基于火灾热释放速率测量的钢结构防火保护设计方法
【专利摘要】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。
【专利说明】基于火灾热释放速率测量的钢结构防火保护设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钢结构防火保护设计【技术领域】，尤其是涉及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。
【背景技术】
[0002] 钢材属于不燃烧材料，但在火灾条件下，裸露的钢结构温度大于550°C后强度很 小，会在十几分钟内发生倒塌破坏。建筑用钢材可分为钢结构用钢材（各种型材、钢板） 和钢筋混凝土结构用钢材两类，上述两类建筑用钢材的应用普遍，它们最基本的耐火要求 是钢结构防火保护层（也称为耐火保护层）的厚度和结构尺寸。现有计算防火保护层厚 度的方法是根据时间一温度标准曲线耐火试验中钢结构导热微分方程进行迭代求解，即在 耐火试验炉内，对钢结构构件进行耐火试验，由此建立导热微分方程，再求解耐火保护层厚 度。应用导热微分方程的差分形式进行迭代求解时，给定耐火时间和钢结构临界温度，通过 计算机迭代解出截面_材料综合系数，再选定防火保护材料（导热系数），根据截面系数， 求出所需保护层厚度。实际迭代计算时，采用上述时间一温度标准曲线的耐火试验中钢结 构导热微分方程的差分形式为：
【权利要求】
1. 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η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ζ进行确定；其中，η的单位 为h, ζ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1?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，!^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，Xtl(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(O 2) 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Qe(t);其中，Q(t)为步骤二中计算得出 的试验热释放速率，QJt)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Qe(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TtlU)，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(O)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Qe(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T tl (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ζ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a t ;式（7)中c为常数且c = 0. 0076?0. 0097, Cs 为步骤一中所述钢结构构件的比热容且其单位为J/kg ·?，P s为所述钢结构构件的密度且 其单位为kg/m3 ;Ts(t)和T(t)分别为按时间一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°C ; 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at，并根据公另
（8)，计算得出燃烧后 各时刻的实际截面-材料综合系数a' t，其中
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
（1〇)，计算得出钢结构防火保护层的设计最小厚度D' ";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。
2. 按照权利要求1所述的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：步骤一中对所述钢结构构件的耐火极限η进行确定时，对所述钢结构构件按时 间一温度标准曲线进行耐火试验，测试得出耐火极限η。
3. 按照权利要求1或2所述的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：步骤一中所述火源位置为钢结构构件所处建筑物内易出现火源的位置。
4. 按照权利要求3所述的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：步骤一中对所述钢结构构件高出其下方火源位置的高度ζ进行确定时，根据同类 建筑物中易出现火灾的火源类型、位置和火灾状况进行确定，所述实际火灾状况为所述火 源位置处易出现的火灾状况。
5. 按照权利要求1或2所述的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：步骤301中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 ⑶进行修正时,根据公式β.(0=(卜《Μ卜OweKO⑷进行修正； 式（4)中，为步骤二中所述木材堆垛的燃烧效率因子，&为辐射热损失比例；a为燃 料参与燃烧附加的热量占燃烧总热量的比例；其中，所述燃料为步骤二中在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时引燃木材堆垛所用的燃料，燃料参 与燃烧附加的热量为所述燃料燃烧过程中所产生的总热量，燃烧总热量为所述木材堆垛燃 烧过程中所产生的总热量与燃料参与燃烧附加的热量之和。
6. 按照权利要求5所述的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：步骤二中在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 时，引燃木材堆垛所用的燃料为汽油；式（4)中，a为汽油参与燃烧附加的热量占燃烧总热 量的比例。
7. 按照权利要求5所述的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：Xr = 40%?50%。
8. 按照权利要求1或2所述的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
9. 按照权利要求1或2所述的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：步骤303中对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)进行计算时，结合步骤301中修正后的热释放速率Qe(t)，并根据公式
(6)进行计算；式（6)中，Ta为燃烧后距离木材堆垛高 度Z处各时刻周围空气的绝对温度且其单位为K，Cp为所述烟羽流中气体的定压比热且其 单位为kj/kg · K，P a为距离木材堆垛高度Z处周围空气的密度且其单位为kg/m3, g为当 地重力加速度且其单位为m/s2, t为耐火时间且其单位为min。
10.按照权利要求1或2所述的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：步骤六中对实际截面-材料综合系数α ' n进行计算时，将当t = 60Xn代入 式（9)，计算得出α ' n。
【文档编号】G01N25/22GK104392139SQ201410728896
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月30日 优先权日:2014年11月30日
【发明者】吴文忠 申请人:西安科技大学