[摘 要]在对钢结构进行防火保护，确定其临界温度时，不同的火场升温计算方法对钢构件的升温有一定的影响。本文简单介绍了几种计算火场升温的公式和计算机模拟的方法，主要采用3种火灾标准升温曲线、大空间火灾经验升温公式以及钢构件增量法升温公式，分别计算火灾中空气升温，有保护、无保护钢构件的升温。通过分析计算结果对比得到不同升温曲线对钢构件升温的影响。最后建议根据不同火灾类型、计算需求选取相应的火场升温计算方法。
[关键词]升温曲线 钢构件
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0153-02
钢结构凭借其自重轻、整体性能好、变形能力强等优势在仓库、厂房、大空间以及超高层建筑中得到广泛的应用。但钢的耐火性能差，因而设计者要特别注意钢结构在火灾中的升温问题。钢结构在不同的升温计算方式下得到的结果不一样，本文主要讨论了几种不同的空气升温计算方法，分别计算不同升温曲线下空气的升温以及钢构件的升温过程，并将结果进行对比，得到各计算方式的适用性。
一、火场温度计算方法
（一）标准升温曲线
（三）区域模型
区域模型是将着火房间划分为几个区，目前采用最多的是双区域模型，假定两个部分之间的分界线高度在各处均是一致的，上部为热气层区，下部为冷气层区。通过数值模拟的方法来得到火灾时每个时间点建筑内的温度以及烟气分布情况。该模型既具有一定的准确性有具有良好的经济性，受到广泛的应用，但其未考虑竖向烟气层的温度梯度分布。
目前采用的模型有：美国NIST开发的用于计算门窗关闭的单个房间内热烟气层温度和高度的模型ASET；哈佛大学Emmons和Mitler等开发的单室区域模型HARVARD-V，美国NIST在此基础上开发了FIRST模型，它可以计算在用户设定的引燃条件或设定的火源条件下，单个房间内火灾的发展情况；人们普遍关注较高的是CFAST模型，它是由早期的FAST模型发展而来，并融合了NIST开发的另一个火灾模型CCFM中先进的数值计算方法，从而将CFAST模型和火灾探测模型DERECT、人员承受极限模型TENEB及人员疏散模型EXIT组合起来，形成功能更健全的HAZARD1模型。
（四）场模型
场模型又称计算流体力学模型（CFD），将空间划分为一系列的网格，从各种能量守恒方程出发，通过数值方法求解得出火场各时刻各个空间点的温度分布。场模型能计算出更小空间单位或着火空间内某一点的火灾特性参数，故其分析结果更为准确。但场模型的计算数学方程十分復杂，计算量大，需要使用具有良好的性能和机能的大型计算机。
JASMINE模型是由英国火灾研究站（Fire Research Station，FRS）在计算流体动力学模型PHOENICS的基础上开发出来的，专门用于火灾过程场模拟计算的模型。FDS（Fire Dynamics Simulator）是美国NIST开发的采用数值方法求解一组描述热驱动的低速流动的Navier-Stokes方程，重点计算火灾中的烟气流动和热传递过程。其他还有BFSM模型、COMPF2模型、DETACT-QS模型、ASCOS模型、FASBUS模型等等。上文提到的大空间火灾经验升温公式就是基于场模型模拟而得到的经验公式。
二、钢构件升温计算公式
三、对比计算
分别采用三种标准升温曲线和大空间的升温经验计算公式计算火场空气升温、有保护钢构件升温和无保护钢构件升温。其中，使用大空间经验计算公式时分别取火源功率为1MW和20MW，计算火源中心正上方的温度。计算结果可知当钢构件没有防火保护时，其升温稍滞后于空气升温，但最终将与空气温度趋于一致；当钢结构有防火保护时，将逐渐缓慢升温。
表1列出了5种火场温度计算方法下不同时间时有保护钢构件与空气的温度，钢构件截面形状系数，其中温度折减值是在导热系数为0.1，25mm保护层厚度下钢构件、空气的温差与空气温度的比值，即。
从表1中我们能得到，在火灾发生后15min时，除了火源功率较小的1MW大空间火灾外，在其他火场升温计算条件下保护层对钢构件的保护能力基本一致，大约在91%左右。随着火灾时间的推移，热量逐渐向钢构件及其保护层传递，保护层的保护抵抗能力下降，钢构件温度升高，在ISO834、ASTM-E119、20MW大空间升温条件下的保护层保护能力相近，约为53%。而对于由烃类火灾升温曲线计算得到的较高火场温度下的保护层的保护能力略低，为48%；当采用火源功率较小的1MW大空间火场升温公式计算时，火场温度较低，保护层的保护能力也略低，为46%。由此我们可以得出，在不同的火灾升温曲线下，通过计算得到所需的钢构件的保护层厚度是不一样的。特别是大空间火灾的钢构件升温，由于火场温度计算受多种因素影响，进而影响钢构件的温度值，大空间火灾在不同情况下钢构件的升温与标准升温曲线计算得到的值差别较大，故在使用升温曲线计算火场温度时，应根据实际情况选取对应的升温曲线，再根据式（2.1）～（2.5）来确定钢构件的温度。
四、结论
通过计算分析可知，不同的火灾升温曲线计算得到的火场温度不同，进而影响钢构件的温度，最终会影响钢构件的保护层厚度。选取正确的火场升温曲线对于准确确定钢构件的保护层厚度，确保建筑的耐火性能，节约材料成本等具有重要意义。本文介绍的几种火场温度计算方法各有利弊，使用时应根据具体情况选取最优的计算方法来确定火场温度：
（1）标准升温曲线适用于易于发生轰然的室内火灾，计算简单，对火场温度值没有精确要求时可以使用。其中ISO834、ASTM-E119适用于一般室内火灾，烃类火灾标准升温曲线适用于由烃类可燃物引发的室内火灾；
（2）大空间经验升温公式适用于占地面积较大或净空高度较高的大空间火灾；
（3）当需要通过确定室内空间各点的温度分布来确定钢构件的温度时，可以采用区域模型或者场模型软件模拟计算。
参考文献
[1] 李国强，杜咏.实用大空间建筑火灾空气升温经验公式[J].消防科学与技术，2005，24（3）：283-287.
[2] 建筑钢结构防火技术规范（CECS 200：2006）[S].北京：中国工程建设标准化协会标准，2006.
作者简介
朱晨旖，1995年6月，女，汉族，籍贯南昌，现为中国人民武装警察部队学院研究生三队学员，主要研究方向是防火工程。
