一种基于综合模型的自然火灾下梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析系统及分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于综合模型的自然火灾下梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析系统及分析方法，其中分析系统包括：实际火灾模拟模块，用于在梁柱式木结构框架内生成与实际火灾工况相对应的模拟火灾工况；炭化模型模块，根据炭化模型计算公式得出梁柱式木结构表面炭化深度及梁柱式木结构各构件的有效截面数据；结构有限元分析计算模块，用于计算梁柱式木结构在碳化深度和有效截面变化下的实时变形结果，并根据实时变形结果更新实际火灾模拟模块中的模拟火灾工况用于计算下一时刻的变形结果。本发明专利技术考虑实际火灾发展的影响，以整体结构为对象，实现火灾和结构相互作用的过程，可以减少足尺试验的高成本，提高分析效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种分析系统，具体是土木工程
的梁柱式木结构框架抗火性能分析。
技术介绍
火灾是指由于天然或者人为的因素，引起可燃物质着火并蔓延发展成灾害性破坏的过程。火灾造成的人员和财产伤亡为国民安全和社会经济稳定带来较大的不利影响，火灾的危害性随着社会的不断发展而愈加突出。木材作为建筑行业的主要材料，与其他建筑材料相比，最主要的缺点是自身具有可燃性。木材一旦开始燃烧，其释放出的大量热量加速火灾发展，进而对结构及周边环境造成更大的危害，对结构稳定性产生巨大影响。当前木结构防火设计的依据主要有《木结构设计规范》和《建筑设计防火规范》。但是传统的防火设计规范中主要采用基于构件试验的结构抗火设计方法，对于木结构整体中构件的相互影响尚未考虑，同时基于试验的设计方法不能反映真实火灾工况下结构的响应，难以真正反映真实的受力情况。与此同时，传统抗火是基于标准升温曲线模拟火灾升温过程，不少学者使用燃烧炉对构件或结构进行相关抗火性能试验，这与实际火灾升温过程相差较大，自然火灾与标准火灾最大的不同在于其具有自然冷却阶段，并且受到燃料荷载以及通风条件等因素影响。因而不能准确模拟分析结构的火灾反应。目前关于梁柱式木结构框架抗火性能的研究不足之处在于：1.缺乏准确的实际火灾工况下木结构框架的评估计算方法；2.结构分析缺乏基于空间整体的计算分析；3.数值模拟方法无法考虑结构场与温度场直接耦合，无法考虑木材的可燃性；4.虽然已有不少学者提出了系统化设计的思想，但是对于梁柱式木结构来说仍然需要设计更加合理的计算方法。经过对现有文献的检索查阅，申请公布号103886161A的中国专利技术专利中提出了一种基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法，该方法主要是针对钢结构抗火设计，提出了相关设计流程及框架，但并不适于梁柱式木结构。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种在火灾现场下结构与火灾工况协同作用的适用于梁柱式木结构的抗火性能分析系统及分析方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于综合模型的自然火灾下梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析系统，其特征在于，包括：实际火灾模拟模块，用于在梁柱式木结构框架内生成与实际火灾工况相对应的模拟火灾工况；炭化模型模块，获取在所述实际火灾模拟模块生成的模拟火灾工况下的梁柱式木结构表面温度荷载数据，根据炭化模型计算公式得出梁柱式木结构表面炭化深度及梁柱式木结构各构件的有效截面数据；结构有限元分析计算模块，用于计算梁柱式木结构在碳化深度和有效截面变化下的实时变形结果，并根据实时变形结果更新实际火灾模拟模块中的模拟火灾工况用于计算下一时刻的变形结果。所述结构有限元分析计算模块中，模拟梁柱式木结构框架的梁单元为梁和柱，壳单元为楼板。实际火灾模拟模块采用火灾模拟软件FDS。结构有限元分析计算模块采用有限元分析软件ABAQUS。一种基于综合模型的自然火灾下梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析方法，其特征在于，包括：步骤一、将火灾作用下结构破坏过程进行时间和空间离散化，将火灾模拟计算时间分隔成有限个时间间隔，在每个时间间隔中，又将木结构框架各个构件划分为若干数量的离散单元；步骤二、根据梁柱式木结构框架结构形式，在火灾模拟软件FDS中建立火场几何模型；根据实际火灾热源的空间位置、热释放率以及开洞通风条件，设定火灾工况；步骤三、根据设定的火灾工况，计算得到火灾区域内结构表面时变空间的温度场分布结果；步骤四、根据上述步骤三获取结构各个时刻表面火灾荷载数据，根据炭化深度计算公式获取各个时刻下，结构各构件炭化深度及有效截面数据；步骤五、在有限元分析软件ABAQUS中，根据有限元理论建立梁柱式木结构框架结构场模型，根据步骤四各个时刻的有效截面数据，建立各个时刻各构件单元截面及有限元模型；步骤六、对各个时刻相应的结构有限元模型进行计算：施加常规荷载及边界条件，计算得到梁柱式木结构框架在实际火灾受火过程中梁柱式木结构框架的结构场响应；步骤七、对各个时刻的有限元模型计算结果进行分析，判断该时刻结构的破坏情况；如果结构没有发生破坏，则模拟系统在完成既定计算时间后终止；如果结构发生破坏，则需要更新破坏后的火场模型并重新进行火灾模拟、炭化深度计算、有限元计算及破坏检测过程，如此反复计算，直至结构完全失效或者完成数值模拟计算时间。所述梁柱式木结构框架有限元模型在有限元软件ABAQUS中梁、柱使用梁单元，楼板使用壳单元模拟木框架结构。本专利技术提出的分析系统及分析方法是一个循环计算过程，根据火灾模拟时长划分的各个离散时刻，在各个时刻进行火灾模拟、炭化深度计算、削弱后结构有限元计算，并根据计算结果判断结构是否发生破坏；如果发生破坏则需要更新此时刻破坏后的火场模型，重新进行火灾模拟、炭化深度计算、削弱后有限元计算过程。如此反复，最终反映梁柱式木结构在自然火灾下破坏过程。基本思想是：作用-系统-反应。为了实现这一过程的模拟，需要将各个模块模拟集成起来，并建立统一的数据环境，围绕火灾、结构和材料三个主要问题，重点解决火灾对结构的影响，结构破坏对结构自身的影响以及结构破坏对火灾发展的影响三个方面。有益结果：与当前木框架抗火分析技术相比，本专利技术提出了一种梁柱式木结构框架抗火分析方法，模拟火灾发展过程中的结构破坏过程，实现火灾与结构的完全耦合，重点解决了火灾对结构的影响，结构破坏对结构自身的影响以及结构破坏对火灾发展的影响三个方面。本专利技术为建筑火灾研究提供了数值模拟方法，具有快速、廉价、简洁的特点，对于木结构火灾性能化设计和火灾风险评估提供实用价值。自然火灾下梁柱式木结构数值模拟方法尚需深入研究。首先火灾模拟与结构有限元模拟，是两个分离的过程，其分别属于火灾科学和结构分析研究范畴。火灾作用下，木结构自身会因为炭化过程而削弱自身截面，进而影响结构分析结果；同时结构自身的破坏也会影响火场的通风条件和空间分隔，进而影响火灾发展过程。本专利技术考虑实际火灾发展的影响，以整体结构为对象，实现火灾和结构相互作用的过程，提出经济可靠的木结构防火设计分析方法。该专利技术可以减少足尺试验的高成本，提高分析效率。附图说明图1本专利技术分析系统框图；图2本专利技术分析方法框架；图3为构件离散化示意图；图4火灾发展对结构计算的影响；图5结构破坏对自身的影响；图6结构破坏对火灾模拟的影响；图7自然火灾下梁柱式木结构抗火计算流程图。具体实施方式下面介绍本专利技术的具体实施过程。如图1所示，本专利技术一种基于综合模型的梁柱式木结构框架抗火分析系统，包括：实际火灾模拟模块、炭化模型模块和结构有限元分析计算模块三个模块，首先在火灾模拟模块建模进行温度场计算，得出表面火灾荷载数据，其次在炭化模型模块中计算各个时刻结构炭化深度及有效截面，其次在结构有限元分析模块建立框架结构模型，进行结构场分析计算，其次判断该时刻结构的破坏情况，对火灾模拟模块的模型进行更新，循环计算直至结构破坏。如图2所示，本专利技术一种基于综合模型的梁柱式木结构框架抗火分析方法，包括：建立一种综合模型用于自然火灾下梁柱式木结构框架整体抗火性能计算，将火灾作用、削弱后的构件截面及有限元计算结果等信息关联和建模，重建结构数据模型和关系，使得不同模拟环境的数据联系起来，反映木结构在火灾破坏过程中的物理意本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于综合模型的自然火灾下梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析系统，其特征在于，包括：实际火灾模拟模块，用于在梁柱式木结构框架内生成与实际火灾工况相对应的模拟火灾工况；炭化模型模块，获取在所述实际火灾模拟模块生成的模拟火灾工况下的梁柱式木结构表面温度荷载数据，根据炭化模型计算公式得出梁柱式木结构表面炭化深度及梁柱式木结构各构件的有效截面数据；结构有限元分析计算模块，用于计算梁柱式木结构在碳化深度和有效截面变化下的实时变形结果，并根据实时变形结果更新实际火灾模拟模块中的模拟火灾工况用于计算下一时刻的变形结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于综合模型的自然火灾下梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析系统，其特征在于，包括：实际火灾模拟模块，用于在梁柱式木结构框架内生成与实际火灾工况相对应的模拟火灾工况；炭化模型模块，获取在所述实际火灾模拟模块生成的模拟火灾工况下的梁柱式木结构表面温度荷载数据，根据炭化模型计算公式得出梁柱式木结构表面炭化深度及梁柱式木结构各构件的有效截面数据；结构有限元分析计算模块，用于计算梁柱式木结构在碳化深度和有效截面变化下的实时变形结果，并根据实时变形结果更新实际火灾模拟模块中的模拟火灾工况用于计算下一时刻的变形结果。2.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于：所述结构有限元分析计算模块中，模拟梁柱式木结构框架的梁单元为梁和柱，壳单元为楼板。3.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于：实际火灾模拟模块采用火灾模拟软件FDS。4.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于：结构有限元分析计算模块采用有限元分析软件ABAQUS。5.一种基于权利要求1所述分析系统的分析方法，其特征在于，包括：步骤一、将火灾作用下结构破坏过程进行时间和空间离散化，将火灾模拟计算时间分隔成有限个时间间隔，在每个时间间隔中，又将木结构框架各个构件划分为若干数量的离散单元；步骤二、根据梁柱式木结...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晋，侯士通，梅方，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32