Time-dependent variation distribution of fire temperature for concrete hollow thin-walled pier affected by flame fluid
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摘要: 针对火灾场气流与焰域温度空间耦合变化时的结构响应, 通过考虑气流流速及焰围空间和结构物高度的相互作用效应, 建立了焰流场环境火灾模型。采用时间增量迭代的方法计算了焰流场温度, 研究了复合边界控制方程和对流换热与流速之间的相互关系。分析了流场中结构迎流面和侧流面温度分布状态, 研究了混凝土空心薄壁墩的环境火灾场景, 建立了焰流场结构耦合模型, 揭示了焰流效应下混凝土空心薄壁墩三维空间火温时变分布规律。研究结果表明: 火延时间为120min, 流速为3m·s-1时, 近火点温度比其他流速下温度约高100℃, 流速对火源温度呈非线性影响状态; 500℃以上的高温层在混凝土空心薄壁墩迎火面分布深度仅为7cm, 在竖向荷载作用下空心薄壁墩外层迎火面混凝土易产生层剥现象; 迎流面温度远高于侧流面温度, 背火面温度无变化; 稳态低流速场中流速的变化可改变不同温度区域的分布, 并扩大迎火面高温区面积。Abstract: For the structure response of the coupled variation of air current in fire field and flame temperature space, considering the effect of air current speed as well as the interaction effect of flame space and structure height, the surrounding fire model in flame fluid field was created. The temperature of flame fluid field was calculated by using time increment iteration method. The comprehensive boundary control equation and the relation between convection heat exchange and air current speed were studied. The temperature distribution statuses of facing-fluid side and lateral-fluid side in fluid field were analyzed, the surrounding fire scene of concrete hollow thinwalled pier was studied, the coupled model of flame fluid field was proposed, the time-dependent variation distribution law of fire temperature for concrete hollow thin-walled pier affected by flame fluid was revealed. Analysis result indicates that when fire time is 120 min and air current speed is 3 m·s-1, the temperature near fire source is about 100℃ higher than that at other air current speeds, the influence of air current speed on fire source temperature is nonlinear. Thedistribution depth of high temperature layer (higher than 500℃) on facing-fire side is only 7 cm, the outer facing-fire side concrete of hollow thin-walled pier strips easily under vertical load. Temperature on facing-fluid side is much higher than temperature on lateral-fluid side, temperature on far side of fire does not change. The distribution domains of different temperatures can be changed with the variation of air current speed in steady low fluid field, and the high temperature area on facing-fire side can be enlarged.
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0. 引言
桥梁结构火灾与建筑结构火灾的最大区别就在于建筑结构火灾处于封闭空间, 桥梁结构火灾处于开放空间, 受环境影响大, 温度随气流具有不确定性, 因此, 桥梁火灾的环境模型及结构响应状态是值得科学工作者研究的重要课题之一。
近年来, 国内外学者对混凝土结构的抗火状态进行了大量的研究。Garlock等分析了桥梁火灾事件, 提出了桥梁火灾后的评估方法[1]; Kodur等比较了火灾场温升曲线, 提出了钢筋混凝土梁的抗火分析预测模型[2]; Nubissie等研究了木桥在火灾和外部荷载共同作用下的动力行为[3]; Shahid等研究了火灾下钢柱的承受荷载水平与抗火设计因子之间的关系, 分析了静载、活载和钢柱截面尺寸等因素对钢柱火灾反应的贡献[4]; Capua等推导了火灾高温场材料的热力耦合计算方程, 对钢筋混凝土异型截面进行了火灾反应分析[5]; 吴珂等采用热重分析试验与计算流体动力学模拟相结合的方法, 研究了长隧道火灾中沥青路面燃烧的热效应[6]; 欧阳志为采用数值分析的方法, 对足尺预应力混凝土梁板结构响应进行了多参数分析[7]; 蒋首超等进行了钢-混凝土组合楼盖抗火性能的试验研究, 分析了钢-混凝土组合楼盖的破坏特征等力学行为[8]; 陆洲导等对钢筋和混凝土材料的热力学特性进行了大量的试验, 继而确定了高温后混凝土断裂韧度及软化本构曲线[9]; 周勇超等对工程实际的温度梯度进行了测试, 分析了温度骤变对钢-混凝土组合梁产生的力学效应[10]; 钟占荣等研究了有风条件下的山地坡度模型, 并进行了数值计算和试验模拟[11]; 王志春等应用统计软件提出了风速随高度变化的曲线分析模型[12]; 魏东等建立了水幕对火焰辐射影响的数学模型, 通过实体试验和理论分析相结合的方法分析了水幕的隔热率[13]; 石龙等分析了大空间内着火位置对火灾增长的影响, 得到了火灾增长与热释放峰值时间和火灾持续时间之间的关系[14]; 刘文燕等研究了混凝土表面对流换热系数测试方法, 提出了换热系数与风速之间的计算公式[15]; 徐志胜等研究了池火灾模型, 并应用于危险源的安全评价[16]; 张岗等提出了火灾高温下钢筋混凝土梁桥非线性计算方法, 分析了火灾下钢筋混凝土梁桥和预应力宽异薄壁箱梁的高温形变, 对钢筋混凝土梁桥火灾高温进行了安全评价[17-22]。上述研究具有以下特点: 大多对组成结构的材料热力学特性进行了试验测试与研究, 基于标准温升模式的构件温度场研究与足尺模型的试验较多[1-10], 或者仅对火焰的发生形式进行研究, 而未涉及结构性能[11-16]; 在考虑气流影响的环境火灾模型方面的研究较少[17-28]。本文以王竹溪的热力学原理为基础, 综合考虑气流随高度的变化规律和焰围空间的变化特性, 建立了火源温度随焰围空间和气流变化的环境火灾模式, 分析了焰流场混凝土空心薄壁墩的三维空间火温时变分布。
1. 焰流场环境火灾模型
火温场中混凝土质量元的热增量应该由两部分组成, 一部分是相邻质量元通过热传导方式传递至其他质量元的热量
式中: ΔQt为相邻质量元的热增量; Qt为外环境提供给质量元的热量; t为时间; ΔS为面积微元; n为方向向量; Jt为通过面积微元的热量; e为单位向量; ds为面积微分。
在环境火灾模式的计算中作如下假定: 保持流场单向; 火源的焰围空间具有特定形状(锥状焰围空间、椭球状焰围空间)[12-17]; 焰围空间内温升曲线一致; 维持火源的旺盛期。焰围空间的计算方程为
式中: φ(x, y, z, t) 为火源焰围空间形状控制函数; x、y、z为空间坐标; B1、B2、B3为与焰围空间密切相关的参数; Dt为火源的焰围空间, 在水平方向和高度方向取值分别为Dt(x)、Dt(y) 和Dt(z); Ψt为焰围放大系数。
假设火源与结构直接接触, 焰围域内放出的总热量Qt′为
式中: qt为火源的生热率。
2. 焰流场温度计算
焰域空间温度计算方程为[5]
式中: T(t) 为火灾焰域空间温度; A1、A2、A3为热源温升模式控制系数, 分别取345、8、1;T0为结构初始温度。
在时间Δt内的温度计算方程为
式中: i为迭代次数; ΔT为温度增量。
第i次迭代的温变率为
在气流作用下, 混凝土空心薄壁结构的火灾高温场行为会随着气流(因墩的高度不同) 的变化而产生不同的反应[11-16]。结构处于火场迎流面与背流面的温度分布效应是不相同的, 往往迎流面的结构火灾损伤程度较高, 则焰流场的复合边界条件为
式中: Φt为边界热流量函数; β为热场中结构与环境的对流换热系数; Ts为热场中结构表面温度; Ta为热场中环境温度; n为对流指数; ν为混凝土表面的黑度系数, 其值为0.94;δ为Stefan-Boltzman常数, 其值为5.67×10-8W· (m2·K)-1; α为表面吸热系数; ε为热场辐射系数; e为结构表面辐射系数。
环境中空气流速随高度呈指数曲线变化[11], 则
式中: U为流场中随高度变化的空气流速; U0为近地面的空气流速; HU为气流所在高度; C1、C2分别为流速控制系数。
对流换热系数与流速之间的计算式为[15]
式中: f1、f2为流速与对流换热系数之间的换算系数, 其值分别为5.46、6.00。
3. 焰流场结构耦合模型
图 1为混凝土空心薄壁墩流场模型。图 1(a)中火灾发生在某环境气流场, 流场方向与横桥向平行, 墩的前面迎流压, 后面背流压, 墩的顺桥向前后两面为侧流场; 图 1(b)中辐射场受气流压力影响, 使得空心薄壁墩的迎流面温度分布发生变化, 气流在热场的耦合作用下, 在迎流面受热浪上浮影响将沿墩爬升。
图 2为混凝土空心薄壁墩环境火灾场景, 其中火强为火灾场的温升模式或者温升变化形态; Dt(x) 为火源水平直径(横桥向); Dt(z) 为火源竖向直径(沿墩高度方向); L0为墩与火源的水平距离, 取值为0;U为空气流速, 按设计取值; H为混凝土空心薄壁墩的高度, 取值为12.0m;W为混凝土墩的横桥向宽度, 取值为7.0m;B为混凝土墩的顺桥向宽度, 取值为4.0m;H1、H2分别为墩上部和下部实心混凝土厚度, 取值分别为200、100cm; d1、d2分别为混凝土空心薄壁墩的横桥向和顺桥向壁厚度, 取值分别为100、50cm; d3、d4分别为混凝土空心薄壁墩的下倒角尺寸, 取值分别为300、50cm; d5、d6分别为混凝土空心薄壁墩的上倒角尺寸, 取值分别为200、50cm; C为混凝土保护层厚度, 取值为6.0cm。
图 2 混凝土空心薄壁墩环境火灾场景Figure 2. Surrounding fire scene of concrete hollow thin-walled pier图 3(a)为混凝土空心薄壁墩截面尺寸, 图 3(b)为混凝土空心薄壁墩截面钢筋构造。图 3(b)中外层采用Φ20的高强钢筋, 内层采用Φ25的高强钢筋。
图 3 混凝土空心薄壁墩截面尺寸及钢筋构造Figure 3. Section dimension and steel constitution of concrete hollow thin-walled pier图 4为混凝土空心薄壁墩环境火灾场测点设计, 其中在混凝土空心薄壁墩的迎火面共布置8个测点, 测点T1~T5沿混凝土空心薄壁墩迎火面中心线竖向等间距布置, 旨在观测流-固耦合传热系统中的强外热模式温度场沿混凝土空心薄壁墩高度方向的分布, 测点T1、T7、T8沿墩底部横向等间距布置, 旨在观测流-固耦合传热模式下混凝土空心薄壁墩的近焰围域横向温度梯度; 测点T6布置在混凝土保护层处, 旨在观测环境火灾场中混凝土空心薄壁墩迎火面保护层下的钢筋处温度。h0为测点T1至墩底地面的距离; h为各测点之间的距离。
如图 2所示, 假定某混凝土空心薄壁墩发生接触性火灾, 火源燃烧物为多种易燃材料的混合物, 焰围域形状为空间椭球状(式(2)), 域内为标准温升模式, 空气流向朝混凝土空心薄壁墩, 墩采用C50混凝土浇注, 钢筋采用HRB335。焰流场的具体物理参数见表 1, 混凝土和钢筋的热物理参数见表 2[2-22]。
表 1 火灾场模型参数Table 1. Model parameters of fire field
表 2 混凝土和钢筋热工参数Table 2. Thermo parameters of concrete and steel
表 3为混凝土空心薄壁墩环境火灾场工况设计。风速按4个工况设计(在稳定低速气流场中设定气流等级ψ≤3), 分别为FW-1 (U =0, ψ=0)、FW-2 (U=1m·s-1, ψ=1)、FW-3 (U=2m·s-1, ψ=2)、FW-4 (U=3m·s-1, ψ=3)。流速比采用等差数列计算, 其目的是为了明确流速比在匀速增加工况下混凝土空心薄壁墩随环境火延时间的温度分布状况。焰流场结构温度的有限元分析流程包括: 选择热场分析单元, 通过MP定义材料的属性, 输入各个温度状态的混凝土和钢筋热工参数; 建立结构模型, 选择结构迎火面并形成单元组件; 给出焰流场的空间温度, 并计算不同空气流速状态下的对流换热系数。
表 3 焰域流况Table 3. Situation of fire field
4. 时空效应分析
4.1 温度云
图 5为混凝土空心薄壁墩环境火灾场温度分布。由图 5(a)迎火面温度分布云图可知, 在环境火灾作用下, 迎火面温度呈清晰的倒“V”型梯度分布, 墩底部接近焰围面, 受高温场近距离辐射, 温度偏高, 由下至上随着辐射距离的增加, 温度逐渐降低, 靠墩外侧部位受气流影响, 对流系数大, 所以空心薄壁墩外侧温度低于墩的迎火面中间部位的温度。由图 5(b)侧流面温度分布云图可知, 由于墩的横桥向尺寸大, 混凝土为热的不良导体, 500℃以上的高温层在混凝土空心薄壁墩横桥向迎火面分布深度为7cm, 远离此范围, 火灾高温影响小, 甚至无影响, 所以迎流面温度远高于侧流面温度, 背火面温度无变化。由于表层温度过高, 与内部混凝土温度相差较大, 空心薄壁墩在竖向荷载作用下外侧迎火面混凝土易产生层剥现象。
4.2 火温时变分析
根据前述假定, 本文只研究焰围空间的温升阶段, 与标准温升模式类似, 短时间内升温速度快, 当达到一定值后, 温度维持平缓, 为了明确焰流场中的环境温升模式, 取前120min作为火延研究范围。图 6为各测点温度时变分布。由图 6可知, 不同流速下混凝土空心薄壁墩迎火面各测点温度走势相同, 其温度值随火灾时间的延伸呈抛物曲线形式升高, 然而相同时刻不同流速工况下温度值大小各不相同。除测点T6、T8外, 大部分测点升温速度快, 在流速为3m·s-1工况下, 火延时间为120min时, 温度超过800℃, 测点T1的温度可达1 050℃。在流速为2、1、0m·s-1三种工况下温度值相近, 都低于流速为3m·s-1工况下的温度, 以测点T1近火点的温度差值最显著, 约为100℃, 说明流速对迎火面的温度呈非线性影响状态。测点T6位于混凝土保护层下钢筋处, 由于混凝土为热的不良导体, 所以不同流速工况下各测点的温度时程分布值基本相等; 测点T8位于混凝土空心薄壁墩迎火面外壁倒角处, 受稳态低速流场侧流影响, 各种流速工况下此测点温度时程分布值相等, 但小于同一高度处正中间测点T1的温度值, 由此说明, 低流速场中的流速对火源正对面温度有扩散作用, 对侧流面附近范围的温度有降低作用。
图 6 各测点温度时变分布Figure 6. Temperature time-dependent variation distributions at measuring points图 7为不同流速下温度时变分布。由图 7可知, 在流场作用下, 随着火灾高温场时间的延伸, 各测点温度呈现出不同的升高状态。当U为0、1m·s-1, 测点T4的温度逐渐接近测点T3的温度; 当U为2m·s-1, 测点T4的温度时程曲线与测点T3的温度时程曲线重合; 当U为3m·s-1, 测点T5的温度时程曲线向测点T4的温度时程曲线靠拢, 测点T3、T4、T5在火源正对的竖向位置上依次爬高, 但随着流速等级的增加, 3个测点的温度逐渐两两沿墩高靠拢, 说明稳态低流速场中流速可改变不同温度区域的分布, 并扩散高温区面积。
图 7 不同流速下温度时变分布Figure 7. Temperature time-dependent variation distributions at different fluid speeds5. 结语
(1) 基于流热耦合原理, 通过考虑气流流速效应及焰围空间和结构物高度的相互作用效应, 提出了焰域空间的计算假定和方法, 建立了焰流场环境火灾模型; 采用时间增量迭代的方法计算了焰流场温度, 研究了复合边界控制方程, 分析了对流换热与流速之间的相互关系; 通过设计分析流场中结构迎流面和侧流面状态, 研究了混凝土空心薄壁墩的环境火灾场景, 建立了焰流场结构耦合模型, 分析了焰域空间中不同风况下混凝土空心薄壁墩三维空间的温度场时变分布。
(2) 随着流速和火延时间的增加, 近火点的温度差值可达100℃, 说明流速对迎火面的温度呈非线性影响状态; 环境火灾场中, 高温层在混凝土空心薄壁墩横桥向迎火面分布仅有一定厚度范围, 远离此范围, 火灾高温影响小, 甚至无影响, 此状态可导致空心薄壁墩在竖向荷载作用下外侧迎火面混凝土产生层剥现象; 迎流面温度远高于侧流面温度, 背火面温度无变化; 稳态低流速场中的空气流速对火源正对面温度有扩散作用, 对侧流面附近范围的温度有降低作用; 稳态低流速场中空气流速的变化可改变不同温度区域的分布, 并扩大高温区面积。
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图 2 混凝土空心薄壁墩环境火灾场景
Figure 2. Surrounding fire scene of concrete hollow thin-walled pier
图 3 混凝土空心薄壁墩截面尺寸及钢筋构造
Figure 3. Section dimension and steel constitution of concrete hollow thin-walled pier
图 6 各测点温度时变分布
Figure 6. Temperature time-dependent variation distributions at measuring points
图 7 不同流速下温度时变分布
Figure 7. Temperature time-dependent variation distributions at different fluid speeds
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