本发明公开了一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法，包括确定火灾发展模型；确定建筑内部顶棚下方某位置处烟气温度的最大值；建立区域火灾发展全过程的烟气温度场预测模型；确定钢结构的温度场；根据耐火极限，确定钢结构防火涂料的厚度。本发明基于基本传热原理和烟气温度发展模型，预测大空间中受保护的钢件的温度发展，从而确定钢结构防火涂料的厚度；本发明中只有一个时间变量，因此，可以非常简单的实现温度的评估，准确地反映整个火灾过程的发展，从而可准确推导出钢结构防火涂料的厚度。
1.一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法，其特征在于：包括，确定火灾发展模型；
其中，Ts是钢的温度，ΔTs为钢构件的温度变化，α为火灾增长系数，β＝eφ/10-1， 为防火保护层修正系数，k为导热系数，ρs为钢的密度，cs为钢的热容，Ain为防火保护层横截面面积，ρin为防火保护层密度，cin为防火保护层热容，d为防火保护层厚度，V是单位长度钢结构的体积，Tm为建筑内部顶棚下方某位置处烟气温度最大值，td为火灾开始进入衰减阶段时间， 分别为火灾发展阶段烟气曲线形状系数和衰退阶段烟气曲线形状系数，T0为环境初始温度；
2.根据权利要求1所述的一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法，其特征在于：火灾发展模型为，Q＝αt2 0≤t≤tgQ＝qAmax tg≤t≤td其中，ts为火灾全过程的总时间， 为火灾开始进入衰减阶段时间， 为进入稳定阶段时间，Q为热释放速率，Qmax为火灾的最大热释放速率，q为火源单位面积热释放速率，Amax为区域火灾最大过火面积。
3.根据权利要求2所述的一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法，其特征在于：建筑内部顶棚下方某位置处烟气温度最大值Tm的计算公式为，Tm＝Tgmax×ksm
其中， 为火源正上方顶棚处烟气温度最大值，ksm为温度修正系数；
ksm＝η+(1-η)e(D/2-x)/7 x≥D/2ksm＝1 x≤D/2其中，D为火源直径， x为距离火源中心的水平距离，η为建筑体量修正系数。
4.根据权利要求3所述的一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法，其特征在于：区域火灾发展全过程的烟气温度场预测模型为，其中，Tg为烟气温度。
5.根据权利要求1所述的一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法，特征在于：根据耐火极限，用反推法或迭代法确定钢结构防火涂料的厚度。
一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法，属于钢结构防火涂料厚度确定优化技术领域。
背景技术
[0002] 温度的发展是钢结构防火保护的关键问题，直接决定了防火涂料厚度，大空间的烟温发展不同于普通的封闭的火灾，因为它们最高温度较低且温度分布不均匀，因此现在还没有系统确定高大空间钢结构防火涂料厚度的方法。
发明内容
[0003] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法。
[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0005] 一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法，包括，
[0006] 确定火灾发展模型；
[0007] 确定建筑内部顶棚下方某位置处烟气温度的最大值；
[0008] 建立区域火灾发展全过程的烟气温度场预测模型；
[0009] 确定钢结构的温度场；
[0010] 根据耐火极限，确定钢结构防火涂料的厚度。
[0011] 火灾发展模型为，
[0012] Q＝αt2 0≤t≤tg
[0013] Q＝qAmax tg≤t≤td
[0014]
[0015] 其中，ts为火灾全过程的总时间， 为火灾开始进入衰减阶段时间， 为进入稳定阶段时间，Q为热释放速率，Qmax为火灾的最大热释放速率，α为火灾增长系数，q为火源单位面积热释放速率，Amax为区域火灾最大过火面积。
[0016] 建筑内部顶棚下方某位置处烟气温度最大值Tm的计算公式为，
[0017] Tm＝Tgmax×ksm
[0018] 其中， 为火源正上方顶棚处烟气温度最大值，ksm为温度修正系数；
[0019]
[0020] 其中，H为建筑高度，A为建筑面积；
[0021] ksm＝η+(1-η)e(D/2-x)/7 x≥D/2
[0022] ksm＝1 x≤D/2
[0023] 其中，D为火源直径， x为距离火源中心的水平距离，η为建筑体量修正系数。
[0024] 区域火灾发展全过程的烟气温度场预测模型为，
[0025]
[0026]
[0027] 其中，Tg为烟气温度，T0为环境初始温度， 分别为火灾发展阶段烟气曲线形状系数和衰退阶段烟气曲线形状系数。
[0028] 钢结构的温度场为，
[0029]
[0030]
[0031] 其中，Ts是钢的温度，ΔTs为钢构件的温度变化， β＝eφ/10-1，为防火保护层修正系数，k为导热系数，ρs为钢的密度，cs为钢的热容，Ain为防火保护层横截面面积，ρin为防火保护层密度，cin为防火保护层热容，d为防火保护层厚度，V是单位长度钢结构的体积。
[0032] 根据耐火极限，用反推法或迭代法确定钢结构防火涂料的厚度。
[0033] 本发明所达到的有益效果：本发明基于基本传热原理和烟气温度发展模型，预测大空间中受保护的钢件的温度发展，从而确定钢结构防火涂料的厚度；本发明中只有一个时间变量t，因此，可以非常简单的实现温度的评估，准确地反映整个火灾过程的发展(增长、稳定和衰变阶段)，从而可准确推导出钢结构防火涂料的厚度。
具体实施方式
[0034] 以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0035] 一种高大空间钢结构防火涂料厚度确定方法，包括以下步骤：
[0036] S1、确定火灾发展模型。
[0037] 具体过程为：
[0038] S11)计算火灾进入稳定阶段(全盛阶段)的时间；
[0039]
[0040] 其中，tg为进入稳定阶段时间，单位为s；Qmax为最大热释放速率，单位为KW；α为火灾增长系数，表征或蔓延的快慢，如表一所示，α与材料有对应关系，对于大多数的高大空间建筑区域火灾，火灾增长系数一般介于中速火和快速火之间。
[0041] 表一 火灾增长系数α
[0042]
[0043] S12)计算火灾开始进入衰减阶段时间；
[0044] 当80％的火灾荷载被消耗掉，火灾进入衰减阶段，也火灾衰减阶段共消耗20％的火灾荷载，火灾增长阶段和火灾稳定阶段共消耗80％的火灾荷载。即：
[0045]
[0046]
[0047] 其中，FL为火灾总荷载，单位为MJ；ts为火灾全过程的总时间，单位为s；联立可求解td，即火灾开始进入衰减阶段时间；
[0048]
[0049] S13)确定火灾发展模型；
[0050] Q＝αt2 0≤t≤tg
[0051] Q＝qAmax tg≤t≤td
[0052]
[0053] 其中，Q为热释放速率，kW；q为火源单位面积热释放速率，kW/m2；Amax为区域火灾最大过火面积，m2。
[0054] S2、确定建筑内部顶棚下方某位置处烟气温度的最大值。
[0055] 具体过程为：
[0056] S21)计算火源正上方顶棚处烟气温度最大值；
[0057]
[0058] 其中， 为火源正上方顶棚处烟气温度最大值，单位为摄氏度；H为建筑高度，单位为米；A为建筑面积，单位为平方米。
[0059] S22)计算温度修正系数；
[0060] ksm＝η+(1-η)e(D/2-x)/7 x≥D/2
[0061] ksm＝1 x≤D/2
[0062] 其中，D为火源直径， x为距离火源中心的水平距离，单位为米；η为建筑体量修正系数，η取决于建筑高度和建筑面积，如表二所示。
[0063] 表二 建筑体量修正系数η
[0064]
[0065]
[0066] S23)计算建筑内部顶棚下方某位置处烟气温度最大值；
[0067] Tm＝Tgmax×ksm
[0068] 其中，Tm为建筑内部顶棚下方某位置处烟气温度最大值。
[0069] S3、建立区域火灾发展全过程的烟气温度场预测模型。
[0070] 具体如下：
[0071]
[0072]
[0073] 其中，Tg为烟气温度，单位为摄氏度；T0为环境初始温度，单位为摄氏度； 分别为火灾发展阶段(火灾增长阶段和稳定阶段)烟气曲线形状系数和衰退阶段烟气曲线形状系数；典型的高大空间建筑内木质可燃物区域火灾(火灾增长系数为0.0346kW/s2)的形状系数推荐取值如表三所示。
[0074] 表三 曲线特征系数取值
[0075]
[0076] S4、确定钢结构的温度场。
[0077] 具体过程为：
[0078] S41)计算防火保护层修正系数；
[0079]
[0080] 其中，d是防火保护层厚度，m；V是单位长度钢结构的体积，m3；ρs为钢密度，单位为kg/m3；cs为钢热容，单位为kJ/(kg·K)；Ain为防火保护层横截面面积，单位为m2；ρin为防火保护层密度，单位为kg/m3；cin为防火保护层热容，单位为kJ/(kg·K)。
[0081] S42)计算α、β；
[0082]
[0083] β＝eφ/10-1，
[0084] 其中，k为导热系数，单位为W/℃。
[0085] S43)确定钢结构的温度场；
[0086]
[0087]
[0088] 其中，Ts是钢的温度，℃；ΔTs为钢结构的温度变化，℃。
[0089] S5、根据耐火极限，用反推法或迭代法确定钢结构防火涂料的厚度。
[0090] 上述方法基于基本传热原理和烟气温度发展模型，预测大空间中受保护的钢件的温度发展，从而确定钢结构防火涂料的厚度；整个过程中只有一个时间变量t，因此，可以非常简单的实现温度的评估，准确地反映整个火灾过程的发展(增长、稳定和衰变阶段)，从而可准确推导出钢结构防火涂料的厚度。
[0091] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
