实体火灾实验中热电偶支架结构的设计与应用★

张 唯 刘 庆 孟天畅 王 礼 南卫涵

(中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

火灾一直以来都是人类的噩梦，因为火灾一旦发生，可能会产生巨大的影响，甚至造成难以估量的损失。为此，专家们在不断探究如何从根本上降低火灾的发生几率或者最大程度地降低火灾所造成的损失。而在众多的研究方法中，全尺寸实体火灾实验是比较受大家推崇的，因为它能够最大程度地还原火灾发生时的真实场景，同时又对实体火灾灾变机理和火灾发展蔓延规律的研究起到了极其重要的作用。

然而，火灾发展蔓延规律的研究离不开对于温度场的研究。实体火灾实验中，对温度场的研究就是了解空气的温度随时间的变化情况和不同构件表面温度随时间的变化规律，从而可以掌握整个建筑在各个时间节点的温度变化以及火灾蔓延传播规律。在实验过程中，温度数据的采集成为了十分重要的一环。在通常情况下，K型铠装镍铬—镍硅热电偶被广泛使用。而在实际实验中，可能需要测量同一立面上不同高度处的温度值。此时，“热电偶束”应运而生。

在测量过程中，热电偶的良好固定是温度场数据采集准确性的基础。热电偶支架是热电偶固定的首选。而在目前的实验研究中，热电偶支架的设计以及应用的相关研究还并未涉及。所以，本文将详细说明热电偶支架的设计要素，并将结合一个全尺寸实体火灾实验进行应用验证。

1 热电偶支架设计要素

在热电偶支架设计的过程中，有多种因素需要被考虑，如结构稳定性、通用性、便携性和耐火性能等。

1.1 结构稳定性

具有良好结构稳定性的热电偶支架不仅能够使测量数据更加精确，还能够在整个火灾发展历程中使后期的实验数据分析更加丰富和全面。倘若在火灾初期就由于热电偶支架的结构稳定性差而使支架倾倒，这将极大的影响到温度数据采集的完整性和整个实验的价值。

1)热电偶支架结构稳定性的理论分析。

结构的稳定性一般与其重心高度和支承面积密切相关，热电偶支架也不例外。在实际设计中，热电偶支架一般由竖杆和支承底座两部分组成。

热电偶支架的重心高度直接决定着其稳定性。图1展示了两个有着不同重心高度但支承面积相同的热电偶支架的一种平衡状态。从二力平衡条件[1]可知，当支架受到的重力延长线恰好穿过支架的支点时，结构正好处于平衡状态。支架在处于平衡状态时会产生一个倾角α，当倾角小于α时，支架会回到水平状态，但当倾角大于α时，支架会失去平衡从而倾倒。而其中支架b的重心高度低于支架a，导致支架b在平衡状态时产生的倾角α2明显大于支架a在平衡状态时产生的倾角α1，这就意味着支架b从初始状态到倾斜的平衡状态有着更大的空间范围，说明与支架a相比，支架b更不易倾倒且有着更强的稳定性。因此，这就说明热电偶支架的重心高度越低，则其稳定性越高。

此外，热电偶支架的支承面积大小同样是影响其稳定性的重要因素。图2展示了两个支承面积不同但重心高度相同的热电偶支架的一种平衡状态。 其中支架c的支承面积大于支架a，导致支架c在平衡状态时产生的倾角α3明显大于支架a在平衡状态时产生的倾角α1，这就意味着支架c从初始状态到倾斜的平衡状态有着更大的空间范围，说明与支架a相比，支架c更不易倾倒且有着更强的稳定性。进而说明，热电偶支架的支承面积越大，则其稳定性越高。

由此可见，从稳定性的角度而言，实际应用时应选用重心高度较低且支承面积较大的热电偶支架。

2)基于ABAQUS数值模拟的热电偶支架稳定性理论验证。

利用ABAQUS软件对热电偶支架进行处于静力状态下的稳定性分析。建模时，对热电偶支架进行简化处理，将由圆柱形底座和2 m长的空心钢质竖杆组成的支架放置于水泥地面上，并在支架竖杆的1 m高度处施加水平位移使竖杆不断倾斜。在此过程中，在位移施加处同时会产生反作用力，该反力会随位移变化而不断变化。在初始状态和倾斜状态下的热电偶支架ABAQUS模型如图3所示。

为了方便对比，共建立了三个热电偶支架模型。其中三个模型均使用了同样的空心钢质竖杆，但为分析支架的重心高度和支承面积对其稳定性的影响，分别调整了底座密度和底座底面半径，三个模型的底座具体信息如表1所示。

表1 三个ABAQUS模型的底座密度和底座半径

其中，与模型1相比，模型2的底座密度更大，但同时保证它们的支承面积(底座半径)相同，这意味着模型2比模型1的重心高度更低。

基于ABAQUS对热电偶支架进行数值模拟计算，模型1和模型2中施加的位移与在位移施加处产生的反力计算值之间的关系曲线如图4所示。

由图4可知，随着水平位移不断增大，当反力为0时，支架达到平衡状态，此时达到支架失稳前的最大水平位移量(极限位移量)，而支架的极限位移量越大，意味着其更不易倾倒。通过对比发现，重心高度更小的模型2的极限位移量更大，也就更不易失稳。同时，印证了之前的理论：热电偶支架的重心高度越低，则其稳定性越高。

此外，与模型1相比，模型3的支承面积(底座半径)更小，但同时保证两个模型的重心高度相同。

基于ABAQUS对热电偶支架进行数值模拟计算，模型1和模型3中施加的位移与在位移施加处产生的反力计算值之间的关系曲线如图5所示。

同样的，由图5可知，通过对比发现，支承面积更大的模型1的极限位移量更大，也就更不易失稳。这也就印证了之前的理论：热电偶支架的支承面积越大，则其稳定性越高。

1.2 通用性

通用性即普遍适用性。支架杆应可自由伸缩，可将热电偶固定搭接在任何所需位置。此前的做法大多是先将钢丝或绳子倒挂在梁或构件上，再将热电偶绑扎到钢丝或绳子上，这种固定方式通常会使数据受火焰和热烟气的影响而不稳定，或出现部分数据不可用的现象。所以相较于普遍的热电偶固定方式，热电偶支架大大提升了热电偶固定位置的灵活性和准确性，从而为最终温度测量值的准确性提供了最大保障。

1.3 便携性

热电偶支架质量应相对较轻，且应可拆卸以便于搬运。这将有效节省空间的使用并方便运输，同时为室外火灾实体实验中热电偶的布置安装提供更大便利。

1.4 耐火性能

热电偶支架应选用耐火性能较优的材质。例如304不锈钢。根据董方等人[2]关于304不锈钢高温力学性能的研究表明，其抗拉强度在750 ℃～900 ℃内下降速率较大，温度1 150 ℃左右时，抗拉强度大约为30 MPa，1 370 ℃左右时，抗拉强度完全丧失。而屈服强度在700 ℃～850 ℃内下降速率较大，1 250 ℃左右，屈服强度下降到小于20 MPa。由于在实际试验过程中，热电偶架仅用来固定热电偶，实际作用力很小，故在实体火灾试验中304不锈钢材质的热电偶支架能够很好的完成任务，尽可能长时间的保证支架不出现变形垮塌，采集到相对完整的数据。

2 热电偶支架的设计与选取

基于以上四种热电偶支架的设计要素，一款新型的热电偶支架被设计出来。此热电偶支架由支承底座和竖杆构成，其中支承底座包含5个支腿，支架设计图和实体图分别见图6，图7。

为了设计的合理性以及验证上述理论的准确性，另外选取了4种不同的支架同新型支架一起进行测试并对比，共5种热电偶支架及其底座如图8～图12所示。

其中，重心高度使用式(1)[3]进行计算。从式(1)中可知，在假定上方杆件的长度和质量保持不变时，下方支座的质量决定着整个支架的重心高度。当支座的质量越大时，则整个支架的重心高度越低。通过测量，杆自重为1.5 kg，杆长为2 m。根据式(1)[3]，可将热电偶架分为两部分，即竖杆及底座。五种支架均使用相同长度的竖杆，杆自重为14.7 N(取9.8 N/kg)，杆重心高度约为1 m。

(1)

其中，h为物体重心离地面的高度,mm;T为物体自重，kg;i为物体的编号。

而支架的支承面积是支座的底面积或者多个支座支脚最外端部点相连组成的图形面积。同时，还可以在支架上方人为施加1个单位力，定性地分析支架是否稳定。基于上述计算方法， 测试结果如表2所示。

表2 五种不同热电偶支架稳定性测试数据

从表2中可以看出，支架1的重心最高且支承面积最小，插入竖杆后无法直立，稳定性最差。支架2和支架3有各自的缺陷，支架2的重心虽较低但其支承面积依旧偏小，而支架3的支承面积虽较大但其重心高度却偏大，最终支架2和支架3的稳定性也是比较差的。相较于前面几种支架，支架4和新型支架的稳定性表现良好，重心都较低且支承面积都相对更大，正常放置竖杆和热电偶后依旧具有足够的稳定性，这也同时印证了先前理论的准确性。

此外，与其余4个支架相比，新型热电偶支架采用的5个支腿 的支承底座也对其良好的稳定性起到了重要的作用。这根本的原因在于3个支腿的支承底座就构成了静定结构，而5个支腿的支承底座构成了具有强大稳定性的超静定结构。根据《结构力学(上册)》[4]可知，超静定结构是拥有多余约束的几何不变体系，且其多余约束破坏后仍能维持几何不变体系。所以，当此新型支架由于破坏失去1个支腿时，其仍能保持良好的稳定性，这也就更加体现了新型支架在稳定性方面的强大优势。

另外，与支架4相比，新型支架的支架杆更加满足通用性的要求，可根据热电偶需搭接位置自由伸缩同时可配合十字连接扣(见图13)，在竖杆的任意位置固定横杆，可使热电偶在平面内任意位置准确地固定放置(见图14)。

除此以外，新型支架的总体重量更轻且其支架杆可缩短至1 m，底座与竖杆使用螺栓连接，连接更牢固且易于拆卸。在拆卸过程中，使用普通扳手和六角板子就可轻松将热电偶架分成底座，十字连接扣和支架杆(见图15)。由此可见，新型支架在便携性上也更胜一筹。另外，新型支架全身采用的不锈钢304材质能够充分满足耐火性能的要求。

综上，基于热电偶支架的四大设计要素并通过对比，选取新型支架为最终的热电偶支架设计方案。

3 在全尺寸火灾实体实验中的应用

2020年8月23日，在贵州省榕江县高赧村由中国建筑科学研究院有限公司牵头的“十三五”国家重点研发计划项目“村镇建筑火灾灾变机理与适宜性防火理论体系”课题全尺寸木屋实体火灾实验顺利完成。在此次全尺寸实体火灾实验中，共建造了4个木屋进行实验，其中使用热电偶进行温度数据采集的3个木屋中全部架设了该热电偶支架，木屋平面布置及现场房间部分热电偶架布置如图16～图19所示。

实验中，从23 min开始，3号房出现结构破坏并伴随局部倒塌，随即4号房和1号房屋相继结构破坏。而在3个木屋中，使用该热电偶支架共采集了大约23.5 min的温度数据。例如，选择在3号木屋一层点火源处架设了一个支架，在支架上固定了4支热电偶分别测量沿高度方向距火源上方0.5 m，1.0 m，1.5 m和2.0 m处的温升变化(见图18)。实验后，对实验温度数据进行了分析，结果表明热电偶温度数据正常可用。由此可见，该热电偶架在前23.5 min内并没有受到火焰和热烟气的影响，保证了温度数据的准确平稳采集并为后续的试验分析打下了良好基础，在符合稳定性、通用性、便携性和耐火性能的前提下，在实体火灾实验中得到了成功地应用。

4 结语

1)用于全尺寸火灾实验中的热电偶支架的设计要素应包括良好的稳定性、通用性、便携性和耐火性能。

2)热电偶支架的重心高度越低且支承面积越大，则其稳定性越高。

3)在全尺寸火灾实体实验的实际应用中，使用热电偶支架得到的温度数据正常，表明该热电偶支架未受到前期火焰和热烟气的影响，能够利用其良好的性能保证温度数据的采集。