火災(zāi)條件下氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓FDS模擬

于 洋, 曹正罡, 孫 瑛, 武 岳

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150090； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150090)

氣承式膜結(jié)構(gòu)是以高性能建筑膜材和拉索作為主要受力和圍護(hù)構(gòu)件，通過(guò)較大的內(nèi)外壓強(qiáng)差(以下簡(jiǎn)稱為內(nèi)壓)代替梁、柱等支撐構(gòu)件的一類新型空間結(jié)構(gòu)體系，具有造型美觀、受力高效、施工便捷、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是體現(xiàn)現(xiàn)代建筑科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一[1-2].氣承式膜結(jié)構(gòu)被廣泛用于大型倉(cāng)庫(kù)、體育場(chǎng)館、展覽館等公共建筑，尤其是隨著新冠疫情的蔓延，在全世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了很多采用氣承式膜結(jié)構(gòu)的臨時(shí)醫(yī)院、生物實(shí)驗(yàn)室等.

近幾年，我國(guó)的氣承式膜結(jié)構(gòu)建造量呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，然而氣承式膜結(jié)構(gòu)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)使得其防火問(wèn)題成為迅速發(fā)展過(guò)程中的潛在隱患.氣承式膜結(jié)構(gòu)依靠較大的內(nèi)壓承載，內(nèi)部沒(méi)有梁、柱等支撐構(gòu)件，建筑頂部也沒(méi)有龍骨等懸掛支架，故其不易進(jìn)行防火分區(qū)，也不易布設(shè)適用于大空間建筑的噴淋裝置[3]；氣承式膜結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，建筑進(jìn)風(fēng)口處源源不斷補(bǔ)充的新鮮氧氣將促進(jìn)密閉空間中的火災(zāi)的發(fā)展[4]；為保證結(jié)構(gòu)的氣密性，通常采用氣密式旋轉(zhuǎn)門(mén)作為進(jìn)出通道，而防火規(guī)范規(guī)定，旋轉(zhuǎn)門(mén)不應(yīng)作為火災(zāi)發(fā)生時(shí)的應(yīng)急出口[5]；為保證人員在緊急情況下的及時(shí)疏散，在結(jié)構(gòu)四周應(yīng)設(shè)置專用疏散門(mén)，而疏散門(mén)一旦開(kāi)啟，結(jié)構(gòu)即由“封閉狀態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺欠忾]狀態(tài)”，這將導(dǎo)致內(nèi)部氣壓下降，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)坍落；氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部火災(zāi)發(fā)生時(shí)，封閉空間內(nèi)的氣壓迅速增大，膜面在高溫和高壓的協(xié)同作用下更易達(dá)到極限承載能力而發(fā)生破損，結(jié)構(gòu)會(huì)因“泄氣”而坍落.

由上述氣承式膜結(jié)構(gòu)的火災(zāi)特點(diǎn)可知，內(nèi)部氣壓是影響其結(jié)構(gòu)坍落的重要因素.針對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)的火災(zāi)和內(nèi)壓，部分學(xué)者進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)研究.如Robertson[6]對(duì)氣膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)試驗(yàn)的研究表明，膜材料不易被引燃，但會(huì)在高溫作用下撕裂，從撕裂的開(kāi)孔會(huì)有氣體泄漏.英國(guó)學(xué)者Hopkinson[7]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)19 m、寬9 m、高4 m的矩形充氣膜進(jìn)行全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，建筑的孔洞總面積是影響火災(zāi)可用疏散時(shí)間的關(guān)鍵因素，若大火將膜面燒出孔洞，建筑會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速坍塌.馬里蘭大學(xué)的Custer[8]通過(guò)對(duì)邊長(zhǎng)6 m的正方形充氣膜進(jìn)行全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同的孔洞面積情況下，若風(fēng)機(jī)有足夠的進(jìn)風(fēng)量，則建筑不會(huì)坍塌，若風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量少于建筑的漏氣量，則建筑將迅速坍塌.Herzog等[9]對(duì)半球形充氣膜開(kāi)展不同火源熱釋放速率的試驗(yàn)，記錄了孔洞面積與結(jié)構(gòu)坍塌的關(guān)系.卿強(qiáng)等[10]對(duì)某氣承式膜結(jié)構(gòu)體育館進(jìn)行無(wú)火狀態(tài)下的泄氣試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，氣膜內(nèi)部氣壓在開(kāi)始泄氣時(shí)下降最快，隨著時(shí)間推移泄氣速率會(huì)逐漸減慢，內(nèi)部氣壓最終會(huì)穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值.

部分學(xué)者進(jìn)行了火災(zāi)的數(shù)值模擬研究，如Pericleous等[11]采用場(chǎng)模擬法對(duì)氣膜的火災(zāi)溫度場(chǎng)和煙氣蔓延特點(diǎn)進(jìn)行了研究.瑞典國(guó)家技術(shù)研究所[12]采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)M法進(jìn)行了火焰在膜面蔓延的模擬.張衡[13]利用Pyrosim軟件研究了某膜結(jié)構(gòu)體育館的煙氣流動(dòng)及分布規(guī)律，能見(jiàn)度及溫度場(chǎng)分布情況.張恒[14]以矩形充氣膜為研究對(duì)象，基于膜材燃燒試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)膜材燒穿孔洞的精細(xì)化模擬，并系統(tǒng)研究了火源參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)矩形氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響.由上述文獻(xiàn)可知，多數(shù)研究局限于火災(zāi)溫度場(chǎng)的模擬，僅部分學(xué)者針對(duì)煙氣和內(nèi)壓開(kāi)展了研究.如易賽莉等[15]對(duì)長(zhǎng)97 m、寬80 m、高32 m的充氣膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行火災(zāi)的煙氣運(yùn)動(dòng)特性研究，發(fā)現(xiàn)建筑內(nèi)部的風(fēng)速和溫度對(duì)氣壓影響很大，火源位置對(duì)煙氣流動(dòng)影響極大.王張萍[3]對(duì)長(zhǎng)50 m、寬30 m、高10 m的矩形充氣膜進(jìn)行煙氣流動(dòng)規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)疏散門(mén)和風(fēng)扇打開(kāi)時(shí)，內(nèi)部氣體對(duì)流效應(yīng)明顯，冷空氣的進(jìn)入可使膜面溫度顯著下降，煙氣層高度有所提高，但能見(jiàn)度下降明顯.申躍奎等[4]利用FDS分析了不同火源位置時(shí)風(fēng)扇和內(nèi)壓對(duì)膜面溫度的影響，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇對(duì)膜面整體降溫效果有限，內(nèi)壓對(duì)膜面溫度幾乎無(wú)影響.郭峰[16]對(duì)長(zhǎng)80 m、寬40 m、高15 m的某充氣膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，給出了火災(zāi)情況下氣膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓隨時(shí)間變化的曲線，并發(fā)現(xiàn)膜面不發(fā)生破損時(shí)內(nèi)壓存在先升后降的現(xiàn)象，而膜面發(fā)生破損后內(nèi)壓會(huì)迅速下降.周金炬[17]對(duì)某長(zhǎng)160 m、寬60 m、高20 m的氣承式膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，研究了無(wú)火狀態(tài)下建筑開(kāi)孔面積、開(kāi)孔位置與坍塌時(shí)間的關(guān)系.

由上述文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有針對(duì)充氣膜進(jìn)行的研究，或僅關(guān)注火災(zāi)溫度和煙氣流動(dòng)特性，未涉及內(nèi)部氣壓變化；或僅關(guān)注內(nèi)部氣壓與結(jié)構(gòu)坍塌的關(guān)系，未考慮發(fā)生火災(zāi)的情況.少部分學(xué)者涉及了氣承式膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)下內(nèi)壓的變化，但未對(duì)影響內(nèi)壓的因素進(jìn)行深入探討.鑒于內(nèi)壓是影響氣承式膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全性能的關(guān)鍵因素，本文將以氣承式膜結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于火災(zāi)模擬軟件FDS，對(duì)無(wú)火情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的影響因素以及有火情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的模擬方法開(kāi)展研究.

1 模型及軟件介紹

以某長(zhǎng)寬高分別為38,20,7 m矩形氣承式膜結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用火災(zāi)模擬軟件FDS進(jìn)行建模，如圖1所示.建筑配有一個(gè)氣密式旋轉(zhuǎn)門(mén)供人員出入，一個(gè)緊急出口供發(fā)生火災(zāi)時(shí)疏散.建筑內(nèi)部設(shè)計(jì)氣壓為220 Pa，在結(jié)構(gòu)的西北角布置有進(jìn)風(fēng)設(shè)備.

FDS在進(jìn)行火災(zāi)模擬時(shí)，通常采用大渦模擬(large eddy simulation，LES)的方法對(duì)每個(gè)網(wǎng)格單元中建立的質(zhì)量、能量、動(dòng)量的守恒方程和氣體的狀態(tài)方程進(jìn)行求解，其中火源采用混合分?jǐn)?shù)模型，熱輻射采用有限體積法(finite volume method，F(xiàn)VM)求解，模型中固體的燃燒特性可在軟件中直接定義，壁面換熱則常采用經(jīng)驗(yàn)公式.

本文采用混合網(wǎng)格技術(shù)對(duì)建筑的膜面和膜材的連接處分別建模，網(wǎng)格尺寸參考式(1)[18-19]：

(1)

由計(jì)算可知D*為1.46 m.以往的研究結(jié)果表明，當(dāng)D*/δ在4～16之間時(shí)可以得到較為精確的模擬結(jié)果，其中δ是網(wǎng)格的尺寸.因此，采用混合網(wǎng)格技術(shù)對(duì)建筑的膜面和膜材的連接處分別建模，膜面處網(wǎng)格尺寸為0.25 m，膜材連接處網(wǎng)格尺寸為0.125 m，網(wǎng)格總數(shù)為921 600.將模型分為7個(gè)計(jì)算區(qū)域，以提高計(jì)算速度，并在計(jì)算域邊界設(shè)置開(kāi)敞面作為邊界條件.

圖1 氣承式膜結(jié)構(gòu)布置示意圖

2 無(wú)火情況下的氣膜內(nèi)壓研究

2.1 模型工況設(shè)置

本文采用第一種方法模擬氣承式膜結(jié)構(gòu)的氣體滲漏，并開(kāi)展無(wú)火情況下氣膜內(nèi)壓的影響因素研究.在不同滲漏面積對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的影響研究中，進(jìn)風(fēng)量定為1.0 m3/s，滲漏面積分別取0.00，0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.12 m2.在不同進(jìn)風(fēng)量對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的影響研究中，滲漏面積定為0.08 m2，進(jìn)風(fēng)量分別取0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m3/s.

2.2 內(nèi)壓影響因素的理論推導(dǎo)

由氣體泄漏模型可知，密閉容器的氣體滲漏量表示為[20]

(2)

式中：Qleak是容器的漏氣量(m3/s)；W是氣體的質(zhì)量流量(kg/s)；ρs是氣體密度(kg/m3).

式(2)中氣體的質(zhì)量流量W與漏氣面積、容器內(nèi)壓等因素相關(guān)，且滲漏過(guò)程屬于亞音速流.因此由Daugherty等[21]和Kayser等[22]提出的公式可知，質(zhì)量流量W可表示為

(3)

式中：Aleak是結(jié)構(gòu)的漏氣面積(m2)；C是氣體的流量系數(shù)，計(jì)算值取1；p1是結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)(N/m2)；p2是泄露管道中氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)(N/m2)；k是氣體比熱容比(cP/cV)，計(jì)算值取1.40；Mw是氣體摩爾質(zhì)量(kg/mol)；Ru是通用氣體常數(shù)，取8.314 N·m/(mol·K)；T1是氣體溫度，取293 K.

式(2)中氣體密度可由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算得到,

(4)

式中：ps是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓絕對(duì)值，取101 325 N/m2；Ms是空氣的標(biāo)準(zhǔn)摩爾質(zhì)量，取0.028 96 kg/mol；Ts是標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的溫度，取273 K.

當(dāng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)風(fēng)量與滲漏量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，氣承式膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓可以達(dá)到穩(wěn)定值，故有

Qin=Qleak,

(5)

式中，Qin是結(jié)構(gòu)的進(jìn)風(fēng)量(m3/s).

將式(2)～式(5)聯(lián)立可得氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓與進(jìn)風(fēng)量、滲漏面積等因素之間的理論關(guān)系式：

(6)

2.3 滲漏面積對(duì)內(nèi)壓影響

圖2給出了進(jìn)風(fēng)量為1.0 m3/s時(shí)，不同滲漏面積情況下內(nèi)壓與時(shí)間的變化關(guān)系.由圖可知，當(dāng)滲漏面積等于0.00 m2時(shí)，氣承式膜結(jié)構(gòu)密封完好，所有氣體均無(wú)法跑出該空間.在t=50 s時(shí)內(nèi)壓達(dá)到1 600 Pa，且在隨后的時(shí)間內(nèi)壓繼續(xù)增大，無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定值.由于現(xiàn)實(shí)中的氣承式膜結(jié)構(gòu)無(wú)法做到完全密封，且多數(shù)氣承式膜結(jié)構(gòu)會(huì)設(shè)置回風(fēng)口，故這種不考慮滲漏的模擬方式無(wú)法得到準(zhǔn)確的內(nèi)壓.

從圖2的數(shù)值模擬結(jié)果可知，在進(jìn)風(fēng)量保持1.0 m3/s不變的前提下，當(dāng)滲漏面積從0.02 m2逐漸增加至0.12 m2時(shí)，氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的穩(wěn)定值逐漸減小.

圖2 不同滲漏面積下內(nèi)壓與時(shí)間變化關(guān)系

在不同滲漏面積下，內(nèi)壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的模擬結(jié)果和上述理論推導(dǎo)結(jié)果分別列在表1中.利用表1中數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，如圖3所示.對(duì)圖中的模擬結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，可以得到進(jìn)風(fēng)量為1.0 m3/s 情況下氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓模擬結(jié)果與滲漏面積間的關(guān)系：

(7)

式中:p是氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的穩(wěn)定值，Pa;Aleak是氣承式膜結(jié)構(gòu)的滲漏面積，m2.

表1 滲漏面積與內(nèi)壓穩(wěn)定值Table 1 Leakage area and stability value of internal pressure

從圖3可知，理論推導(dǎo)值和模擬值吻合較好，可用式(7)對(duì)不同滲漏面積與氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè).

圖3 滲漏面積與內(nèi)壓穩(wěn)定值的擬合曲線

2.4 進(jìn)風(fēng)量對(duì)內(nèi)壓影響

圖4給出了滲漏面積為0.08 m2時(shí)，不同進(jìn)風(fēng)量下內(nèi)壓與時(shí)間的變化關(guān)系.從圖中可知，不同進(jìn)風(fēng)量下的氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓都能達(dá)到穩(wěn)定值.隨著進(jìn)風(fēng)量的增加，氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的穩(wěn)定值逐漸增大，該變化規(guī)律符合2.2節(jié)中理論推導(dǎo)的結(jié)果.

將不同進(jìn)風(fēng)量下內(nèi)壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的模擬結(jié)果和理論推導(dǎo)結(jié)果分別列于表2中.利用表2中數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，如圖5所示.對(duì)圖中的模擬結(jié)果進(jìn)行非線性擬合，可以得到滲漏面積為0.08 m2的情況下氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓與進(jìn)風(fēng)量間的關(guān)系：

(8)

圖4 不同進(jìn)風(fēng)量下內(nèi)壓與時(shí)間變化關(guān)系

表2 進(jìn)風(fēng)量與內(nèi)壓穩(wěn)定值

由圖5可知，理論推導(dǎo)值和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，可用式(8)對(duì)不同進(jìn)風(fēng)量與氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè).

圖5 進(jìn)風(fēng)量與內(nèi)壓穩(wěn)定值的擬合曲線

2.5 內(nèi)壓計(jì)算的簡(jiǎn)化公式

式(7)和式(8)雖然能較好地對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行擬合，但是僅能描述單因素與內(nèi)壓的關(guān)系，在實(shí)際使用中有一定的局限.因此，利用上述算例中的參數(shù)設(shè)置和模擬結(jié)果，綜合考慮滲漏面積和進(jìn)風(fēng)量對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的影響會(huì)更具實(shí)用價(jià)值.

將已有的11組算例中滲漏面積記為A，進(jìn)風(fēng)量記為Qin，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定內(nèi)壓記為p.利用非線性擬合的方法進(jìn)行迭代計(jì)算，可得簡(jiǎn)化的內(nèi)壓計(jì)算公式：

(9)

將簡(jiǎn)化公式(9)的計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，簡(jiǎn)化公式在同時(shí)考慮滲漏面積和進(jìn)風(fēng)量的情況下，可以對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓進(jìn)行很好地預(yù)測(cè)，如圖6所示.

圖6 數(shù)值模擬與簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)公式(9)結(jié)果對(duì)比

3 有火情況下氣膜內(nèi)壓研究

3.1 模型工況設(shè)置

有火情況下氣膜內(nèi)壓的影響因素研究采用第1節(jié)中介紹的模型，采用庚烷火并將火源置于建筑中心位置，距離地面0.5 m，著火面積1 m2.采用火災(zāi)模擬中常用的t2火，其熱釋放速率與時(shí)間關(guān)系如下[23]：

Q=αt2.

(10)

式中:Q是火源的熱釋放速率(kW);α是火源熱釋放速率的增長(zhǎng)系數(shù)(kW/s2);t是火災(zāi)發(fā)展的時(shí)長(zhǎng)(s).

將火源設(shè)為超快速增長(zhǎng)型，即火源熱釋放速率的增長(zhǎng)系數(shù)α取0.187 6 kW/s2.火源的最大熱釋放速率設(shè)為1 000 kW，故根據(jù)式(10)可知，在開(kāi)始燃燒后的第73 s，火源達(dá)到最大熱釋放速率.

本節(jié)將進(jìn)行四種不同工況的氣承式膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)內(nèi)壓的模擬方法研究.工況一是空白對(duì)照組，在初始內(nèi)壓為0 Pa時(shí)直接引燃火源，不考慮模型的進(jìn)風(fēng)和氣體滲漏.工況二用于探究?jī)H考慮火災(zāi)高溫的情況下，氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的變化特點(diǎn)，其中模型的進(jìn)風(fēng)量設(shè)為0 m3/s，但滲漏面積設(shè)置為0.08 m2.工況三和工況四用于探究初始內(nèi)壓對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)內(nèi)壓的影響，兩個(gè)算例的進(jìn)風(fēng)量均設(shè)為1.5 m3/s，滲漏面積均設(shè)為0.08 m2，但工況三在內(nèi)壓為0 Pa時(shí)引燃火源，讓進(jìn)風(fēng)與滲漏的平衡過(guò)程與火源的發(fā)展同時(shí)進(jìn)行，工況四則先對(duì)氣膜充氣加壓，在進(jìn)風(fēng)與滲漏達(dá)到平衡后才引燃火源.具體的工況設(shè)置見(jiàn)表3.

表3 有火情況下氣膜內(nèi)壓研究的參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameter setting of influencing factors on internal pressure of air-supported membrane structure under fire

3.2 有火情況下氣膜內(nèi)壓的影響因素分析

有火情況下，上述四種工況的內(nèi)壓與時(shí)間變化關(guān)系如圖7所示.

從工況一可知，氣承式膜結(jié)構(gòu)在不進(jìn)風(fēng)、不滲漏的情況下發(fā)生火災(zāi)時(shí)，內(nèi)壓在火災(zāi)的高溫作用下迅速增大，在73 s時(shí)內(nèi)壓達(dá)到2 100 Pa，150 s時(shí)內(nèi)壓可高達(dá)7 700 Pa.這種方法得到的模擬結(jié)果與實(shí)際的氣膜結(jié)構(gòu)相差很大，故涉及氣膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)內(nèi)壓相關(guān)的研究時(shí)不應(yīng)采取此模擬方案.

工況二的進(jìn)風(fēng)量為0 m3/s，滲漏面積為0.08 m2.從圖7可知，當(dāng)火源開(kāi)始燃燒時(shí)，氣膜的內(nèi)壓便開(kāi)始逐漸升高，在73 s時(shí)火源達(dá)到最大熱釋放速率，在90 s時(shí)內(nèi)壓達(dá)到峰值346 Pa，隨后氣膜的內(nèi)壓開(kāi)始逐漸下降，最終在550 s左右降低至12 Pa左右.氣膜的滲漏面積始終是0.08 m2，這表明從內(nèi)壓升高開(kāi)始，建筑內(nèi)的氣體就一直在發(fā)生滲漏.在火源增長(zhǎng)階段，單位時(shí)間內(nèi)氣體因受熱膨脹引發(fā)的內(nèi)壓增加量大于滲漏量，所以內(nèi)壓可以逐漸增大.因不考慮進(jìn)風(fēng)，所以氣膜內(nèi)部的氣體分子的總數(shù)一直在減少.在火源達(dá)到最大熱釋放速率后，單位時(shí)間內(nèi)氣體因受熱膨脹引發(fā)的內(nèi)壓增加量小于滲漏量，因而內(nèi)壓開(kāi)始逐漸下降，該過(guò)程中氣膜內(nèi)部氣體分子的總數(shù)仍然不斷在減少.內(nèi)壓降為12 Pa左右后達(dá)到穩(wěn)定，這表明火災(zāi)場(chǎng)的高溫對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓有一定的影響.

從圖7工況三和工況四的對(duì)比可知，工況三在0 s時(shí)引燃火源，在100 s時(shí)達(dá)到峰值，工況四在40 s時(shí)引燃火源，在140 s達(dá)到峰值，兩工況的內(nèi)壓峰值均為1 040 Pa.兩個(gè)工況達(dá)到內(nèi)壓峰值的時(shí)間差與引燃火源的時(shí)間差均為40 s，這表明點(diǎn)火時(shí)的初始內(nèi)壓僅影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓變化時(shí)程，不影響內(nèi)壓的變化幅值.因此，在考慮氣承式膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)內(nèi)壓對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，若僅進(jìn)行極限承載能力分析，而不進(jìn)行時(shí)變分析，則可以在內(nèi)壓為0 Pa 時(shí)引燃火源，以節(jié)約模擬時(shí)間.

工況三和工況四的內(nèi)壓在達(dá)到峰值后開(kāi)始逐漸下降，且下降速度逐漸減小，在600 s時(shí)工況三和工況四的內(nèi)壓均降低至345 Pa左右.隨著模擬時(shí)長(zhǎng)的增加，氣承式膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓仍在逐漸下降，最終在1 200 s左右達(dá)到穩(wěn)定值232 Pa.該內(nèi)壓略高于無(wú)火情況下的內(nèi)壓穩(wěn)定值，這與工況二的結(jié)果類似，這可能與式(3)中的氣體比熱容比k受溫度影響有關(guān).

圖7 有火情況下內(nèi)壓與時(shí)間變化關(guān)系

4 結(jié) 論

1) 無(wú)火情況下，氣承式膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓模擬需綜合考慮進(jìn)風(fēng)量和滲漏面積，內(nèi)壓的穩(wěn)定是進(jìn)風(fēng)量和滲漏面積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果.進(jìn)風(fēng)量越大，滲漏面積越小，則內(nèi)壓穩(wěn)定值越大.進(jìn)風(fēng)量為1.5 m3/s，滲漏面積為0.08 m2時(shí)，內(nèi)壓穩(wěn)定值為213 Pa，可滿足氣承式膜結(jié)構(gòu)正常使用時(shí)的內(nèi)壓需求.

2) 基于數(shù)值模擬結(jié)果，考慮進(jìn)風(fēng)量和滲漏面積影響，提出了可用于氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)化公式，且公式計(jì)算結(jié)果與模擬擬合較好.

3) 有火情況下，點(diǎn)火時(shí)的初始內(nèi)壓值僅影響內(nèi)壓變化的時(shí)程，對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)的峰值內(nèi)壓無(wú)影響.若僅考慮結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓極值，則可在內(nèi)壓為0 Pa 時(shí)直接引燃火源進(jìn)行模擬，節(jié)約模擬時(shí)長(zhǎng).

4) 由于滲漏面積的存在，有火情況下氣承式膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓無(wú)法維持在峰值附近，最終的穩(wěn)定值略高于對(duì)應(yīng)的無(wú)火情況.這可能與氣體比熱容比受溫度影響有關(guān).