本文針對一種新型樓板，介紹了相應的受火試驗與模擬方法。文章來自微信公眾號CELab，掃描文末二維碼了解更多~

引言

遠大集團研發的不銹鋼芯板是一種超輕超強結構材料，由兩塊鋼板、中間密布薄壁芯管組成，用1083℃無氧銅釬焊焊接成一個牢固整體，空隙填充巖棉隔熱隔音，可直接用作建筑的柱、梁、樓板，也可根據建筑設計任意切割。從性能上看，其比同尺寸鋼筋混凝土重量輕10倍，強度高3倍，耐腐比碳鋼高100倍以上。在疫情期間，利用工廠化不銹鋼芯板技術向韓國“出口”了兩座“火神山”醫院，圖1為負壓隔離病房。

圖1

鋼結構不耐火，將不銹鋼芯板建筑結構推廣應用需要解決其抗火問題，而研究其火災下溫度場分布規律是解決其抗火問題的基礎。對于存在空腔的結構而言，結構內部的溫度差過大會導致空腔輻射效應增強，但現有研究往往忽視了這部分的影響。我們針對新型的空腔結構，基于ABAQUS軟件，模擬了空腔輻射作用。

本研究首先開展樓板受火試驗，并使用有限元分析軟件ABAQUS，從不銹鋼芯板中選取一個周期胞元，建立了考慮芯管內部空腔輻射效應和空氣導熱的有限元分析模型，這大大降低了模擬難度，提高了模擬效率。

試驗研究

2.1 試驗設置

對一塊不銹鋼芯板試件在標準火災下單面受火時的溫度場進行了試驗。試件尺寸為700×1100×150mm（L×H×W），面板厚度為1.5mm；芯管直徑為51mm，厚度為0.3mm，間距為100×100mm。采用電爐對不銹鋼芯板進行加熱，爐膛尺寸為800×1200×800mm（L×H×W），單面受火時僅使用一半爐膛。采用陶瓷纖維板制成夾持裝置將不銹鋼芯板固定在爐膛上，如圖2（示意圖）、圖3（實物圖）所示。分別在不銹鋼芯板受火面和背火面中心處及對稱軸1/4處布置K型熱電偶測量受火面和背火面溫度，同時，采用紅外熱像儀觀測背火面溫度。爐內升溫曲線設定為ISO834標準升溫曲線。

圖2

圖3

2.2 試驗結果

試驗前后受火面變化情況見圖4，試驗前芯板表面顏色光潔，表面觸感光滑；試驗后芯板表面顏色局部區域呈褐紅色，觸感粗糙，其余區域呈青黑色。

圖4（左圖為試驗前，右圖為試驗后）

試驗過程中背火面的變化情況見圖5，受火40min時，芯板背火面芯管區域顏色變為焦黃色，巖棉區域顏色基本無變化；受火76min時，芯管區域顏色逐漸加深，巖棉區域顏色逐漸變為焦黃色，兩部分區域出現明顯的邊界；冷卻至室溫后，背火面已發生氧化，整體呈紅褐色，芯管區域顏色更深。

圖5（左滑依次為試驗前、受火40min、受火76min、冷卻后）

由紅外熱成像儀所得到的背火面溫度分布圖見圖6，背火面芯管內區域溫度高于巖棉區域溫度，溫度分布不均勻。

圖6 受火30min時紅外熱像儀所攝背火面溫度分布

試驗后芯板夾芯巖棉和芯管見圖7，受火面一側巖棉由于溫度較高，發生了熔融塌落，芯管也由于高溫作用變黑，芯板邊緣由于溫度不均勻分布導致的應力而發生翹曲。

圖7

爐內升溫曲線見圖8，受火面及背火面測點溫度變化曲線見圖9。受爐內溫度不均勻的影響，受火面不同測點溫度前期有一定差別，后期較為恒定且與爐溫越來越接近。

圖8 

圖9

模擬研究

不銹鋼芯板中含有大量芯管，芯管按一定的間距排列，芯管與芯管之間填充巖棉隔音保溫。模型幾何參數如圖10所示，芯管沿芯板長度和寬度方向的間距分別為l1、l2，面板厚度為t，芯管厚度為δ，內徑為d，高度h。有限元模擬時取一個蜂窩胞元建立3D實體傳熱模型，建模時根據實際的不銹鋼芯板尺寸進行確定。胞元由4個部分組成：面板、芯管、巖棉和空氣，其熱物性參數見表1，其中不銹鋼面板和芯管的熱物性參數采用歐洲規范EN-1993-1-2-2005推薦值。

圖10

表1

芯板內部各個部分之間采用tie接觸。芯管內壁和上下面板構成一個三表面閉合空腔，設置空腔輻射，不銹鋼表面發射率εs為0.2。根據歐洲規范EN1991-1-2-2002，對于以纖維類物質為主的火災，火災升溫曲線按照ISO834升溫，受火面對流換熱系數hc(exposed)取值25W/(m^2·℃)，綜合熱輻射系數εr(exposed)取0.4，背火面設置綜合對流換熱系數hc(unexposed)為9W/(m^2·℃)。實驗時采用電爐模擬火災，故模擬時的受火面對流換熱系數hc(exposed)取值50W/(m^2·℃)，綜合熱輻射系數εr(exposed)取0.9，不銹鋼表面發射率εs取0.3，背火面綜合對流換熱系數hc(unexposed)取9W/(m^2·℃)。胞元側面巖棉則為絕熱面，環境溫度設為20°C。

模型驗證

為了驗證有限元模型的正確性，按照上述建模方法，從試驗試件中選取胞元建模，對試驗進行模擬分析。試件幾何尺寸如下：面板厚t=1.5mm，芯管間距l1=l2=100mm；芯管直徑d=51mm，厚度δ=0.3mm，高度H=150mm。

模擬得到的胞元單面受火76min時的溫度場見圖11。模擬溫度與試驗結果對比見圖12，背火面和受火面溫度模擬與試驗吻合較好，說明該模型具有較高的精度。

圖11

圖12