    当房间内可燃物耗尽时,温度必然下降,所以温度-时间曲线上有一个温度峰值。置于火灾房间内受到保护材料保护的钢构件也必然有一个温度峰值。令这个构件的温度峰值等于构件的临界温度Td,解方程(6.3.1)即可得对应的综合传热系数B。按这个B值设计构件保护层厚度,火灾时构件温度最高只能达到给定的临界温度Td。如果对两个同样的构件,同样的保护材料及厚度(B值相等),第一个构件用实际温度曲线升温,第二个构件用标准升温曲线升温,令第二个构件的温度等于第一个构件的最高温度,在标准升温条件下必然有一个特定的升温持续时刻与之对应,该特定持续时间即为等效曝火时间te。计算过程如图1所示。


图1 等效曝火时间计算示意

    式(6.1.3-1)是按上述方法计算结果回归而得,平均相对误差为1.8%。
    式(6.1.3-2)中系数0.53的取值:在式6.1.3中,Aw是指火灾轰燃后实际通风的面积,h指实际通风面积的高度。假定火灾轰燃后玻璃窗破碎,实际通风面积为窗洞面积的0.6倍,按正方形考虑,其通风面积的高度为0.78倍的窗洞高度, 。详细内容见屈立军的论文“The fire resistance requirements derived from engineering calculation for performance-based fire design of steel structures”(Progress in safety science and technology, Vol Ⅳ,2004: p1235)。
    附录C参考了瑞典、加拿大、日本等国规范和欧洲规范(EN1991-1-2:2002)的火灾荷载取值。