本發(fā)明屬于鋼結(jié)構(gòu)坍塌風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于拉丁超立方抽樣的鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率評估方法。

背景技術(shù)：

大跨度鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的力學(xué)性能，便捷的施工工藝，是建造高大空間建筑的理想選擇。但此類建筑耐火性較差，一旦發(fā)生火災(zāi)將造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，科學(xué)地進(jìn)行高大空間鋼結(jié)構(gòu)建筑坍塌風(fēng)險(xiǎn)評估對火災(zāi)中消防救援與應(yīng)急指揮至關(guān)重要。然而，目前已有的坍塌風(fēng)險(xiǎn)評估方法多采用確定的火災(zāi)場景進(jìn)行結(jié)構(gòu)的坍塌概率分析，忽略了真實(shí)火災(zāi)中隨機(jī)性因素的不確定性對結(jié)構(gòu)坍塌概率的影響。因此，現(xiàn)如今缺少一種步驟簡單、設(shè)計(jì)合理、實(shí)現(xiàn)方便、使用效果顯著且用于評估隨機(jī)性火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率的方法，其能根據(jù)高大空間自然火災(zāi)的實(shí)際情況，提出高大空間自燃火災(zāi)的受火鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率模型，通過相關(guān)計(jì)算最終對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效概率進(jìn)行評估。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)上的不足，提供一種基于拉丁超立方抽樣法的鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率評估方法，其方法步驟簡單、設(shè)計(jì)合理且實(shí)現(xiàn)方便、使用效果好，能彌補(bǔ)現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率評估方法中的不足。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率評估方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟一、確定隨機(jī)性因素的概率分布函數(shù)：根據(jù)高大空間建筑火災(zāi)的隨機(jī)性所遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過現(xiàn)場調(diào)研或查詢資料的方法，確定建筑物內(nèi)火災(zāi)隨機(jī)性因素及其分布函數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建隨機(jī)性因素的概率分布函數(shù)；

步驟二、設(shè)計(jì)隨機(jī)性火災(zāi)場景：采用拉丁超立方方法對隨機(jī)性因素進(jìn)行拉丁超立方抽樣，并用概率密度函數(shù)描述隨機(jī)性因素的不確定性，從而確定建筑火災(zāi)可能出現(xiàn)的所有隨機(jī)性火災(zāi)場景組，對輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后給出輸出結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特征，從而定量地描述確定的火災(zāi)場景組分布情況；

步驟三、構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)概率模型：在已知火災(zāi)下大跨度鋼結(jié)構(gòu)失效概率情況下，構(gòu)建其失穩(wěn)概率模型表述為：

其中，i＝1,2,3....,n表示進(jìn)行的n次抽樣；當(dāng)反之，其中，表示鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限函數(shù)模型，N為抽樣模擬總數(shù)，是抽樣樣本；

步驟四、鋼結(jié)構(gòu)坍塌臨界溫度確定：根據(jù)步驟三中所涉及的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限函數(shù)G(X)對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行判斷；公式G(X)表達(dá)式為：

其中，T_m是鋼結(jié)構(gòu)某點(diǎn)最高溫度且單位為℃，T_d是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件失去穩(wěn)定性的臨界溫度且單位為℃，μ₀是鋼結(jié)構(gòu)利用率；

步驟五、自然火災(zāi)下大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度場計(jì)算，過程如下：

步驟501、建立鋼結(jié)構(gòu)熱平衡方程：為方便研究鋼結(jié)構(gòu)與熱量之間的傳遞過程，將鋼結(jié)構(gòu)視為黑體結(jié)構(gòu)，從而建立鋼結(jié)構(gòu)熱平衡方程：

用于計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的凈熱通量；其中，V_s是鋼構(gòu)件的體積且單位為m³，ρ_s是鋼構(gòu)件的密度且單位為kg·m^-3，C_s是鋼構(gòu)件的比熱且單位為J/(kg·℃)，T_s是鋼構(gòu)件的溫度且單位為℃；

步驟502、鋼結(jié)構(gòu)凈吸收熱計(jì)算：由于鋼結(jié)構(gòu)與熱量之間的傳遞只要分為煙熱對流、煙熱輻射和火焰熱輻射三個(gè)過程，即鋼結(jié)構(gòu)凈吸收熱表示為：

Q_s＝(Q_gr+Q_fr+Q_sc)ε_s (12)

其中，ε_s為凈吸收熱校正因子，Q_gr為煙氣輻射熱且單位為kW，Q_fr為火焰輻射熱且單位為kW，Q_sc為煙氣對流熱且單位為kW；

步驟503、鋼結(jié)構(gòu)溫升計(jì)算：結(jié)合上述結(jié)論，得出鋼結(jié)構(gòu)溫升計(jì)算公式：

其中，ΔT為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度增量且單位為℃，Δt是火災(zāi)發(fā)生后的時(shí)間增量且單位為s，σ₀是斯特凡波茲曼常數(shù)5.67×10^-8W/m²·K⁴，ε_g是煙氣有效輻射率，T_g是煙氣溫度且單位為℃，F(xiàn)_s是每米鋼結(jié)構(gòu)的表面積且單位為m²，γ是形狀因子，α_g是煙氣吸收率，Q是火源熱釋放速率且單位為kW，D是火源表面的當(dāng)量直徑且單位為m，R是相距起火點(diǎn)的距離且單位為m；

通過公式計(jì)算得出鋼結(jié)構(gòu)在受火災(zāi)情況下溫度變化趨勢；

步驟六、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效概率確定：將建筑實(shí)際參數(shù)，代入式(18)中計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)溫升情況，繼而判斷鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

步驟三中大跨度鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)概率表示為：

P_f＝P{G(X)≤0}＝∫_G(T)≤0f(X)dT (4)；

其中，X＝{x₁,x₂,x₃......x_n}^T是具有n維火災(zāi)隨機(jī)變量的向量，f(X)是火災(zāi)隨機(jī)變量的聯(lián)合概率密度函數(shù)，G(X)是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限函數(shù)，當(dāng)G(X)≤0時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，反之結(jié)構(gòu)保持其穩(wěn)定性。

在鋼結(jié)構(gòu)承載力范圍內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)某點(diǎn)的臨界溫度不小于該點(diǎn)的最高溫度。

步驟四中所涉及到的μ₀＝E_fi,d/R_fi,d,0，其中E_fi,d是建筑初期設(shè)計(jì)對消防設(shè)計(jì)的影響情況，R_fi,d,0是在t＝0時(shí)刻鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火能力。

步驟502中，Q_gr＝σ₀F_sε_g[(T_g+273)⁴-(T_s+273)⁴]。

步驟502中，

α_g＝0.458-1.29×10^-4T_g。

采用以下公式對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件最高溫度進(jìn)行預(yù)測：

T_g^max＝(Q_max/50+80)-(4Q_max/10000+3)H+(52Q_max/1000+598)×10²/A

其中，Q_max表示最大的火源熱釋放速率，表示對火場中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件最高溫度進(jìn)行的預(yù)測溫度；A是建筑面積且單位為m²，H為相距天花板高度且單位為m。

本發(fā)明基于火災(zāi)隨機(jī)性與確定性的雙重耦合過程，探索了符合高大空間建筑自然火災(zāi)的場景構(gòu)建方法。根據(jù)建筑物的不同火災(zāi)隨機(jī)性因素(火災(zāi)荷載、熱釋放速率、火災(zāi)增長時(shí)間等)的分布規(guī)率，利用拉丁超立方抽樣法產(chǎn)生火災(zāi)隨機(jī)場景組的抽樣樣本，以此分析了火災(zāi)發(fā)展過程中火災(zāi)隨機(jī)性因素和確定性因素的雙重耦合作用過程。在遵循火災(zāi)隨機(jī)性與確定性規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立了自然火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定性的極限函數(shù)以及高大空間受火鋼結(jié)構(gòu)溫升模型，提出了基于鋼結(jié)構(gòu)極限溫度函數(shù)的高大空間鋼結(jié)構(gòu)可靠度分析方法，該方法較傳統(tǒng)方法更能體現(xiàn)出火災(zāi)發(fā)展過程中的不確定性，更符合高大空間火災(zāi)的客觀物理過程。且預(yù)測結(jié)果更加精準(zhǔn)地描述出鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率的分布以及各隨機(jī)性因素的敏感性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、方法步驟簡單、設(shè)計(jì)合理且實(shí)現(xiàn)方便。

2、采用基于拉丁超立方抽樣法確定鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率，彌補(bǔ)了對現(xiàn)有高大空間受火災(zāi)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率評估方法的不足。

3、本發(fā)明旨在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率評估，具體采用拉丁超立方抽樣法替代蒙特卡羅法，主要解決的是蒙特卡羅法存在的計(jì)算步驟多、計(jì)算時(shí)間長、避免了重復(fù)抽樣等問題，設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)方便。

4、采用拉丁超立方抽樣方法對隨機(jī)性因素進(jìn)行拉丁超立方抽樣，用概率密度函數(shù)描述隨機(jī)性因素的不確定性，從而確定建筑自然火災(zāi)可能出現(xiàn)的所有隨機(jī)火災(zāi)場景組，此發(fā)明充分考慮了高大空間火災(zāi)發(fā)生的隨機(jī)性，使評估更貼近真實(shí)的應(yīng)用環(huán)境，保證計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際。

綜上所述，本發(fā)明方法步驟簡單、設(shè)計(jì)合理且實(shí)現(xiàn)方便、使用效果好，彌補(bǔ)了對現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率評估方法中存在的未考慮火災(zāi)隨機(jī)性的影響問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的評估方法流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明的一種火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率評估方法，包括以下步驟：

步驟一、確定隨機(jī)性因素的概率分布函數(shù)：根據(jù)高大空間建筑火災(zāi)的隨機(jī)性所遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過現(xiàn)場調(diào)研或查詢資料的方法，對建筑物內(nèi)火災(zāi)隨機(jī)性因素及其分布函數(shù)進(jìn)行確定，進(jìn)而構(gòu)建隨機(jī)性因素的概率分布函數(shù)。

步驟二、設(shè)計(jì)隨機(jī)性火災(zāi)場景：采用拉丁超立方方法對隨機(jī)性因素進(jìn)行拉丁超立方抽樣，并用概率密度函數(shù)描述隨機(jī)性因素的不確定性，從而確定建筑火災(zāi)可能出現(xiàn)的所有隨機(jī)性火災(zāi)場景組，對模型輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后給出輸出結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特征，從而定量地描述確定的火災(zāi)場景組分布情況。

步驟三、構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)概率模型：在已知火災(zāi)下大跨度鋼結(jié)構(gòu)失效概率情況下，構(gòu)建其失穩(wěn)概率模型可表述為其中，當(dāng)反之，N為抽樣模擬總數(shù)，是抽樣樣本。

步驟四、鋼結(jié)構(gòu)坍塌臨界溫度確定：根據(jù)步驟三中所涉及的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限函數(shù)G(X)對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。公式G(X)表達(dá)式為

(10)；

其中，T_m是鋼結(jié)構(gòu)某點(diǎn)最高溫度且單位為℃，T_d是鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度且單位為℃，μ₀是鋼結(jié)構(gòu)利用率。

步驟五、自然火災(zāi)下大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度場計(jì)算，過程如下：

步驟501、建立鋼結(jié)構(gòu)熱平衡方程：為方便研究鋼結(jié)構(gòu)與熱量之間的傳遞過程，將其視為黑體結(jié)構(gòu)，從而建立鋼結(jié)構(gòu)熱平衡方程用于計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的凈熱通量；其中，V_s是鋼構(gòu)件的體積且單位為m³，ρ_s是鋼構(gòu)件的密度且單位為kg·m^-3，C_s是鋼構(gòu)件的比熱且單位為J/(kg·℃)，T_s是鋼構(gòu)件的溫度且單位為℃。

步驟502、鋼結(jié)構(gòu)凈吸收熱計(jì)算：由于鋼結(jié)構(gòu)與熱量之間的傳遞只要分為煙熱對流、煙熱輻射和火焰熱輻射三個(gè)過程，即鋼結(jié)構(gòu)凈吸收熱也可表示為Q_s＝(Q_gr+Q_fr+Q_sc)ε_s(12)。其中，ε_s為凈吸收熱校正因子，Q_gr為煙氣輻射熱且單位為kW，Q_fr為火焰輻射熱且單位為kW，Q_sc為煙氣對流熱且單位為kW。

步驟503、鋼結(jié)構(gòu)溫升計(jì)算：結(jié)合上述結(jié)論，得出鋼結(jié)構(gòu)溫升計(jì)算公式：

其中，Δt是火災(zāi)發(fā)生后的時(shí)間增量且單位為s，ΔT為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度增量且單位為℃。通過公式計(jì)算得出鋼結(jié)構(gòu)在受火情況下溫度變化趨勢。

步驟六、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效概率確定：將建筑實(shí)際參數(shù)，代入式(18)中計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)溫升情況，繼而判斷鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

步驟三中大跨度鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)概率可表示為P_f＝P{G(X)≤0}＝∫_G(T)≤0f(X)dT (4)；其中，X＝{x₁,x₂,x₃......x_n}^T是具有n維火災(zāi)隨機(jī)變量的向量，f(X)是火災(zāi)隨機(jī)變量的聯(lián)合概率密度函數(shù)，G(X)是鋼結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定性的極限函數(shù)，當(dāng)G(X)≤0時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，反之結(jié)構(gòu)保持其穩(wěn)定性。

在鋼結(jié)構(gòu)承載力范圍內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)某點(diǎn)的臨界溫度不應(yīng)小于該點(diǎn)的最高溫度。

步驟四中所涉及到的μ₀＝E_fi,d/R_fi,d,0，其中E_fi,d是建筑初期設(shè)計(jì)對消防設(shè)計(jì)的影響情況，R_fi,d,0是在t＝0時(shí)刻鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火能力。

按照權(quán)利要求書1中所述的基于拉丁超立方抽樣法的鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率評估方法，其特征在于：步驟502中所涉及到的Q_gr、Q_fr、Q_sc等物理量，其表達(dá)式分別為Q_gr＝σ₀F_sε_g[(T_g+273)⁴-(T_s+273)⁴]、Q_sc＝F_sα_c(T_g-T_s)、其中，σ₀是斯特凡波茲曼常數(shù)5.67×10^-8W/m²·K⁴，α_c是對流換熱系數(shù)，ε_g是煙氣有效輻射率，T_g是煙氣溫度且單位為℃，F(xiàn)_s是每米鋼結(jié)構(gòu)的表面積且單位為m²，γ是形狀因子，α_g是煙氣吸收率，Q是火源熱釋放速率且單位為kW，D是火源表面的當(dāng)量直徑且單位為m，R是相距起火點(diǎn)的距離且單位為m。

α_g＝0.458-1.29×10^-4T_g。

可采用以下公式對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件最高溫度進(jìn)行預(yù)測，T_g^max＝(Q_max/50+80)-(4Q_max/10000+3)H+(52Q_max/1000+598)×10²/A，其中A是建筑面積且單位為m²，H為相距天花板高度且單位為m。

本發(fā)明方法步驟簡單、設(shè)計(jì)合理且實(shí)現(xiàn)方便、使用效果好，彌補(bǔ)了對現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)坍塌概率評估方法中存在的未考慮火災(zāi)隨機(jī)性的影響問題。