热管式耐温钢结构的实验与研究

魏冉+魏崎峰

【摘 要】 本论文涉及建筑领域，特别是涉及一种具有热管功能的复合型建筑钢结构。具体地说是当钢结构房屋发生火灾导致房屋立柱、钢梁等钢结构强度降低时，利用热管（或热管冷壁）将钢结构的热量传递到建筑外部，通过室外的水冷却将热量放散到环境中，从而降低钢结构的温度，防止或延缓房屋钢结构强度因高温而降低的装置，并通过实验证明其可行性。

【关键词】 热管 钢结构 耐火 耐高温

1 前言

钢结构具有强度高、施工快捷、塑性韧性好、制造简便、装配高效等优点，成为人们乐于采用的比较理想的一种建筑结构。但是钢材耐热不耐高温，随着温度升高到一定程度，强度就大幅度降低，一旦发生火灾，钢结构就可能在内部温度达到500—600℃时发生垮塌。因此，针对钢结构进行防火保护是非常重要的。

目前国内的钢结构防火保护时间是按照《建筑设计防火规范》、《高层民用建筑设计防火规范》所规定的建筑结构构件耐火极限来确定的。与建筑防火的其它方面一样，依据处方式设计规范进行建筑耐火设计也存在诸多问题，例如，不少建筑物的火灾荷载相差很大，但根据处方式设计规范却要求它们具有相同的耐火性能，这显然是不合理的[1]。

也有报道称，钢结构通常在450—650℃温度中就会失去承载能力，发生很大的变形，导致钢柱、钢梁弯曲形变，而不能继续使用，一般不加保护的钢结构的耐火极限为0.25h，与建筑物耐火极限标准的差距很大。也正是这一缺点制约了钢结构的应用和发展[2]。

美国9.11事件，世贸中心双塔被恐怖份子用民航客机自杀式撞击发生大火，钢结构在高温下失去强度而变软，最终倒塌。2009年2月9日，在建的中央电视台新台址园区文化中心发生特别重大火灾事故，由于灭火及时，仅造成直接经济损失16383万元，如果灭火不及时，后果不堪想象。国内外钢结构建筑物的火灾案例都证明，发生火灾后20分钟以内钢结构建筑物就会有被烧垮的威胁。特别是9.11事件后，钢结构的致命缺陷即考高温能力差的问题引起业界的普遍关注[3]。

我们可以相信，这两个大型钢结构建筑物在设计时，有关防火涂料和耐温措施肯定是经过专家们反复论证过的，但为什么还会出现高温失去强度、甚至坍塌的事故呢？究其原因就是：其选用的阻热系数再高的涂料和保温材料，也经不起长时间高温的烘烤。

目前解决钢结构的抗高温能力，主要从提高钢结构耐火极限和迅速降低火场温度两方面考虑，主要方法有：（1）阻隔温度，提高钢结构耐火极限，钢结构防火主要采用防火涂料、发泡防火漆和外包防火层等方法。（2）迅速排烟，降低火场温度。综上所述，无论采用哪种方式都是通过被动保护的方式或者改变外围环境条件力图解决钢结构的抗高温能力，还受到灭火时间的限制，如果灭火时间太长，所有的保温材料的温度与钢结构的温度将趋于极限，防护能力都会大大削弱，钢结构的强度降低或丧失金属强度造成钢结构坍塌。钢结构高层建筑即使发生不大的火灾，技术上也必须拆除才能保证安全。

综上所述，目前钢结构防火的方法和措施都停留在通过在表面增加热阻大的材料来实现的的，还没有出现一种新的方法能够在钢结构遇热后、钢结构本身能够迅速、主动地将热量散到室外，从而始终保持钢结构处于低温状态，保持钢结构强度不变。这种方式就是把钢结构做成一种具有热管功能的钢结构，来解决钢结构的抗高温能力的问题。

还有报道称：低碳钢钢材的导热性能非常好，如果火灾中钢材没有相应的隔热保护，其会由于受热升温很快就会产生变形或者承载力降低。在常温环境中钢材的导热率约为54W/（m.k）当温度升至800度以上时，热导率就会降低一半。钢材的热膨胀系数（a）可以由下面公式表示：

A=6.1*10-6+3.96-9 △T

其中，△T为热梯度。

厂房用的钢材临界温度通常在538℃—594℃之间，所以如果没有防火保护的钢结构虽然不是燃烧体，但仍不耐火，特别是轻钢结构中的腹杆、桁架等，在没有防火措施的情况下受灾五到十分钟就会垮塌[4]。

从被动防御火灾或耐受高温方面的思路出发，希望钢结构的导热系数越小、热阻值越大、能够抗高温的时间越长、抗高温能力越强。因此，通常在钢结构表面涂覆阻热、耐温材料实现防火功能。

具有热管传热性能的建筑钢结构，是利用钢材良好的导热性能，将热管和钢结构结合在一起，形成一种新型的钢结构，在遇到火灾时迅速启动传热，通过热管将热量源源不断地传递到建筑外边，通过外部水冷却后，始终保持钢结构处于低温状态，从而保证钢结构的强度。

2 热管简介

（1）热管概念：热管是由密闭的金属管壳和灌装在管壳内的传热工质构成的传热元件，分为三部分受热段（蒸发段）、绝热段和散热段（冷凝段），当受热段的工质受热后迅速蒸发，在散热段将热量散掉后工质冷凝，沿内壁面返回受热端，如此循环往复，形成一个不断传热、散热过程。用于钢结构方面的热管可采用两相闭式热虹吸管（又成为重力热管）。

热管具有优良导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热二极管性、环境适应性[5]、远距离传输性。利用环境适应性将热管与钢结构结合为热管复合式钢结构，利用热流密度的可变性，通过采用冷、热两侧的不同的流体介质、调节吸热段和散热段的换热面积实现受热端耐受1000℃的功能，利用热二极管性、导热性、等温性和远距离传输型实现在均温状态下将热量由建筑物内部通过热管传递到建筑物外部、上部，通过外部的水冷却，将热管的壁温调整到需要的温度。

（2）热管选取：选取热管时，首先推荐使用渠氏热超导技术[6]，渠氏热超导管的导热系数是白银导热系数30000万倍，即为14MW/mK。采用不同的热量计测得的最大热流密度为2.5*106W/m2，此值仅因受到加热设备所限，不能提供较大的输入功率，并非热超导管本身不能达到更高的传热能力。（原文：CONCLUSIONS：2.At 2.5*6Wm-2，the ratio of Keff to the thermal conduction of silver was greater than 30，000。3.The maximum heat flux density measured using differenters was2.5*106W/m2.This is limited only by the inability to achieve higher input power not by failure of the Supertube tn conduct heat.Equipment upgrade for achieving higher heat flux is in progress for per forming more experiments[7]）。在实验室测得的热超导管的轴向热流密度可达27.2WM/m2，径向热流密度可达158KW/m2。endprint

热超导管的导热系数是碳钢的25.9万倍，即便是普通钢水热管的导热系数也能达到7*103W/mk，是普通碳钢导热系数的100多倍。

3 热管式耐温钢结构

3.1 热管型耐温钢结构的结构系统及工作原理

热管型耐温钢结构热管式建筑钢结构以钢结构与热管紧密结合，形成一种热管式钢结构，以此作为一种新型的耐温钢结构，系魏冉女士、李致远先生的实用新型专利[10]（ZL 2012 2 0464975.6，目前正在申请本发明的发明专利）。

该钢结构既具有钢结构的强度作用又具有热管主动传热、散热的特性。该装置主要工作元件是热管（重力热管或内壁加吸液芯的热管），与建筑型钢结合有两种结构方式。一种是分离式另一种是一体式，分离式结构的特征是：外加热管被紧固在房屋立柱和钢梁上，使得钢结构具有热管的无动力传热、散热的能力。一体式结构的特征是：立柱、钢梁等型钢是热管的一部分，是具有热管功能的复合型钢结构。

钢结构建筑的立柱和钢梁一般采用一般用H型钢或者C型钢。该装置室内部分为蒸发段（吸热段）、冷凝段（放热段）穿出屋顶延伸出适当长度作为冷凝段。为提高同样长度冷凝散热段的散热能力，可在热管表面焊接鳍片，扩大散热面积，增强散热能力，缩小散热段占用空间，如图1所示。

（1）对于热管与型钢分离式结构的两者结合面设计：热管的截面有一面为平面，其他面可以是矩形、半圆形或其它形状。热管的平面与H型钢或者C型钢的一个平面接触。两者的结合方式用两种：一种是通过抱箍+螺栓将两者紧固在一起，另一种是热管平面向两侧伸出的带固定孔的板与型钢的一个平面的孔通过螺栓或焊接方式固定。为降低热管与型钢之间的接触热阻，两个界面之间涂有导热硅脂。（2）热管的布置方式：立柱与钢梁组合一起做连体热管、钢梁单独做热管、立柱单独做热管。（3）钢结构与热管的结合可采用一体型和分离型。

分体式使用的热管可单独制作、到现场安装，适于对钢结构建筑现场改造，属于后加型或改造型。如图2所示。

一体式：在钢结构厂将型钢做成具有热管功能的建筑构件，到现场安装。截面形式与分体式相同。如图3、图4所示。

（1）在热管的冷却段上方设有多个喷淋水装置，喷淋装置与水泵相连。（2）系统中设计了采用喷淋水散热的系统控制方案，可实现温控自动喷水。（3）热管式钢结构件在火焰或高温的作用下，蒸发段（热源加热段）的工质吸热蒸发，将热量迅速传递到冷凝段（室外段），将钢结构的温度降低，在冷凝段遇到冷水后，工质释放热量，冷凝后的工质在重力作用返回到蒸发段，把钢结构吸收到的热量源源不断地传导出去，完成传热过程。冷凝段遇到冷水后，将冷水加热变成高温水和蒸汽，将热量扩散到环境中，完成散热过程。确保钢结构温度远低于其性能改变的温度，保证了钢结构的强度。（4）喷淋用水采用原有消防水池内的水或其他方便的水源。

3.2 热管型耐温钢结构的特点

钢结构与热管一体化，既有钢结构的建筑功能又具有以外失火时的抗高温性能。

3.3 热管型耐温钢结构与普通C型钢耐温对比实验

（1）实验目的：本次试验采用热管一体型钢结构做耐高温实验的可靠性和抗高温耐受能力，同时与普通钢结构的耐温状况进行对比。

实验试件：C型钢标准对比试样为长度为800mm、140*58mm的C型钢，采用三种热管钢结构分别与标准C型钢试样作耐温对比试验。两种热管钢结构的具体做法：均采用140*58mm的C型钢，在140mm的长边的中心线向两侧扩展，去除与热管直径等宽的钢板变成两个L型角钢，再将热管焊接与两个L型角钢组焊在一起，制成异形的C型钢，保证C型钢的长边为140mm、其长度、宽度与标准C型钢相同。两种热管钢结构分别为：1）Φ63热管钢结构件——套焊Φ63的热管，2）Φ89热管钢结构件——套焊Φ89的热管。热管绝热段长度300毫米，散热段长度400毫米（如图5、图6所示）。

（2）实验方案：将热管式耐温钢结构组合件安放在燃烧的煤炉上的火焰中央，通过火焰直接加热耐温钢结构组合件，模拟以外失火时的状态，当结构件温度达到150℃以上时在散热段通过人工喷洒水，试验时间30分钟以上，观察热管式钢结构组合件的温度分布情况；同时以燃煤炉火焰中心线为基准，将普通钢结构（又称对比钢结构）和热管式钢结构对称安装在实验台上，尽量保证火焰同时间、同强度加热热管式钢结构和对比钢结构。测试时要求火焰高度达到或超过400mm（如图8、试验照片所示）。

（3）测温装置、测温时间与仪器仪表。

1）火烧期间和喷淋阶段，分别测试以下温度点。

T1——普通钢结构L/3处的温度；T2——普通钢结构2L/3处的温度；T3——热管式钢结构L/3处的温度；T4——热管式钢结构处的温度；T5——热管受热端L/2处的温度；T6——绝热段热管温度；T7——冷却段热管温度；T8——火焰温度。每2或5分钟测试一次温度，一直到热管式钢结构件温度达到150℃以上，开始喷水。喷淋阶段每2或5分钟测试一次，测试时间不少于30分钟；

2）实验器材、仪器仪表：模拟热源采用外径600mm米炉膛直径400mm、高度1000mm的燃煤炉，鼓风采用220V200W离心式交流鼓风机，火焰温度测试使用FLUCK-52Ⅱ数显测温表、使用Φ2.5*300mmK型热电偶，其余7点温度采用TC-2016多路温度测试仪、Φ0.5的K型感温热电偶测量，采用两个喷壶轮流喷水模拟自动喷水。

（4）实验数据。

（5）实验现象与分析。当热管式钢结构的热管被加热到150℃左右，只要一开始喷水，热管壁温迅速下降到被维持在100℃一下；而C型钢标准对比试验件的壁温随时间的延长，壁温一直上升，最高达到530℃；针对直径89热管钢结构与对比钢结构温度不同部位的温度对比如表1。endprint

喷水降温阶段各部位温度对比

火焰平均温度：777.7℃

普通钢结构件平均温度：491℃

热管平均温度：103.2℃

热管同一时间热管温差10℃

热管钢结构平均温度：207℃

普通干结构与热管钢结构平均温差：283.2℃

热管冷壁钢结构与热管平均温差：104.6℃

普通钢结构与热管的温差：387.78℃

从以上的实验数据来看，在777℃火焰作用下，热管式钢结构的平均温度为207℃，普通钢结构平均温度为491℃，两者温差283℃，耐受高温的能力提高了1.3倍。对于热管式钢结构的温度几乎是均温的，而普通钢结构在L/3、2L/3处的温度分别为530℃和444℃，在266mm的长度上温差就达到186℃，靠近火焰底部的温度点没有测试，应该比530℃要高得多，从图9照片上可以看出，普通钢结构的底部已经被火焰烧的通红了。

从图10冷却后的的照片也可以看出，凡经受过高温的部位，表面都呈现蓝色或褐黄色，没有经受高温的部分显示出黑色或a与烘烤前的颜色，热管呈现烘烤前的颜色是因为热管的壁温始终没有超过150℃，金属表面发黑是因为煤在燃烧过程中煤粉和焦油附着在金属壁面而显示的颜色。

4 结语

新型的热管式钢结构可将热源和冷源完全分离、实现远距离传热和散热，使新型钢结构既提高了钢结构强度又具有优良的抗高温性能，耐火极限时间由普通钢结构的0.25小时延长到几个小时或更长时间（如果施救需要的话），更为较长时间灭火提供了骨架强度保障，从而将火灾带来的损失降到最低限度。

热管式钢结构在传热、散热能力和抗高温性能方面有很大的提升空间，值得进一步研究并在建筑行业广泛推广使用。

参考文献：

[1]吴胜才著.大空间钢结构防火保护设计探讨.《中国西部科技》，2008年第24期.

[2]杜文宇著.钢结构防火处理的几种常用方法.《重庆科协学院学报（自然科学版）》，2007年12月第9卷第4期——28页.

[3]李韬著.浅谈钢结构防火保护措施的应用.《电大理工》，2010年第三期总第244期21页.

[4]梁文伟著.浅析钢结构厂房的防火设计措施.《建筑知识：学术刊 （建筑理论与设计）》——19页.

[5]庄骏，张红著.化学工业出版社出版P-6.热管技术及其工程应用Heat Pipe Technology and Engineering Application.

[6]渠玉芝美国专利：SUPERCONDUCTING HEAT TRANSFER MEDIUM U.S.PANTENT：6，132，823.

[7]SRI International phase ⅡReport·October 2000 PROPERTIES OF THE Qu SUPERTUBE.

[8]魏冉，李致远专利.一种耐高温的建筑钢结构（ZL 2012 2 0464975.6）.endprint

喷水降温阶段各部位温度对比

火焰平均温度：777.7℃

普通钢结构件平均温度：491℃

热管平均温度：103.2℃

热管同一时间热管温差10℃

热管钢结构平均温度：207℃

普通干结构与热管钢结构平均温差：283.2℃

热管冷壁钢结构与热管平均温差：104.6℃

普通钢结构与热管的温差：387.78℃

从以上的实验数据来看，在777℃火焰作用下，热管式钢结构的平均温度为207℃，普通钢结构平均温度为491℃，两者温差283℃，耐受高温的能力提高了1.3倍。对于热管式钢结构的温度几乎是均温的，而普通钢结构在L/3、2L/3处的温度分别为530℃和444℃，在266mm的长度上温差就达到186℃，靠近火焰底部的温度点没有测试，应该比530℃要高得多，从图9照片上可以看出，普通钢结构的底部已经被火焰烧的通红了。

从图10冷却后的的照片也可以看出，凡经受过高温的部位，表面都呈现蓝色或褐黄色，没有经受高温的部分显示出黑色或a与烘烤前的颜色，热管呈现烘烤前的颜色是因为热管的壁温始终没有超过150℃，金属表面发黑是因为煤在燃烧过程中煤粉和焦油附着在金属壁面而显示的颜色。

4 结语

新型的热管式钢结构可将热源和冷源完全分离、实现远距离传热和散热，使新型钢结构既提高了钢结构强度又具有优良的抗高温性能，耐火极限时间由普通钢结构的0.25小时延长到几个小时或更长时间（如果施救需要的话），更为较长时间灭火提供了骨架强度保障，从而将火灾带来的损失降到最低限度。

热管式钢结构在传热、散热能力和抗高温性能方面有很大的提升空间，值得进一步研究并在建筑行业广泛推广使用。

参考文献：

[1]吴胜才著.大空间钢结构防火保护设计探讨.《中国西部科技》，2008年第24期.

[2]杜文宇著.钢结构防火处理的几种常用方法.《重庆科协学院学报（自然科学版）》，2007年12月第9卷第4期——28页.

[3]李韬著.浅谈钢结构防火保护措施的应用.《电大理工》，2010年第三期总第244期21页.

[4]梁文伟著.浅析钢结构厂房的防火设计措施.《建筑知识：学术刊 （建筑理论与设计）》——19页.

[5]庄骏，张红著.化学工业出版社出版P-6.热管技术及其工程应用Heat Pipe Technology and Engineering Application.

[6]渠玉芝美国专利：SUPERCONDUCTING HEAT TRANSFER MEDIUM U.S.PANTENT：6，132，823.

[7]SRI International phase ⅡReport·October 2000 PROPERTIES OF THE Qu SUPERTUBE.

[8]魏冉，李致远专利.一种耐高温的建筑钢结构（ZL 2012 2 0464975.6）.endprint

喷水降温阶段各部位温度对比

火焰平均温度：777.7℃

普通钢结构件平均温度：491℃

热管平均温度：103.2℃

热管同一时间热管温差10℃

热管钢结构平均温度：207℃

普通干结构与热管钢结构平均温差：283.2℃

热管冷壁钢结构与热管平均温差：104.6℃

普通钢结构与热管的温差：387.78℃

从以上的实验数据来看，在777℃火焰作用下，热管式钢结构的平均温度为207℃，普通钢结构平均温度为491℃，两者温差283℃，耐受高温的能力提高了1.3倍。对于热管式钢结构的温度几乎是均温的，而普通钢结构在L/3、2L/3处的温度分别为530℃和444℃，在266mm的长度上温差就达到186℃，靠近火焰底部的温度点没有测试，应该比530℃要高得多，从图9照片上可以看出，普通钢结构的底部已经被火焰烧的通红了。

从图10冷却后的的照片也可以看出，凡经受过高温的部位，表面都呈现蓝色或褐黄色，没有经受高温的部分显示出黑色或a与烘烤前的颜色，热管呈现烘烤前的颜色是因为热管的壁温始终没有超过150℃，金属表面发黑是因为煤在燃烧过程中煤粉和焦油附着在金属壁面而显示的颜色。

4 结语

新型的热管式钢结构可将热源和冷源完全分离、实现远距离传热和散热，使新型钢结构既提高了钢结构强度又具有优良的抗高温性能，耐火极限时间由普通钢结构的0.25小时延长到几个小时或更长时间（如果施救需要的话），更为较长时间灭火提供了骨架强度保障，从而将火灾带来的损失降到最低限度。

热管式钢结构在传热、散热能力和抗高温性能方面有很大的提升空间，值得进一步研究并在建筑行业广泛推广使用。

参考文献：

[1]吴胜才著.大空间钢结构防火保护设计探讨.《中国西部科技》，2008年第24期.

[2]杜文宇著.钢结构防火处理的几种常用方法.《重庆科协学院学报（自然科学版）》，2007年12月第9卷第4期——28页.

[3]李韬著.浅谈钢结构防火保护措施的应用.《电大理工》，2010年第三期总第244期21页.

[4]梁文伟著.浅析钢结构厂房的防火设计措施.《建筑知识：学术刊 （建筑理论与设计）》——19页.

[5]庄骏，张红著.化学工业出版社出版P-6.热管技术及其工程应用Heat Pipe Technology and Engineering Application.

[6]渠玉芝美国专利：SUPERCONDUCTING HEAT TRANSFER MEDIUM U.S.PANTENT：6，132，823.

[7]SRI International phase ⅡReport·October 2000 PROPERTIES OF THE Qu SUPERTUBE.

[8]魏冉，李致远专利.一种耐高温的建筑钢结构（ZL 2012 2 0464975.6）.endprint