基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法技术方案

一种土木建筑工程技术领域的基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法，具体为：设定安全目标和性能指标；统计危险火源数量和各危险区的火灾荷载，并据此进行火灾工况的设计；根据设定的火灾工况，在模拟软件中建立几何模型，经过数值模拟获得真实火灾下结构体系的力学状态；根据数值模拟得到的结果进行判断，如果结构失效，则重新调整结构设计和加强防火保护，同时按照新的设计调整火灾场景进行设计，直到整体不再失效；采用应力判别和变形判别双控法识别所有火灾工况下的关键构件或危险区域，查看构件应力和变形是否满足安全性能指标的要求。本发明专利技术能准确反映自然火灾下各构件在整体结构中的真实受力状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种建筑工程
的防火设计方法，具体地说，涉及的是一种基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法。
技术介绍
近年来，各类高层、超高层和大空间钢结构在我国得到了迅速而蓬勃的发展，然而，钢材耐火性能较差，在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等会明显降低，温度达到600℃时，会基本丧失全部强度和刚度。大型钢结构通常建筑面积大，空间宽敞，装潢考究，电器设备较多，火灾隐患大，一旦失火，在空气对流的作用下，不仅燃烧猛烈，蔓延迅速，且不易扑救，容易造成结构破坏甚至倒塌，造成严重人员伤亡和财产损失。我国目前建筑防火设计所依据的主要是《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》等设计规范。然而，传统的防火设计已经无法适应大型钢结构建筑的设计要求，所体现出的不足主要有：(1)规范采用的是基于构件试验的结构抗火设计方法。这种以单独构件是否达到火灾下的极限状态来确定结构的耐火时间的设计方法，因未考虑整体结构中构件的相互影响，因而是不真实的。另外，基于试验的构件抗火设计不能反映实际工程中荷载分布与大小以及构件所受约束状态的影响，因而在结构分析上也难以反映真实的受力状况，从而造成不安全或过于保守的结果。(2)传统的结构抗火研究通常采用ISO标准曲线或是均匀的室内温升曲线来模拟结构的温升过程，这与实际火灾相差较大，因而也不能准确地模拟和分析结构的实际火灾反应。实际上，由于实际火灾中的温度场分布的不均匀性，使得结构内力重分配，往往造成整个平衡体系的重新调整，有时会出现远离火源的结构反而率先破坏的现象，采用均匀温度场无法反映这一整体性特点。(3)建筑中不断出现的新结构形式在火灾中的性能和反应没有得到系统的研究，如外型奇特的高层建筑、大跨网壳结构以及膜结构等。不同结构形式在不-->同火灾场景下的响应和规律缺乏有力的分析工具进行系统的研究。(4)目前的性能化分析还是孤立地在火灾科学和结构工程各自领域内进行的，结构的抗火分析未能与火灾场景模拟和人员疏散有机的结合为一体，火灾下的烟气、温度等的真实影响未予系统和充分的考虑，结构的危险水平变化与人员逃生的路线、时间等问题不能在同一环境下协调考虑和评估。因此，不能从整体上反映火灾的各种作用和影响因素之间的相互关系。由于结构的功能是作为整体承受载荷，火灾下单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏，它可以引起结构应力的重分布，整体结构仍可能具有继续承载的能力，因此以整体结构为计算对象的耐火设计方法才更为合理。近些年来，不少学者提出火灾下结构整体性能的研究思想，卡丁顿实验也表明，结构整体性效应对提高构件的抗火性能具有重要的作用，结构整体的抗火性能与试验中单个构件的情况有很大差别。但是，整体分析由于受到分析手段和方法的限制一直难以进行，结构抗火研究仍主要采用基于构件的分析方法。经对现有技术的文献检索发现，施樑等在《自然灾害学报》2006年第6期159页上发表的“钢结构建筑的消防安全性能化设计——系统方法探析”，该文中运用流体力学计算软件FDS对钢结构建筑进行热烟流动情况进行模拟分析。对火灾时建筑热烟场的瞬时变化情况进行分析，然后运用分析结果采用ANSYS8.0建筑结构计算分析软件对钢构件在荷载作用下的高温结构反应进行了组合分析。初步提出了系统化设计的思路。该文不足之处：1.火灾模拟与结构分析依然是较为独立的过程，没有实现火灾模拟与结构分析的耦合，即空间温度场不能施加于结构分析中，这是传统设计方法中的关键缺陷所在；2.结构分析仍然是基于局部的一榀框架，没有实现空间整体的结构反应计算；3.虽然提出了系统化设计的思想，但没有给出系统的设计流程，系统化设计中的关键技术也没有实现，火灾作用与结构反应之间的内在关系没有得到技术体现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服当前传统建筑防火设计方法的不足，基于系统的设计方法，以整体结构为对象，提出一种基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法，使其能准确反映自然火灾下各构件在整体结构中的真实受力状态，同时可以考虑各种主动和被动消防措施对结构防火的综合影响，从而实现既经济又安全的-->建筑防火设计方案。本专利技术是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：第一步，首先根据建筑类型和功能设计，设定安全目标和性能指标；第二步，根据建筑设计阶段的平面图、立面图和装修设计，统计危险火源数量和各危险区的火灾荷载，并据此进行火灾工况的设计；针对每一个火灾工况按照以下步骤进行设计；第三步，根据设定的火灾工况，在模拟软件中建立几何模型，包括FDS模型和ANSYS模型，然后根据火灾工况的设计，输入设计参数，计算机数值计算模块采用计算流体动力学(CFD)和有限单元法(FEA)对这些参数进行处理，得到结构体系的温度、应力σ(T)、应变和变形δ(T)参数，这些参数将用于结构失效的判定和关键构件的识别。经过数值模拟获得“真实”火灾下结构体系的力学状态。第四步，根据计算机数值计算模块得到的结果进行判断，如果结构的容许承载力R小于各种作用所产生的荷载效应组合Sm(R和Sm按《建筑钢结构防火设计规范》确定)，则判断结构失效，则重新调整结构设计和加强防火保护，同时按照新的设计调整火灾场景，重复第三步和第四步，直到整体不再失效，即Rd≥Sm；第五步，采用应力判别和变形判别双控法识别所有火灾工况下的关键构件或危险区域，对所有关键构件或子结构建立有限元模型，按照它们在空间整体中的温度环境、荷载状况以及约束条件进行基于整体的有限元分析计算，查看构件应力和变形是否满足第一步中安全性能指标的要求。如果不满足，以最不利情况进行构件的防火保护设计，使其满足设计要求。本专利技术具体实现过程如下：1.根据建筑物的功能要求和总建筑说明，按照《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》，明确其建筑分类(一级或二级)和建筑耐火等级。并据此制定相应的安全目标和为实现此目标所需达到的性能指标。安全目标为：结构在最不利火灾状况下不致破坏；性能指标包括承载力极限判定指标，变形判定指标，对形状复杂的构件或节点，可采用容许应力判断指标：承载力判定指标，即结构或构件的承载力Rd在规定的耐火时间内应不小于火灾下的荷载效应组合-->             Rd≥Sm                                         (1)变形判定指标，即结构主要构件的变形不能超过确定的容许值。δ/L≤1/300---(2)]]>对形状复杂的构件或节点，可采用容许应力判断指标：即构件内的最大应力不超过确定温度下的容许应力值             σmax≤[σT]                                   (1)2.可根据建筑设计阶段的平面图、立面图和装修设计，统计危险火源数量和各危险区的火灾荷载q(MJ/m2)，并据此进行火灾工况的设计。根据建筑物的布局、建材、装修材料及家具等情况，选择可燃物较多、释热量大、着火概率高且对结构易造成威胁的地方作为危险源，由此确定火灾场景，进行火灾工况设计.火灾工况的设计需考虑以下几方面因素：火源位置、通风条件、主动灭火效果和最大火源热释放速率。最大火源功率可按下式计算：Qmax=Σi=1mqiAi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，首先根据建筑类型和功能设计，设定安全目标和性能指标；第二步，根据建筑设计阶段的平面图、立面图和装修设计，统计危险火源数量和各危险区的火灾荷载，并 据此进行火灾工况的设计；针对每一个火灾工况按照以下步骤进行设计；第三步，根据设定的火灾工况，在模拟软件中建立几何模型，包括ＦＤＳ模型和ＡＮＳＹＳ模型，然后根据火灾工况的设计，输入设计参数，计算机数值计算模块采用计算流体动力学和有限单 元法对这些参数进行处理，得到结构体系的温度、应力σ（Ｔ）、应变和变形δ（Ｔ）参数，这些参数将用于结构失效的判定和关键构件的识别，经过数值模拟获得“真实”火灾下结构体系的力学状态；第四步，根据计算机数值计算模块得到的结果进行判断，如果 结构的容许承载力Ｒ小于各种作用所产生的荷载效应组合Ｓ↓［ｍ］，Ｒ和Ｓ↓［ｍ］按《建筑钢结构防火设计规范》确定，则判断结构失效，则重新调整结构设计和加强防火保护，同时按照新的设计调整火灾场景，重复第三步和第四步，直到整体不再失效，即Ｒ↓［ｄ］≥Ｓ↓［ｍ］；第五步，采用应力判别和变形判别双控法识别所有火灾工况下的关键构件或危险区域，对所有关键构件或子结构建立有限元模型，按照它们在空间整体中的温度环境、荷载状况以及约束条件进行基于整体的有限元分析计算，查看构件应力和变形是否 满足第一步中安全性能指标的要求，如果不满足，以最不利情况进行构件的防火保护设计，使其满足设计要求。...

【技术特征摘要】
1、一种基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，首先根据建筑类型和功能设计，设定安全目标和性能指标；第二步，根据建筑设计阶段的平面图、立面图和装修设计，统计危险火源数量和各危险区的火灾荷载，并据此进行火灾工况的设计；针对每一个火灾工况按照以下步骤进行设计；第三步，根据设定的火灾工况，在模拟软件中建立几何模型，包括FDS模型和ANSYS模型，然后根据火灾工况的设计，输入设计参数，计算机数值计算模块采用计算流体动力学和有限单元法对这些参数进行处理，得到结构体系的温度、应力σ(T)、应变和变形δ(T)参数，这些参数将用于结构失效的判定和关键构件的识别，经过数值模拟获得“真实”火灾下结构体系的力学状态；第四步，根据计算机数值计算模块得到的结果进行判断，如果结构的容许承载力R小于各种作用所产生的荷载效应组合Sm，R和Sm按《建筑钢结构防火设计规范》确定，则判断结构失效，则重新调整结构设计和加强防火保护，同时按照新的设计调整火灾场景，重复第三步和第四步，直到整体不再失效，即Rd≥Sm；第五步，采用应力判别和变形判别双控法识别所有火灾工况下的关键构件或危险区域，对所有关键构件或子结构建立有限元模型，按照它们在空间整体中的温度环境、荷载状况以及约束条件进行基于整体的有限元分析计算，查看构件应力和变形是否满足第一步中安全性能指标的要求，如果不满足，以最不利情况进行构件的防火保护设计，使其满足设计要求。2、根据权利要求1所述的基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法，其特征是，所述第一步中，按照《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》，明确其建筑分类和建筑耐火等级，并据此制定相应的安全目标和为实现此目标所需达到的性能指标，安全目标为：结构在最不利火灾状况下不致破坏；性能指标包括：承载力极限判定指标，即结构或构件的承载力Rd在规定的耐火时间内大于或者等于火灾下的荷载效应组合，Rd≥Sm；变形判定指标，即结构主要构件的变形小于或等于确定的容许值，δ/L≤1/300;]]>对形状复杂的构件或节点，采用容许应力判断指标：即构件内的最大应力小于或者等于确定温度下的容许应力值，σmax≤[σT]。3、根据权利要求1所述的基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法，其特征是，所述第二步，火灾工况的设计影响因素包括火源位置、通风条件、主动灭火效果和最大火源热释放速率，其中：最大火源功率计算：Qmax=Σi=1mqiAi,]]>式中：Qmax为最大热释放速率，qi为i火源所在分区的平均火灾荷载密度，Ai为i火源所在分区的有效可燃面积，m为火源数目；各种工况下的火灾热释放速率Q曲线取t2模型：Q＝at2，公式中：Q为热释放速率，a为时间常数，t为时间。4、根据权利要求1所述的基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法，其特征是，所述第三步中，计算机数值计算模块共包含火灾模拟计算子模块、结构传热计算子模块、结构力学性能计算子模块，其中火灾模拟计算子模块和结构传热计算子模块之间通过火灾-结构耦合模型FSCI进行连接，结构传热计算子模块和结构力学性能计算子模块之间通过热-结构耦合分析进行连接，三个数值计算子模块在两个连接接口的连接下形成统一的数值计算模块，共同完成结构在火灾下的力学性能分析。5、根据权利要求4所述的基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法，其特征是，所述火灾模拟计算子模块，运用计算流体动力学计算程序FDS建立火灾动力学模型并进行各种火灾工况下的计算机模拟，其具体执行步骤为：①按照FDS《用户手册》正确建立FDS的计算输入文件，其中输入以下计算参数信息：计算域的大小、空间网格的大小、计算域内建筑物的几何形状、火源的设定、燃料类型、热释放速率、材料的热物性、边界条件、通风状况；②运行FDS计算程序：FDS通过采用高级数值模拟方法解算如下方程来获得火灾和烟气的状态变化：连续方程：∂ρ∂t+▿·ρu→=0]]>动量守恒方程：ρ(∂u→∂t+12▿|u→|2-u→&time...

【专利技术属性】
技术研发人员：史健勇，任爱珠，李引擎，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]