鋼結(jié)構(gòu)建筑具有性能穩(wěn)定、強度高、加工精度高、裝配性能好、自重輕、吊裝施工方便、施工周期短等優(yōu)點，在國家大力發(fā)展綠色環(huán)保經(jīng)濟建設(shè)的前提下，冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)成為一種極具前景的結(jié)構(gòu)形式。

然而，在城市的建設(shè)需求逐漸增大過程中，城市中火災(zāi)的發(fā)生越來越頻繁。統(tǒng)計表明，相比與其他類型的火災(zāi)，建筑火災(zāi)的次數(shù)和造成的損失更大，在各類火災(zāi)中建筑火災(zāi)發(fā)生的 次數(shù)和造成的人員傷亡以及財產(chǎn)損失居于首位。

在冷成型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中，其 耐火性能的薄弱性也日趨明顯，這是由于在火災(zāi)高溫下，冷成型的強度和彈性模明顯降低，這容易導(dǎo)致構(gòu)件失效和結(jié)構(gòu)倒塌。2013年溫州甌海冷城 型鋼廠房發(fā)生火災(zāi)，約15分鐘后，鋼材強度已不足以支撐建筑。

廠房整體了發(fā)生垮塌。因此，為使冷成型鋼結(jié)構(gòu)建筑既能更廣泛地得到推廣和應(yīng)用，又不會輕 易受到火災(zāi)影響，必須采取一定的防火措施，使得充分體現(xiàn)綠色環(huán)保建筑的價值。目前，防火設(shè)計可分為主動防火和被動防火兩大類。

主動防火本質(zhì)上是采用噴水、噴霧等撲滅大火，而被動防火則是采用噴涂防火涂料或板材延緩熱量傳遞。其中，被動防火措施中采用無機防火板材作為覆板隔熱是一種有效的防火措施， 這可以延緩冷成型鋼構(gòu)件升溫。

有助于避免火災(zāi)中由于冷成型鋼構(gòu)件強度降低導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)倒塌。石膏板因其輕質(zhì)、易加工、良好隔熱性能、裝飾性能好的特點，被廣泛用于冷成型鋼構(gòu)件覆板隔熱，以此提升冷成型鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能。

同時石膏板原料取材方便，符合我國資源豐富特點，這造就我國成為石膏板使用大國，也促使研究人員廣泛開展石膏板覆面的鋼構(gòu)件耐火性能研究。目前，冷成型鋼構(gòu)件耐火試驗價格昂貴。

利用數(shù)值模擬研究冷成型鋼組合構(gòu)件的耐火性能可以大大降低試驗成本并提高效率，因此近年來許多耐火設(shè)計人員大力開展數(shù)值模擬研究。其中，石膏板覆板的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容及密度作為數(shù)值模擬重要輸入?yún)?shù)，對于數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響顯著。

但是，石膏板制造廠商較多，其熱工性能很可能受到制造商和原產(chǎn)國差異的影響，從而導(dǎo)致 不同石膏板的熱物理性能存在差異；而石膏板在使用過程中，隨紫外光、溫度 作用時長的累加，石膏板熱物理性能則可能發(fā)生退化。

這體現(xiàn)在石膏板在受火過程中，伴隨吸熱、放熱和質(zhì)量變化的物理和化學(xué)反應(yīng)，不同石膏板的受火 應(yīng)程度和狀態(tài)存在差異，這將影響石膏板的耐火性能，從而導(dǎo)致石膏板覆面的冷 成型鋼組合構(gòu)件耐火性能的數(shù)值模擬結(jié)果對于其他制造商和產(chǎn)地并不適用。

或數(shù)值模擬結(jié)果偏不安全。此外，根據(jù)石膏板使用需求，在普通系列石膏板基礎(chǔ)上，衍生出具備防水、隔聲或更強防火性能的石膏板。其中，普通石膏板和防火石膏板是最常見的石膏板類型，且普通石膏板相較防火石膏板更具價格優(yōu)勢。

因此，從經(jīng)濟性角度，有 必要考察普通石膏板與防火石膏板受火隔熱性能的差異。綜上所述，開展石膏板高溫?zé)嵛锢硖匦匝芯?，提出考慮石膏板品牌、類型差異影響的石膏板統(tǒng)一和簡化表達式。

以及考慮UV和溫度老化作用影響的石膏板統(tǒng)一表達式，為冷成型鋼組合構(gòu)件耐火性能探究的數(shù)值模仿真提供準(zhǔn)確的材性輸 入，這對提升防火安全設(shè)計工作具有重要的現(xiàn)實意義。

1.2.1石膏板熱物理性能研究現(xiàn)狀

石膏板受火隔熱性能的影響因素眾多，受石膏板原材料生產(chǎn)區(qū)域或石膏板生 產(chǎn)商生產(chǎn)工藝的影響，石膏板密度、成分含量、添加劑種類各有不同，從而導(dǎo)致石膏板受火隔熱性能不盡相同。

因此，獲得準(zhǔn)確的石膏板熱物理性能對于預(yù)測冷 成型鋼構(gòu)件耐火性能具有重要意義，國內(nèi)外學(xué)者針對地區(qū)內(nèi)常見的石膏板進行了 高溫?zé)嵛锢硖匦缘臏y定，并結(jié)合石膏板開裂、脫落等現(xiàn)象進行修正。

以此作為基本參數(shù)應(yīng)用于冷成型鋼結(jié)構(gòu)傳熱理論及數(shù)值模擬研究?；谑喟宓氖芑鹈撍鼰崽匦?，國內(nèi)外學(xué)者對石膏板內(nèi)自由水和結(jié)晶水含量進行測定，并探究其對于傳熱數(shù)值模擬結(jié)果的影響。

其中，Ang、Frangi針對石膏板中含水率對石膏板比熱容和傳熱數(shù)值模擬結(jié)果的影響進行了詳細研 究，其研究表明石膏板含水率越高，傳熱數(shù)值模擬中石膏板溫升曲線的脫水平臺 越長。

由此說明，石膏板結(jié)晶水含量差異將影響傳熱數(shù)值模擬結(jié)果，有必要考慮不同石膏板結(jié)晶水含量。此外，Frangi指出不同類型的石膏板所含成分比例不 同，石膏板的含水量也存在不同程度的差異。

同樣的，Sroeder采用差示掃描 量熱法計算脫水反應(yīng)所需的能量，其結(jié)果與Mehaffey和Wakili的數(shù)據(jù)保持 一致，但作者與文獻中采用石膏板純度并不相同，分別為96.9%、69.5%和81%純度，作者認為石膏板脫水所需的能量不僅與石膏的成分有關(guān)。

而且與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這也表明不同類型石膏板脫水吸熱能力存在差異，這將影響石膏板熱 物理性能，從而導(dǎo)致基于單一石膏板材性的冷成型鋼構(gòu)件傳熱數(shù)值模擬結(jié)果并不 通用。比熱容同樣能夠反映石膏板的脫水吸熱性。

且其作為冷成型鋼組合構(gòu)件受火 傳熱數(shù)值模擬的重要輸入?yún)?shù)，比熱容曲線中吸熱峰區(qū)域的起、止、峰值溫度將影響傳熱數(shù)值模擬的結(jié)果。Weber在進行傳熱數(shù)值模擬前，首先對石膏板比熱容曲線的峰值溫度進行了校準(zhǔn)。

并將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，其研究表明：不同峰值溫度的比熱容曲線將使模擬結(jié)果產(chǎn)生較大差異，并且第 一次脫水反應(yīng)峰值溫度的變化產(chǎn)生的影響更加顯著。Wakili[22]和Kontogeorgos探究了冷成型鋼組合構(gòu)件傳熱數(shù)值模擬的影響參數(shù)。

其研究表明石膏板比熱容曲線的峰值溫度變 化將顯著影響石膏板背火側(cè)溫升曲線的脫水平臺曲線特征。但文中未對脫水平臺 結(jié)束點做詳細界定，也未系統(tǒng)對比石膏板熱物理性能差異。

由此說明，石膏板熱 物理特性的差異將顯著影響傳熱數(shù)值模擬結(jié)果，因此，有必要構(gòu)建不同型號石膏 板其各自對應(yīng)的熱物理模型。目前，由于熱物理試驗測試儀器尚不普及，大多數(shù)學(xué)者基于文獻中的數(shù)據(jù)來開展冷成型鋼組合構(gòu)件的傳熱模擬研究。

然而，學(xué)者發(fā)現(xiàn)基于不同區(qū)域石膏板熱 物理模型的傳熱數(shù)值模擬結(jié)果，與當(dāng)?shù)厥喟宓脑囼灲Y(jié)果并不匹配。例如：Keepthan基于Sultan的石膏板熱物理數(shù)據(jù)并進行完善，直至與Kolarkar[26]的 墻體耐火試驗吻合。

但將Thomas提供的新西蘭石膏板導(dǎo)熱系數(shù)作為傳熱數(shù)值模擬參數(shù)輸入時，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果表現(xiàn)不符，為此作者基于實驗和以往研究工作提出了一套適用于澳大利亞石膏板的熱物理參數(shù)值。

Thomas總結(jié)了新西蘭石膏板的相對密度值，發(fā)現(xiàn)其測量結(jié)果高于Sultan[25]提供的加拿大石膏板數(shù)值；此外，作者認為雖然許多研究人員測量了石膏板的高溫?zé)嵛锢硇阅?，并結(jié) 合耐火試驗提出適用的石膏板熱物理模型用于其數(shù)值模擬。

但他們所使用的數(shù)據(jù)基于當(dāng)?shù)氐氖喟?，結(jié)果具有片面性。Mehaffey的研究數(shù)據(jù)表明C型石膏板 與X型石膏板導(dǎo)熱系數(shù)存在差異，但作者并未提及影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素。國內(nèi)的范光明針對國內(nèi)龍牌和可耐福石膏板開展試驗研究。

其研究表明：在相同受 火條件下可耐福石膏板所保護的鋼龍骨升溫速率小于龍牌石膏板。此外，石膏板受火脫落溫度的設(shè)定差異也是影響傳熱數(shù)值模擬結(jié)果的重要因 素。在耐火試驗中，試件受火側(cè)石膏板經(jīng)歷高溫煅燒后出現(xiàn)高溫收縮現(xiàn)象。

這將 導(dǎo)致石膏板容易開裂甚至發(fā)生脫落，由此將會加速冷成型鋼復(fù)合墻體的受火失效。國內(nèi)外學(xué)者針對不同類型石膏板的高溫收縮、開裂開展一系列研究。Manzello通過45min耐火試驗認分別覆以X型和C型石膏板的冷成型鋼復(fù)合墻體耐火性能存在明顯差異。

C型石膏板在螺釘處未觀察到裂紋，X型石膏板卻明顯觀測到 石膏板受火裂縫，并且X型石膏板線性收縮約為C型石膏板的兩倍。Thomas使用Mehaffey[11]研究中X型石膏板材性，并考慮燒蝕對石膏板導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

修正了1000℃、1500℃的石膏板導(dǎo)熱系數(shù)，然而其試驗與傳熱數(shù)值模擬結(jié)果難 以吻合，并且試驗選用的石膏板未能在Sultan描述的溫度情況下保持完整性。 Park認為缺乏石膏板受火失效機理將無法有效預(yù)測冷成型鋼墻體組件的受失效時間。

然而作為失效機理的重要影響因素-石膏板熱物理性能在先前大量文 獻中的量化中存在差異。此外，作者匯總了NIST量化的美國X型和C型以及 日本R型和F型石膏板石膏板高溫線性收縮。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)石膏板受火時的力學(xué)、機械性能有顯著差異，但作者僅提及添加劑成分是影響石膏板高溫線性收縮比例 的因素，并未作后續(xù)探討。張輝等人研究了石膏板晶體結(jié)構(gòu)在受熱過程中的變化，闡述了石膏板受熱過程中結(jié)構(gòu)和強度變化的微觀機理。

為高溫下石膏板熱 工性能研究提供了微觀依據(jù)。作者也通過試驗研究了火災(zāi)下石膏板受熱過程中宏 觀形貌和裂紋與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，揭示了石膏板受熱過程中宏觀表現(xiàn)。石膏板高溫收縮差異可能源于石膏板添加劑類型。

國內(nèi)大量文獻表明石 膏板中添加劑對石膏板耐火性能產(chǎn)生了影響，纖維的添加彌補了火災(zāi)中護面紙燃 燒帶來的強度折減，且有助于維持石膏板的受火的整體穩(wěn)定性。然而，石膏板熱物理試驗結(jié)果未能體現(xiàn)冷成型鋼組合構(gòu)件覆面石膏板的開裂、脫落等現(xiàn)象。

因此石膏板的熱物理特性試驗結(jié)果一般需要進行修正方可作為基本輸入?yún)?shù)應(yīng)用于 冷成型鋼組合構(gòu)件傳熱理論及數(shù)值模擬研究。綜上所述，石膏板的熱物理特性差異性將直接影響冷成型鋼組合構(gòu)件傳熱理論及數(shù)值模擬研究結(jié)果。

且現(xiàn)有研究中未對影響石膏板熱物理性能的影響因素作深入探討和系統(tǒng)對比。開展不同品牌、類型石膏板的熱物理試驗研究，探究石膏板間熱物理性能差異的影響因素，構(gòu)建統(tǒng)一的石膏板熱物理模型，將便于冷成型鋼組合構(gòu)件耐火設(shè)計和數(shù)值仿真的材性輸入。