[发明专利]基于火灾热释放速率测量的钢结构防火保护设计方法

摘要

本发明公开了一种基于火灾热释放速率测量的钢结构防火保护设计方法，包括步骤：一、设计参数确定；二、热释放速率测量；三、烟羽流上升到钢结构构件防火保护层外表面的温度计算：301.热释放速率修正；302.火源位置处温度计算；303.钢结构构件防火保护层外表面温度计算；四、试验截面-材料综合系数计算；五、实际截面-材料综合系数计算：根据相似关系计算实际截面-材料综合系数α′_t；六、钢结构防火保护层设计最小厚度确定。本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能解决现有钢结构保护层厚度计算方法存在的计算步骤多、计算时间长、不可避免会产生迭代误差、不能真实反映实际火灾对钢结构耐火能力的影响等问题。

主权项

一种基于火灾热释放速率测量的钢结构防火保护设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、设计参数确定：根据需进行防火保护设计的钢结构构件所处建筑物的设计耐火等级，对所述钢结构构件的耐火极限n进行确定；并结合所述钢结构构件在所处建筑物内的布设位置，对所述钢结构构件高出其下方火源位置的高度z进行确定；其中，n的单位为h，z的单位为m；步骤二、热释放速率测量：采用ISO 9705标准房间热释放速率测试系统，在ISO 9705标准火灾试验房间内对木材堆垛进行热释放速率测量试验，试验过程中对m_e和X(O₂)进行实时测试，并根据公式(3)，计算得出试验过程中各时刻的热释放速率Q(t)；式(3)中，m_e为测试得出的试验过程中各时刻所产生烟气的质量流量且其单位为kg/s，X⁰(O₂)为测试得出的木材堆垛燃烧前空气中氧气的摩尔分数，X(O₂)为测试得出的试验过程中各时刻空气中氧气的摩尔分数；步骤三、烟羽流上升到钢结构构件防火保护层外表面的温度计算，过程如下：步骤301、热释放速率修正：根据步骤二中热释放速率测量试验中的实际热量释放状况，对式(3)进行修正，并获得修正后的热释放速率Q_c(t)；其中，Q(t)为步骤二中计算得出的试验热释放速率，Q_c(t)为实际热释放速率；步骤302、火源位置处温度计算：结合步骤301中修正后的热释放速率Q_c(t)，并根据公式(5)，计算得出燃烧后火源位置处各时刻的温度T₀(t)，式(5)中m为步骤二中所述木材堆垛的质量且其单位为kg，T(0)为木材堆垛燃烧前周围空气的绝对温度且其单位为K；步骤303、钢结构构件防火保护层外表面温度计算：根据步骤一中所确定的钢结构构件高出其下方火源位置的高度z，并结合步骤301中修正后的热释放速率Q_c(t)和步骤302中计算得出的燃烧后火源位置处各时刻的温度T₀(t)，计算得出各时刻火源位置处所产生烟羽流上升到钢结构表面的温度T′(t)；其中，T′(t)为各时刻钢结构构件防火保护层的外表面温度，且T′(t)为各时刻火源位置处所产生的烟羽流在高度z处的中心线温度；步骤四、试验截面‑材料综合系数计算：根据公式(7)，计算得出燃烧后各时刻的试验截面‑材料综合系数α_t；式(7)中c为常数且c＝0.0076～0.0097，c_s为步骤一中所述钢结构构件的比热容且其单位为J/kg·℃，ρ_s为所述钢结构构件的密度且其单位为kg/m³；T_s(t)和T(t)分别为按时间—温度标准曲线对所述钢结构构件进行耐火试验时所述钢结构构件的外表面温度和所述钢结构构件防火保护层的外表面温度，T_s(t)和T(t)的单位均为℃；步骤五、实际截面‑材料综合系数计算：结合步骤303中计算得出温度T′(t)和步骤四中计算得出的试验截面‑材料综合系数α_t，并根据公式(8)，计算得出燃烧后各时刻的实际截面‑材料综合系数α′_t，其中${\mathrm{\α}}_t^{\′}=\frac{{\mathrm{\α}}_t\·T\left(t\right)}{T^{\′}\left(t\right)}$(9)；步骤六、钢结构防火保护层设计最小厚度确定：结合步骤一中所确定的钢结构的耐火极限n，并根据式(9)计算得出当t＝n时的实际截面‑材料综合系数α′_n；之后，根据公式(10)，计算得出钢结构防火保护层的设计最小厚度D′_n；式(10)中，λ为步骤一中所述钢结构构件的防火保护层所采用防火保护材料的导热系数，F为所述钢结构构件单位长度上防火保护层的内表面面积且其单位为m²/m，V为钢结构构件单位长度的体积且其单位为m³/m。