钢结构抗火设计按照欧洲钢结构规范 DIN EN 1993-1-2 (材料温度属性)

技术文章

使用附加模块 RF-/STEEL EC3 可以在 RFEM 和 RSTAB 中使用名义温度-时间曲线进行计算。除此之外软件还集成了标准温度时间曲线、外部火灾曲线以及碳化曲线。附加模块还可以依据此温度-时间曲线计算型钢截面的温度并根据计算温度进行抗火验算。本文将阐述钢材在受火状况下的材料属性,由于钢材的材料直接在钢结构附加模块 RF-/STEEL EC3 中会直接使用其属性计算钢结构构件的温度。

钢材的温度材料属性在欧洲钢结构规范 EN 1993‑1‑2 [2] 以方程形式定义, 可以精确计算任意温度条件下各自的材料属性。

热膨胀变形

结构钢的热膨胀变形 Δl/l 是由温度变化引起的几何尺寸的变化率。

当 20 °C ≤ Θa < 750 °C 时:

$$\frac{\triangle\mathrm l}{\mathrm l}\;=\;1.2\;\cdot\;10^{-5}\;\cdot\;{\mathrm\Theta}_\mathrm a\;+\;0.4\;\cdot\;10^{-8}\;\cdot\;\mathrm\Theta_\mathrm a^2\;-\;2.416\;\cdot\;10^{-4}$$

当 750 °C ≤ Θa ≤ 860 °C 时:

$$\frac{\triangle\mathrm l}{\mathrm l}\;=\;1.1\;\cdot\;10^{-2}$$

当 860 °C < Θa ≤ 1,200 °C 时:

$$\frac{\triangle\mathrm l}{\mathrm l}\;=\;2\;\cdot\;10^{-5}\;\cdot\;{\mathrm\Theta}_\mathrm a\;-\;6.2\;\cdot\;10^{-3}$$

图 01 - 结构钢高温名义应变

结构钢的比热

结构钢的比热 ca 单位 J/(kgK), 是每千克材料温度升高 1 开氏度所需要吸收的热量。

当 20 °C ≤ Θa < 600 °C 时:

$${\mathrm c}_\mathrm a\;=\;425\;+\;7.73\;\cdot\;10^{-1}\;\cdot\;{\mathrm\Theta}_\mathrm a\;-\;1.69\;\cdot\;10^{-3}\;\cdot\;\mathrm\Theta_\mathrm a^2\;+\;2.22\;\cdot\;10^{-6}\;\cdot\;\mathrm\Theta_\mathrm a^3$$

当 600 °C ≤ Θa < 735 °C 时:

$${\mathrm c}_\mathrm a\;=\;666\;+\;\frac{13,002}{738\;-\;{\mathrm\Theta}_\mathrm a}$$

当 735 °C ≤ Θa < 900 °C 时:

$${\mathrm c}_\mathrm a\;=\;545\;+\;\frac{17,820}{{\mathrm\Theta}_\mathrm a\;-\;731}$$

当 900 °C ≤ Θa ≤ 1,200 °C 时:

$${\mathrm c}_\mathrm a\;=\;650$$

图 02 - 结构钢的比热

热传导系数

结构钢的热传导系数 λa 单位 W/(mK) 是描述材料直接传导热量的能力,定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量。

当 20 °C ≤ Θa < 800 °C 时:

$${\mathrm\lambda}_\mathrm a\;=\;54\;-\;3.3\;\cdot\;10^{-2}\;\cdot\;{\mathrm\Theta}_\mathrm a$$

当 800 °C ≤ Θa ≤ 1,200 °C 时:

$${\mathrm\lambda}_\mathrm a\;=\;27.3$$

图 03 - 结构钢的热传导系数

参考书目

[1]   欧洲规范 3,Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1‑1: General rules and rules for buildings; EN 1993‑1‑1:2005 + AC:2009
[2]   欧洲规范 3,Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1‑2: General rules - Structural fire design; EN 1993‑1‑2:2005 + AC:2009

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