[发明专利]一种基于区域升温分析的整体结构耐火极限计算方法

说明书

本发明公开了一种基于区域升温分析的整体结构耐火极限计算方法，其特点是采用结构受火分析的有限元模型，量化区间结构受火的敏感性，筛选影响较大的关键区域，得到不同区域受火时的整体耐火极限，具体包括：升温区域的确定、结构受火分析有限元模型的构建、整体结构受火时间的设定、升温区域空气温度及构件温度的计算和区域升温工况下的结构动力非线性分析。本发明与现有技术相比具有快速求得整体结构的耐火极限，方法简便，效率高，尤其适用于高层钢结构的耐火时间和安全性能分析。

技术领域

本发明涉及钢结构抗火设计技术领域，尤其是一种基于区域升温分析的整体结构耐火极限计算方法。

背景技术

建筑火灾是人类生产生活中危害最严重的灾害之一，对人类生命财产安全构成了直接的危害，而发生的频率则居各灾害之首。由于钢材的耐火性较差，高温下会丧失大部分强度，因此钢结构在火灾下的安全性常常会受到威胁，甚至会造成结构倒塌并形成二次灾害。实际火灾事故情况表明，钢结构建筑在火灾下的坍塌会扩大受火面积、加大了救火难度、甚至造成消防员的牺牲。因此，在进行建筑防火设计时，需要重点关注结构在火灾中的抗倒塌能力，避免由于结构局部或整体倒塌，造成灭火及人员疏散困难，甚至导致人员伤亡。

火灾是一种区域性的且不断发展的灾害，由于其蔓延特性，火灾发生过程中，受到高温影响的构件数量可能并不单一，甚至一个防火分区内的构件都可能受到影响。而目前实际钢结构工程主要采用的是基于构件的抗火设计方法，即确保构件在规定结构耐火极限时间内，承载能力不小于各种作用所产生的组合效应，规范还明确了不同耐火等级的建筑中各类构件的耐火极限，即在各种荷载效应组合下，结构或构件的耐火时间不小于其耐火极限；基于整体结构的抗火设计方法则是验算在某一火灾场景下，整体结构的抗倒塌能力。然而，对于如何计算整体结构的耐火极限，我国设计规范尚未给出明确要求和计算准则，火灾影响的区域性、以及由于火灾蔓延造成的荷载在时间上的变化性也少有体现。

现有技术的建筑防火设计不能得到不同火灾发展条件下的整体耐火时间，找不出最不利火灾蔓延路径，以及极限火灾蔓延范围，对于已发生火灾的建筑，不能快速评判整体结构是否接近耐火极限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种基于区域升温分析的整体结构耐火极限计算方法，采用动力显式有限元分析，建立整体结构三维线框模型，得到不同区域受火时整体结构的耐火极限，对比不同区域受火对应的整体结构耐火时间，可量化区间结构受火的敏感性，筛选受火灾影响较大的关键区域，进而找到结构抗火灾倒塌的关键构件，相比对整个受火阶段进行动力弹塑性分析，可节省大量数值分析求解时间，从而快速求得整体结构的耐火极限，方法简便，效率高，尤其适用于高层钢结构的耐火时间和安全性能分析。

本发明的目的是这样实现的：一种基于火灾蔓延区域的整体结构耐火极限计算方法，其特点是采用结构受火分析的有限元模型，量化区间结构受火的敏感性，筛选影响较大的关键区域，得到不同区域受火时的整体耐火极限，其具体分析包括以下步骤：

a、升温区域的确定

在建筑规定的各个防火分区内，选定升温区域，并将其分为若干个小型升温区和大型升温区：所述小型升温区为单个功能块或大空间中由横向及纵向一个柱跨范围内的区域；所述大型升温区为多个相连的小型升温区包含的区域，其中最先开始受火的小型升温区为始发升温区，并设定由始发升温区到其他小型升温区的火灾蔓延路线。

b、结构受火分析有限元模型的构建

采用动力显式有限元分析软件，建立整体结构三维线框模型，并对升温区域的构件采用热力学材料，设定不同构件温度所对应的弹性模量、泊松比、线膨胀系数、屈服强度及切线模量。

c、整体结构受火时间的设定