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火灾中无防护和防护的薄板结构响应
摘要
超薄板系统是现有建筑类型的最新补充，目前正在用于各种建设用途。与传统复合地板相比，超薄楼板的优越性在于其与钢板结合时的易施工性。80年代以来，人们对薄型板的火灾反应进行了大量的实验工作，虽然这些地板具有较好的耐火性，但防火材料包括膨胀型防火涂料常常在需要较高耐火性的情况下使用。人们还进行了防火试验，以分析膨胀涂层在钢元件上用作保护材料的性能。本研究提出了一种有限元分析方法来模拟未经保护和保护的薄板在火灾中的表现。最初，有限元分析已经被用于模拟无保护的超薄地板的热机械行为，并且已获得的结果与所报告的测试数据进行了验证。在中期，将膨胀的涂层应用于钢元件作为防火材料，其热行为已经建模和验证。最后，将所验证的模型结合起来，对膨胀涂层保护的超薄地板进行了热力学分析。结果表明，在60分钟标准火灾暴露后，受保护的超薄楼板具有较高的耐火性，因为钢截面的温度仍然保持在400°C以内。钢中较低的温度导致强度和刚度的降低，因此，受保护的超薄板经受较小的挠度并提供更高的耐火性。
- 概论
超薄板是高层住宅和商业建筑以及停车场的最流行建筑方法之一。这些板的普及归因于相比传统的钢混凝土组合楼板与倒立钢梁，其较浅的深度。这些楼板不仅使板本身的厚度减小，而且还降低了结构的整体高度。这些楼板提供了许多优点，包括减少建筑材料的使用，因为结构高度低，与钢甲板结合时易于施工，成本要求较低，可以通过网孔减少地板深度，并减少在制造过程中产生的碳排放。在这些楼层中的钢梁部分被包裹在板深度内，因此，这些楼层被认为能够提供更高的耐火性，因为钢截面被免于直接暴露于火灾。在超薄板上进行了大量的试验，研究和分析了它们在火灾中的响应。这些包括对不同的火灾条件下的热响应和热机械响应进行的测试。许多试验已经在英国威灵顿消防研究中心（WFRC）与英国钢铁公司合作进行。
本研究的重点是防护和无防护的超薄板在火灾中的响应。在最初，用有限元模型，将两个超薄板组件暴露于ISO-834标准火灾中进行了试验。建模的测试组件与文献中所进行的火灾试验中使用的测试组件相同。然后，根据所报告的测试数据验证有限元分析的预测。在本研究的第二部分中，对一个作为防火材料的钢元件上的膨胀涂层的热响应进行了建模和验证，并与试验数据进行了对比。最后，将所验证的模型结合起来模拟假设保护的超薄板在标准火灾下的响应。假定被保护的超薄板与在测试过程中使用的未保护地板相类似，只是在底部凸缘的暴露表面上添加一层膨胀涂层。保护楼板的有限元模拟采用了类似于在未受保护的组件上进行防火测试时所采用的程度。在这种情况下，受保护的超薄板的响应也被用来预测检查其在这种情况下的响应。在较早的研究中，使用两种不同的建模工具对这种楼板在火灾中的行为进行了分析。早期的研究仅限于它们的热响应，而在这项研究中，利用有限元建模来详细预测无保护和受保护的超薄板的热和热机械响应。
- 实验工作
本研究所采用的实验方法是在前人研究的基础上进行的。在超薄板组件和膨胀涂层上进行的测试的细节如下。
2.1.在超薄板上进行的实验
WFRC与英国钢铁公司合作进行了各种试验，以研究火灾中超薄地板的热和热机械响应。在这些试验中，将非对称超薄楼板梁（ASB）部分与使用钢板和正常重量混凝土形成的复合板组合使用。对WFRC 66162和WFRC 67756这两个实验热机械响的分析在本研究中使用。对标准火灾时间、标准温度时间曲线、ISO-834进行了两次火灾试验。
测试WFRC 66162，于1996年二月十四日在一个5000毫米长的超薄板组件上，在支撑跨度4500毫米之间的条件下进行。该试验装置由ASB 280轧制钢梁截面和复合板组成。采用Comflor 210钢板和普通混凝土配制复合板。如图1所示，组件的标称深度为308毫米，宽度为950毫米。钢梁截面深度为280 mm，顶部和底部翼缘宽度分别为180 mm和280 mm。翼缘和腹板的厚度是均匀的，如图1所示为18毫米。在顶部翼缘上方铺设了一个用A142钢网加固的28 mm混凝土层。钢梁的尺寸与表1中的名义梁相比略有不同。除了几何变化之外，人们发现结构钢的实际屈服强度是402 MPa，远高于标称值为355 MPa。更多细节可以在英国钢铁公司发表的技术说明中找到。
在测试过程中，进行了详细的仪器记录温度和垂直偏转。用153 K型热电偶记录钢部件沿其长度的不同位置的温度。此外，混凝土中的30个不同位置和钢甲板上的3个位置的温度也被记录了下来。还记录了板在六个不同的位置沿其长度，包括在跨中的垂直变形。通过液压油缸直接向钢梁截面的四个位置施加外部荷载。每个液压油缸施加84.6 kN负载，除了自重量之外，在测试组件中产生198.81 kN·m力矩。与试验组件的冷量相比，该情况代表了0.423度的利用率。液压油缸位于1125毫米之外。在这种程度的利用下，根据分析结果忽略了钢与混凝土之间的增强作用，试验试样预期达到60分钟以上的耐火性。该试件是在ISO-834标准火灾进行了超薄板组件测试。
第二次试验，WFRC 67756，于1996年九月四日进行。试验之前、期间和之后的细节和观察结果作为报告发表。报告中包括了详细的几何形状，材料特性和热、结构数据记录。这个测试是在一个由ASB部件组成的超薄板组件上进行的。板组件的标称深度为334毫米，宽度为1000毫米，如图2所示。采用355 MPa屈服强度的钢，形成304 mm深的钢梁截面。顶部和底部翼缘的标称宽度分别为190毫米和300毫米。翼缘的公称厚度为20毫米，腹板的公称厚度为18毫米。在顶部翼缘上方铺设了30 mm的常量混凝土，并用A142钢网加固。如表2所示，钢截面的尺寸与标注尺寸不同。除了几何变化之外，结构钢的实际屈服强度为392 MPa，高于标称355 MPa强度。
类似于以前的测试，仪器记录温度和位移是在测试过程中完成的。K型热电偶用来记录钢梁在其截面上沿其长度的不同位置的温度。此外，混凝土和钢板上的温度也被记录下来。在跨中记录地板组件的垂直偏转。荷载在四个位置，与液压油缸相距530毫米。每个液压柱塞施加85 kN荷载，除了自重量之外，在环境温度下，该自重引起0.390的载荷量。在正常条件下，试样的抗弯承载力为796 kNm。装配的能力基于分析的结果，忽略了钢和混凝土之间的增强作用，仅考虑了钢截面单独提供的阻力。与先前测试的情况一样，超薄板组件是针对标准火灾暴露，ISO-834进行测试的。
图一
图二
2.2.膨胀涂料测试
人们进行了各种实验研究，分析膨胀涂层作为防火材料的响应。这些试验是在有膨胀涂层的保护钢元件上进行的。将这些试样的受保护表面暴露于炉内，并对膨胀涂层的响应进行了分析。试验是在外表面上施加有内涂层的钢角的一个支上进行的。钢角有方形支，外径100毫米。厚度为10毫米。在一条支的外表面上，采用1200mu;m的膨胀涂层。然后在炉内暴露于火中，保护表面直接暴露于火中。用矿物棉和石膏板保护试样的其它表面和边缘，以产生绝热边界条件，如图3所示。
膨胀涂料在火灾条件下的响应取决于各种参数，包括其包裹的元件的截面系数。用于膨胀涂层试验的试样具有53 mminus;1的截面系数。该截面系数与底部翼缘的外表面受保护时的超薄板WFRC 66162和WFRC 67756的截面系数接近，分别为61.5 mminus;1和55.08 mminus;1，截面系数用公式（1）计算。因此，当应用在这些超薄板组件上时，膨胀涂层的性能与在具有相似截面系数的钢角上进行的试验相似。
- 有限元模型
在本研究中使用的有限元建模方法的细节在后续章节中给出。在第一部分中用于无保护的超薄板的有限元模型将在第二部分中细述，同样的，第二部分中也会详细介绍膨胀涂料的试验情况。最后，将给出模拟保护的超薄板组件的有限元模拟过程
3.1.未经保护的超薄板
采用有限元分析软件ABAQUS和计算机辅助，对超薄板进行有限元模拟。有限元模拟分为两个阶段。在第一阶段进行热分析，在第二阶段进行结构分析。所有外部荷载、火和边界条件均符合所报告的试验数据。
在热分析过程中，钢和混凝土的非线性热性能（热导率和比热）取自欧洲规范。除了使用结构钢的实际屈服强度而不是标准值外，结构分析中的材料的力学性能也从欧洲规范中取得。在这项研究中，针对薄板的全尺寸有限元模型进行了开发。
在热分析阶段，采用8节点六面体固体线性传热元件DC3D8。暴露和未暴露表面的对流系数分别为25 W/m2K和9 W/m2K，如欧洲规范中给出的。暴露的钢表面的辐射发射率从先前的研究中得到，为0.5，而暴露的混凝土表面的辐射发射率从欧洲规范中取为0.25。由于未曝光表面的辐射引起的任何热损失在分析过程中都忽略不计。在第一阶段期间获得的热预测应用于超薄板，以研究在后期的分析中加热对其结构响应的影响。在第二阶段，结构分析分两步进行。在第一步骤中，将荷载施加到组件，而在随后的步骤中，使用从第一阶段获得的温度预测来加热超薄板组件。与4点加载试验中的情况不同，在有限元建模中应用均匀分布载荷作为代表值。对于结构分析，混凝土和钢采用不同的分析单元。使用8节点线性元件C3D8模拟混凝土，而钢用不相容的部件C3D8I进行建模。与ABAQUS中的其它可用部件类型相比，发现这些元件能产生更好的结果。用“混凝土损伤塑性模型”模拟混凝土的非线性行为，而用“Von Mises塑性模型”模拟钢的非线性行为。膨胀角已被设定为55°，原因与前面提到的相同。混凝土和钢之间的接触使用软件中的接触对选项进行建模。完美的热接触模型通过两种无热损失的材料得以实现。在结构建模的情况下，通过定义摩擦系数，使用“库仑摩擦模型”对混凝土和钢的切向应力进行建模。这个系数的值是0.5，取自欧洲规范。在文献中采用了类似的方法来研究部分未经处理的浅层楼板在标准火灾下的响应。
3.2.膨胀涂料
本文提出了一种用于膨胀涂层试验的全尺寸有限元模型，它是在钢角上进行的，在暴露表面上涂有1200mu;m的膨胀涂层。类似于超薄板的情况下，8节点六面体固体线性传热装置DC3D8，用于模拟其热响应。结构钢的热导率、热导率和比热是从欧洲规范中得到的，与超薄板的情况相类似。在应用膨胀涂层的情况下，发现热导率（如图4所示）在测试期间在不同的温度下变化，因此相应地进行了建模。膨胀涂层、比热、密度、含水量、对流系数和辐射发射率的其它性质是从较早报告中获得的。对于暴露的表面，对流系数和辐射发射率分别为20和0.95，如表3所示。采用有限元法对钢角内涂层进行了有限元分析，评价了本研究中所用的有限元模拟方法的有效性，从而验证了该方法可用于模拟在后期保护层上应用的膨胀涂层的响应。由于防火配合物假定对构件的结构容量没有贡献，因此，膨胀涂层的试验和有限元模拟仅限于热响应，并且没有进行结构响应的研究。
3.3.经保护处理的超薄板
虽然在这项研究中没有使用保护性超薄板的试验来直接比较测试结果和预测的响应，但是，通过对未保护的超薄板测试和用于涂覆的涂层的验证模型进行有限元分析，与前述过的模拟保护的超薄板类似，只是假定一层1200mu;m膨胀涂层，假定施加在钢截面的底部凸缘的暴露表面上，如图5所示。所有材料，钢，混凝土和膨胀涂层的热和机械性能，与前面章节所讨论的相同。分析了防火超薄板在火灾和热环境两个阶段的响应。在第一阶段，对受保护的薄型地板进行热分析，并进行温度预测。而在后期，加载和加热的组合效应分两步进行分析。最初，施加负载，接着通过在第一阶段期间获得的热预测对组件进行加热。在不受保护的超薄地板上进行的试验中，利用有限元模拟分析了在相同荷载作用下受保护的超薄板的受力情况。
在最后阶段中，分析了受保护的超薄板在火灾荷载作用下的结构响应。这将有助于了解他们的表现，这样的情况下，没有荷载减少发生在火灾场景。应该注意的是，在本研究中，膨胀涂层的任何结构影响都忽略不计。
- 观察与发现
在本节中给出了从有限元建模获得的热和结构响应的预测。这些预测是与未保护的超薄板的记录测试数据和膨胀涂层的测试比较得出的，而对于受保护的超薄板，这些是与在未保护的超薄板进行的有限元分析中获得的热和结构预测比较的得出的。
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- 未受保护的超薄板
在超薄板上进行的两次测试都很好地测量了温度变化和沿其长度变化的垂直形变。在测试过程中，对钢和混凝土进行了热和偏转记录，并记录在表格中。在有限元模拟中获得的热预测与在钢部件和混凝土中的不同位置获得的试验数据进行比较。为此，由于几何变化，在测试组件上选择了两个不同位置的阳离子。这些位置被命名为A--A和B--B。截面A—A表示细长地板的一部分，其最大的混凝土深度和宽度是由板的形状决定的。另一方面，截面B-B表示钢网两侧的最小混凝土深度和最低混凝土宽度的细长地板的一部分，如图1和图2所示。虽然测试数据可用于各种这样的位置，但比较仅用于两个选定的位置，以避免不必要的重复。所选择的位置在炉子中间，预计受到边界、毛皮壁等的影响最小。通过将预测与记录的试验数据进行比较，验证了结构响应的数值结果。
在图6（a）中给出了WFRC 66162暴露120分钟后的温度预测。可以看出，在暴露表面上的最大温度已经超过1000°C。如预期的，这些预测在底部翼缘的暴露表面最高，并且随着朝向未暴露的上表面的距离的增加而减小。为了与试验数据直接比较，对图7中的试验数据绘制了钢部件上的五个热电偶位置的温度预测（图1（a）和（b））。选定的五个地点在底部翼缘上有两个热电偶位置，两个位于腹板上，一个位于顶部翼缘上。在图7（a）中可以看出，温度预测与所记录的A-A截面的测试数据非常吻合，同样地，对于相同的热电偶位置的测试数据，绘制了B-B段的温度预测。这些预测也与所记录的测试数据非常吻合（图7（b））。因此，这种有限元
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