本文摘要：摘要:为研究铝合金板式节点网壳结构在实际火灾下的响应，针对一网壳缩尺模型进行了结构受火试验。采用柴油油池火作为火源，考虑不同的火源功率、火源位置和通风条件，设计了8个受火场景。在结构受火试验前，进行了两次柴油燃烧特性试验，并将试验结果与经典
摘要:为研究铝合金板式节点网壳结构在实际火灾下的响应，针对一网壳缩尺模型进行了结构受火试验。采用柴油油池火作为火源，考虑不同的火源功率、火源位置和通风条件，设计了8个受火场景。在结构受火试验前，进行了两次柴油燃烧特性试验，并将试验结果与经典羽流模型的预测值进行了对比分析。结构受火试验结果表明:空间温度场在大空间火灾下分布不均匀，且火源位置和火源功率对结构温度场分布具有较大影响;在各受火场景中，大功率火源位于结构角部且通风条件不佳时为最不利火灾场景;在该火灾场景下，所测得的最高空气温度为128℃，而杆件和节点板的最高实测温度分别为92℃和84℃;在所有结构模型受火试验过程中，均发现网壳发生起拱变形，但试验结束后变形可恢复，且未观测到其他破坏现象。对试验过程进行数值模拟，结果表明火灾下结构的热膨胀变形可能提升其稳定承载力，因此在设计时建议分别基于有热膨胀变形和无热膨胀变形的结构进行稳定承载力分析，并取两者结果中的较小值作为结构火灾下承载力的设计值。
关键词:铝合金网壳;板式节点;受火试验;火灾响应
0引言
铝合金材料在高温下的力学性能较差[1-4]，考虑到铝合金结构常用作重要公共建筑的屋盖结构，因此非常有必要对铝合金网壳在实际火灾下的结构响应进行研究。目前，国内外针对铝合金结构抗火性能的研究仍停留在结构部件的高温性能层面。Guo等[5]进行了铝合金板式节点在高温下的受弯承载性能试验，建立了有限元模型并进行了参数分析，提出了高温下铝合金板式节点的平面外弯曲刚度模型和承载力计算式。
Suzuki等[6]考虑不同的截面类型、形状系数和隔热层厚度等参数，进行了火灾下铝合金构件的轴心受压试验，并基于试验结果提出了铝合金构件临界温度的计算方法。Maljaars等[7-9]对火灾下工字形和方管铝合金轴压构件的整体和局部屈曲性能进行了试验和有限元分析，提出了确定几何缺陷和残余应力的方法。
韩川[10]进行了113个铝合金方管和圆管构件在高温下的偏压承载性能试验，黄玮嘉[11]在其基础上考虑不同温度点、截面形状和长细比等参数进行了大量数值分析，提出了高温下铝合金偏压构件弯曲稳定承载力的计算方法。随后，Zhu等[12]完成了14个国产6063-T5铝合金偏压构件在高温下的弯扭稳定承载性能试验，并基于大量参数分析提出了高温下铝合金偏压构件平面外弯扭稳定承载力的计算方法。
尽管针对铝合金单层网壳常温下承载性能的研究成果较为丰富[13-15]，但对其抗火性能的研究和试验有待深入。为此，本文中针对一铝合金板式节点网壳的缩尺模型，考虑不同的火源功率、火源位置和通风条件，设计8种非破坏性受火工况。在结构受火试验前进行火源燃烧特性试验，并将试验结果与经典羽流模型进行对比，给出8种工况下的结构受火试验结果及分析，以期为铝合金结构在火灾下的受力性能研究提供参考。
1试验概况
1.1试验模型
考虑大空间建筑的实际尺寸，原型结构的设计尺寸为直径40m，矢高2.5m，结构总高度18.5m。为了保证缩尺模型具有足够的相似性和精度，几何相似常数SL确定为0.2[16]。实际试验模型由铝合金球面网壳(外覆防火布和陶瓷纤维布)和下部支承结构组成，球面网壳跨度L为8m，矢高f为0.5m，与下部支承结构采用固定铰连接。铝合金球面网壳模型为5环K6型网壳，节点采用板式节点。
结构细部尺寸的设计亦考虑了几何相似常数，其中杆件均为工字形截面，规格为H100×50×4×4，长度为715～1000mm;节点板厚度均为5mm，拱度为3mm，半径为100～110mm。每根杆件端部上、下翼缘分别配置6个M6不锈钢螺栓与节点板进行连接，螺孔直径均为6.5mm。节点板和杆件均采用国产6063-T5铝合金，其弹性模量E为65364MPa，名义屈服强度f0.2为177.4MPa，抗拉强度为fu为206.8MPa。6063-T5铝合金材料的弹性模量和名义屈服强度的高温折减系数k的标准值。螺栓采用奥氏体不锈钢，牌号为A2-70。
1.2火源设计
考虑到柴油油池火的燃烧速率较为稳定，且其燃烧过程符合实际火灾过程的3个阶段(初期增长阶段、稳定燃烧阶段和减弱阶段)[19]，本试验中采用柴油作为火源。参考CECS:200—2006《建筑钢结构防火技术规范》[20]中给出的不同建筑类型下火源功率的建议值，结合铝合金空间结构的实际功能，选取无喷淋的公共场所(8MW，中功率)和无喷淋的超市、仓库(20MW，大功率)作为结构火灾场景。
根据火源缩尺准则[21-23]，本次试验的火源功率相似常数为SQ=S2.5L=0.0179。由此，对应中功率火灾的火源功率Qm=143.11kW，对应大功率火灾的火源功率Qh=357.77kW。根据易亮等[24]的研究结果进行计算，中功率火源的面积Am≈0.25m2，采用1个边长为0.5m的正方形油盘;大功率火源的面积Ah≈0.49m2，可采用1个边长为0.7m的正方形油盘。考虑试验模型的对称性，在2个位置放置火源进行受火试验。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堆载方案为了模拟结构的工作状态，在试验前用铁砂在结构上进行堆载。DG-TJ-08-95—2020《铝合金格构结构技术标准》[25]中规定，火灾作用下铝合金格构结构耐火承载力极限状态的最不利荷载(作用)效应组合设计值应按式(3)、(4)的最不利值确定。
1.4受火试验方案所进行的受火试验包括2次油盘燃烧特性试验(工况0-1、工况0-2)和8次结构非破坏性受火试验(工况1～8)。
1.4.1油盘燃烧特性试验侯龙飞等[27]的研究表明风会对火源燃烧产生较大影响。因此在结构受火试验前，分别在不同风速下进行了2次油盘燃烧特性试验(工况0-1、0-2)。其中，工况0-1在自然风(约1级)下进行;工况0-2在近似无风条件下进行，并在油盘周围设置了挡风障碍物以隔绝风的影响。
在试验前，采用手持式风速仪测定风速，并待风速在1min内趋于稳定时开始试验;在试验过程中，采用手持式风速仪在距火源3m处持续对风速进行监测并记录。通过该试验可获得火源中心线空气温度，从而对经典火焰羽流模型进行验证，并为后续结构受火试验提供基础和参考;同时，可得到风速对火焰发展的影响。油盘燃烧特性试验装置由油盘、燃料、支架、热电偶树和标尺组成。通过在热电偶树悬挂K型热电偶(编号形式为“F+高度”)，以测量火源正上方空气温度。标尺上每250mm焊有长短不一的钢筋段，以测量火焰高度。
1.5测点布置
为了研究火灾下空间温度场的分布、构件温升及铝合金网壳结构在实际火灾下的响应，测点类型包括温度测点和位移测点。1)温度测点。为了测量模型内部的空气温度，在①、④轴线所在平面上布置了15个偶丝直径为3mm的热电偶，各测点位于距离构件或墙体表面50mm处。
2油盘燃烧特性试验结果及分析
2.1试验现象
工况0-1和工况0-2的试验现象较为相似，可分为以下4个阶段:1)第一阶段为引燃阶段。将点燃的木棍放置于油盘角部以点燃油盘。当燃料被点燃时，迅速移开木棍，随后火焰逐渐蔓延到整个油盘表面。该阶段持续时间较短，火焰微弱，伴有少许烟气。
2)第二阶段为初期增长阶段。在该阶段，整个油盘表面的燃料均开始燃烧，且火焰高度、烟气浓度和释放速率均迅速增长。3)第三阶段为稳定燃烧阶段。在该阶段，火源的热释放速率已达峰值，并充分燃烧一段时间。此时，火焰高度在峰值附近波动，且烟气浓度和释放速率达到峰值。4)第四阶段为衰减阶段。在该阶段，大部分燃料消耗殆尽，火势开始迅速衰减。此时，火焰高度、烟气浓度和释放速率都迅速下降。工况0-1和工况0-2各阶段试验过程的记录见图12;表3为各阶段的详细试验现象，其中T0为试验开始时测得的环境温度。风对油盘的燃烧起到了干扰作用。
3结构受火试验结果及分析
3.1试验现象
结构受火试验的过程与油盘燃烧特性试验类似，可分为引燃阶段、初期增长阶段、稳定燃烧阶段和衰减阶段等4个阶段。由于围护结构的存在，烟气会在室内空间上部积聚，因此还给出了工况1～8各阶段的烟气分布范围。在8次结构受火试验过程中，铝合金网壳未发生永久变形、断裂或熔化等破坏，给出了工况1～8的燃烧总时长tt和稳定燃烧阶段的烟气层厚度R。
工况1～6的燃烧持续时间比较接近(483～667s)，而在模型角部进行的大功率受火工况7和工况8，其持续时间相差较大，分别为1396s和245s。这是由于工况7的通风条件较差，大量烟气在室内顶部聚集，导致室内氧气浓度逐渐减少，燃料无法充分燃烧。而工况8通风条件更佳，且火源位于距离窗洞更近的角部，充足的空气交换导致试验持续时间更短。因此，火源位置和通风条件会对大功率火源的燃烧产生较大影响。
铝合金论文范例：铝合金缸体压铸工艺探讨
4结论
1)8次铝合金网壳结构模型受火工况后，铝合金网壳结构均未发生如永久变形、断裂或熔化等破坏。2)空气和结构部件的温度峰值随火源功率增大而增大，且随其与火源之间的水平距离的增大而减小。3)所有结构受火工况中，铝合金结构部件的最高温度出现于工况7，此时大功率火源位于模型角部，且通风条件较差。空气实测最高温度为128℃，杆件和节点板实测最高温度分别为92℃和84℃。
4)通风条件会对结构温度场产生较大影响。通风条件较好时，大部分烟气可以从最近的洞口排出，同时室内可以补充足够的氧气供火源充分燃烧，火灾持续时间较短(即加热时间较短);而通风条件较差时，室内顶部烟气大量聚积，且氧气浓度逐渐减少，火灾持续时间较长(即加热时间较长)。5)实际火灾工况下网壳结构部件温度未超过100℃，且网壳在竖向荷载和温度作用下出现起拱。6)热膨胀导致的起拱变形可提高结构刚度和非线性稳定承载力。铝合金结构的抗火设计应同时考虑有热膨胀和无热膨胀两种情况，并取二者较不利结果作为设计值。
参考文献
[1]MALJAARSJ，TWILTL，FELLINGERJ，etal.Aluminiumstructuresexposedtofireconditions:anoverview[J].Heron，2010，55(2):85-122.
[2]GUOXiaonong，TAOLei，ZHUShaojun，etal.Experimentalinvestigationofmechanicalpropertiesofaluminumalloyathighandlowtemperatures[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering，2020，32(2):06019016.
[3]LIUYu，LIUHongbo，CHENZhihua.Post-firemechanicalpropertiesofaluminumalloy6082-T6[J].ConstructionandBuildingMaterials，2019，196:256-266.
[4]KAUFMANJG.Propertiesofaluminumalloys:tensile，creep，andfatiguedataathighandlowtemperatures[M].WashingtonDC:TheAluminumAssociation，1999.
作者：郭小农，陈晨，朱劭骏，蒋首超
转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/jzlw/26356.html
