0 引言

　　 铝合金材料具有轻质高强、耐腐蚀性好、可挤压成型、可循环利用等优点，在建筑结构中的应用越来越广泛，常应用于建筑幕墙型材、大型金属屋面板材、人行桥梁、门式刚架、空间网格结构、通讯塔架、低层框架结构等 ^[1,2,3,4,5]。但金属材料在常温和高温下的力学性能具有很大差异，当温度升高时，铝合金材料的强度和弹性模量下降很快。当温度达到200℃时，结构用铝合金材料的强度开始明显下降；当温度达到300℃时，结构用铝合金材料的强度下降到常温时强度的50%以下；当温度达到550℃时，结构用铝合金材料的强度和弹性模量基本丧失 ^[6]。因此，铝合金结构的耐火性能较差，这已成为制约其发展的重要因素。

　　 在防火性能方面，铝合金结构和钢结构具有一定的相似性，铝合金材料和钢材均为金属材料，其力学性能均随着温度的升高而急剧降低。因此，可以参考钢结构的防火保护方法开展适用于铝合金结构防火保护方法的研究。

　　 在空心结构构件填充混凝土或水是提高构件耐火性能的有效方式，如钢管混凝土、钢柱注水等。据估计，全世界大约有40座建筑物采用构件注水方式来保障构件的耐火性能 ^[7],如美国的堪萨斯州银行大厦和匹兹堡钢铁公司大厦就应用了该方法。该方法允许结构构件直接裸露，不会因防火保护要求而增加结构构件的厚度，具有美观、空间占用率低等优点。但这种方法会增加结构自重，需要足够的水源与供水系统，对于钢结构而言，还需要考虑水腐蚀性问题，且由于对结构有着特殊的要求，需要对水流、泵系统、结构材料等做专门的设计，因此该方法在国内外应用并不多。但对于铝合金结构而言，由于铝合金材料具有很好的耐腐蚀性，无需特别考虑水腐蚀问题，且铝合金型材可挤压成型，灵活性较高，较易实现一些非常规结构。因此，铝合金结构采用注水保护技术具备一定的优势。日本新谷眞人等 ^[8,9,10]开展了通过水冷方式提高铝合金管材、面材、连接部位耐火性能的研究，结果表明可以通过控制水流速度控制铝合金型材的温度，并确保铝合金型材在火灾情况下的温度低于200℃,国内则未见相关研究。

　　 因此本文将通过空心铝合金构件的受火试验，研究注水对空心构件耐火性能的影响。

1 铝合金构件注水防火试验平台

　　 试验平台主要由气体燃烧器、试验反力架及配重砝码、供水装置、测试系统等组成，示意图如图1所示。f为受火区域温度测量点；in, out分别为进出口水温测量点；F为集中荷载；a, b,c分别为铝合金构件背火面测温点，其中a, c位于荷载施加位置，b位于构件背火面中心位置。

　　 图1 试验平台示意图  

　　  

　　 图2 燃烧盘构造示意图  

　　  

1.1 气体燃烧器

　　 气体燃烧器作为试验用火源，燃料选用液化石油气。气体燃烧器由燃烧盘、燃料控制系统、输气管线组成，功率为100～300kW,燃气压力为0.3～0.8bar, 燃气流量3～10Nm³/h。其中，燃烧盘尺寸为1 000mm×500mm, 壳体由不锈钢板材焊接而成，内部设置由多组气管组成的燃烧管，顶部有耐热网格板，如图2所示。

1.2 试验反力架及荷载

　　 试验反力架由碳钢钢管焊接而成，宽1 800mm, 如图3所示，用于支撑铝合金构件。铝合金构件的耐火极限与其荷载大小有关，因此在耐火试验中向铝合金构件施加一定的荷载。荷载采用集中荷载F模拟某个铝合金结构项目中构件产生的弯曲效果，设置2个加载点，间距为1m, 每个加载点配置2个质量为25kg的标准砝码，如图1所示。

1.3 供水装置及测试系统

　　 供水装置由水泵、管路、阀门、流量计等组成，用于对空心铝合金构件定量供水。

　　 测试系统主要由温度数据采集系统和摄像机等组成。温度数据采集系统由Measurement Computing公司的DAQami数据采集软件、配套的数据采集卡(USB-TC,USB-TEMP)及温度传感器(受火区域f温度采用K型铠装热电偶测量；构件背火面a, b,c温度采用K型贴片式热电偶测量；构件进出口水温in, out温度采用热电阻测量)等组成。USB-TC,USB-TEMP均有8个通道，采样率每通道均为1～2次/s, 其中USB-TC用于连接K型铠装热电偶及K型贴片式热电偶，USB-TEMP用于连接热电阻。

2 试验构件、试验步骤及试验工况

2.1 试验构件

　　 试验构件选用铝合金方管，规格为50mm×50mm×2mm, 铝合金牌号是6063-T6,每根构件长2m。构件两端用铝板焊住，并在铝板上焊接进出水管，用以连接供水装置。铝合金构件示意图及两端处理方式如图4和图5所示。

　　 图3 试验反力架  

　　  

　　 图4 铝合金构件示意图 

　　  

　　 图5 铝合金构件两端处理方式 

　　  

2.2 试验步骤及试验工况

　　 具体的试验步骤为：1)将铝合金构件放置在试验反力架上，按图1所示布置配重砝码，即F=25kg, 连接进、出水管，并安装温度传感器；2)铝合金构件上方覆盖一层岩棉，使得试件三面受火；3)将气体燃烧器置于铝合金构件中部下方位置；4)启动测试系统，开始采集试验数据；5)启动水泵，调节阀门，观察流量计示数，调节到试验设定流量；6)点燃气体燃烧器，调节燃气流量为3Nm³/h, 观察铝合金构件位移变化情况、背火面温度变化情况，待铝合金构件失效后或温度基本保持不变后停止试验，记录试验数据。试验工况如表1所示。

　　 图6 无保护情况下的试验过程  

　　  

　　 图7 无保护情况下铝合金构件的受火变形情况 

　　  

　　 试验工况 表1

工况	1	2	3	4
水流量/(L/min)	0	0	0.8	1.8

 

　　 注：工况2中试件内部有7mm高水层。

　　  

3 试验结果

3.1 无保护铝合金构件受火试验

　　 无保护情况下的试验过程、受火变形情况以及受火区域和铝合金背火面温度变化如图6～8所示。由图可知，点火后受火区域温度基本维持在700℃左右，在无保护的情况下，铝合金构件背火面的温度随着加热时间的增长而不断升高。试验初期，铝合金构件背火面的温度较低，未观察到铝合金构件出现明显变形；加热180s后开始观察到铝合金构件发生轻微变形，此时铝合金构件背火面温度约为290℃,随后变形逐渐变大，至约215s左右，铝合金构件发生明显变形，至217s时完全屈服，此时铝合金构件背火面温度约为315℃。铝合金构件发生屈服后温度继续升高是因为试件表面热电偶脱落直接接触到了火焰。

　　 可见，在未采取防火保护措施的情况下，铝合金构件的耐火性能极差，在短时间内在发生了屈服。

3.2 注水铝合金构件受火试验

　　 本次试验的铝合金构件内部注有一层水，注水铝合金构件受火试验过程、受火试验温度变化情况如图9～11所示，受火区域的温度基本维持在700℃左右。试验初期，由于试件内水的存在，随着加热的持续，铝合金构件背火面温度逐渐上升至100℃左右，随后，水沸腾吸热并产生大量的水蒸气(图10),铝合金构件背火面的温度基本维持在100℃左右，并保持了较长时间。试件内水全部蒸发完后，铝合金构件背火面温度才再逐渐升高，直至发生屈服。屈服时，铝合金构件背火面测温点a, b的温度分别为354,204℃。

　　 图8 无保护情况下受火区域和铝合金背火面温度变化 

　　  

　　 可见，水的存在可提高铝合金构件的耐火性能，延缓铝合金构件的失效时间。

3.3 通水铝合金构件受火试验

　　 根据2.2节所述的试验步骤和试验工况开展了铝合金构件通水后受火试验，试验结果如图12～16和表2所示。由图表可知，试验过程中受火区域的温度基本维持在750℃左右，在水流量为0.8L/min和1.8L/min的情况下，试验开始后，铝合金构件背火面温度、铝合金构件出水口温度先随着试验时间的增长而升高，这是因为火焰的部分热量通过热辐射和对流等方式被水流吸收了；随着试验的持续，铝合金构件背火面温度、铝合金构件出水口温度逐渐升高，升高到一定程度后基本变化不大，说明此时火源、铝合金构件、水流存在一个动态的热平衡，可保证铝合金构件的耐火性能。

　　 图9 注水铝合金构件受火试验过程  

　　  

　　 图10 试验过程中产生的水蒸气  

　　  

　　 图11 注水铝合金构件受火试验温度变化情况  

　　  

　　 图12 水流量为0.8L/min时受火区域 温度及构件背火面温度变化情况 

　　  

　　 图13 水流量为0.8L/min时构件 进出水口水温变化情况 

　　  

　　 图14 水流量为1.8L/min时受火区域 温度及构件背火面温度变化情况 

　　  

　　 图15 水流量为1.8L/min时构件 进出水口水温变化情况 

　　  

　　 图16 水流量为0.8L/min时铝合金构件 受火试验过程 

　　  

　　 在试验过程中均未观察到铝合金构件的明显变形，铝合金构件的温度均可控制在150℃以下，且水流量越大，铝合金构件的温度越低。可见，水流量对铝合金结构注水防火保护的效果有较大影响，水流量越大，冷却控温效果越好。

　　 热平衡时各部位的温度/℃ 表2

水流量 /(L/min)	Tf	Tal	a	b	c	in	out
0.8	718.2	109	36.8	108.6	85.2	26.0	79.7
1.8	747.3	88.5	79.3	88.5	74.1	25.8	53.3

 

　　 注：T_f为受火区域最高温度；T_al为铝合金构件的最高温度。

　　  

4 结论与展望

　　 (1)在一定荷载作用下，未采取防火保护措施的铝合金构件耐火性能极差，短短几分钟内就发生了屈服。因此，对于可能受火灾波及的建筑铝合金结构尤其是铝合金承重构件而言，应采取符合安全要求的防火措施。

　　 (2)铝合金构件注水防火保护技术是有效的，可通过水的蒸发吸热和水流的换热作用带走构件吸收的热量，提高构件的耐火性能。

　　 (3)铝合金构件注水防火保护的方式具有不破坏铝合金美观性能、高效冷却等优点。对于采用了较大中空构件的低多层铝合金框架结构建筑，可考虑采用此种防火保护方式。

　　 本文针对铝合金结构的注水防火保护做了一些工作，但仍有许多不足，如本文中使用的气体燃烧器并不能实现试验温度按标准升温曲线升温，因此，今后还可从以下两部分开展深入研究：1)在标准耐火试验炉内，按标准升温曲线或其他升温曲线开展铝合金梁、柱耐火试验，明确在标准火灾情况下铝合金结构注水保护的技术参数；2)设计具备水流通路的实体铝合金结构建筑，通过实体火灾试验明确该防火保护技术的主要设计参数。