一種鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方法，屬于工程結(jié)構(gòu)抗火災(zāi)分析技術(shù)領(lǐng)域。包括：a、確定火場(chǎng)相似關(guān)系，火場(chǎng)相似關(guān)系至少包括幾何相似比；b、根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系，確定鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系，結(jié)構(gòu)相似關(guān)系至少包括表面力相似比、體積力相似比、集中載荷相似比以及結(jié)構(gòu)溫度相似比；c、根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系，確定鋼結(jié)構(gòu)的傳熱相似關(guān)系；d、根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以及傳熱相似關(guān)系建立縮尺模型；e、對(duì)縮尺模型進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)；f、根據(jù)縮尺模型的火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果、火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以及傳熱相似關(guān)系分析得出鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)情況。該分析方法能夠更加真實(shí)、準(zhǔn)確地反映鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)情況，操作簡(jiǎn)單，避免足尺試驗(yàn)的限制。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及工程結(jié)構(gòu)抗火災(zāi)分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)進(jìn)行分析，從而進(jìn)行 合理的鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
[0003] 傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)行為分析方法主要有:根據(jù)流體力學(xué)理論以及有限元數(shù)值方法 進(jìn)行數(shù)值模擬、建筑結(jié)構(gòu)足尺火災(zāi)試驗(yàn)、采用考慮整體結(jié)構(gòu)影響的約束構(gòu)件的抗火試驗(yàn)方 法等。但是數(shù)值模擬方法得出的模擬結(jié)果的正確性需要驗(yàn)證，建筑結(jié)構(gòu)足尺火災(zāi)試驗(yàn)費(fèi)用 昂貴、實(shí)驗(yàn)室條件以及試驗(yàn)設(shè)備受到限制，由于約束邊界條件的復(fù)雜性以及結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制 的整體性使得約束構(gòu)件的試驗(yàn)研究難以反映整體結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)制，并且試驗(yàn)時(shí)難以考慮真 實(shí)火災(zāi)的影響。
[0004] 縮尺模型試驗(yàn)是近年來(lái)工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究中的常用方法?？s尺模型試驗(yàn)的主要過(guò) 程包括:根據(jù)相似關(guān)系建立縮尺模型，對(duì)縮尺模型進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，再根據(jù)相似關(guān)系以及縮尺 模型的火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)原型的火災(zāi)行為進(jìn)行分析。
[0005] 在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下問(wèn)題:現(xiàn)有的利 用縮尺模型試驗(yàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行火災(zāi)行為分析時(shí)，主要是根據(jù)火場(chǎng)相似理論建立幾何尺寸、 火源功率、壁面?zhèn)鳠崽匦?、初始溫濕度及初始?xì)鈮旱然饒?chǎng)相似關(guān)系。但是僅僅根據(jù)火場(chǎng)相似 關(guān)系建立的縮尺模型并不能真實(shí)的反應(yīng)原型的實(shí)際情況，導(dǎo)致對(duì)鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)的分析結(jié) 果不過(guò)準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種能夠真實(shí)、準(zhǔn)確反映鋼結(jié)構(gòu)火 災(zāi)反應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方法。
[0007] 具體而言，包括以下的技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方法，所述分析方法包括：
[0009] a、確定火場(chǎng)相似關(guān)系，所述火場(chǎng)相似關(guān)系至少包括幾何相似比；
[0010] b、根據(jù)所述火場(chǎng)相似關(guān)系，確定所述鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系，所述結(jié)構(gòu)相似關(guān)系 至少包括表面力相似比、體積力相似比、集中載荷相似比以及結(jié)構(gòu)溫度相似比；
[0011] c、根據(jù)所述火場(chǎng)相似關(guān)系，確定所述鋼結(jié)構(gòu)的傳熱相似關(guān)系；當(dāng)所述鋼結(jié)構(gòu)沒(méi)有 設(shè)置防火保護(hù)時(shí)，所述傳熱相似關(guān)系至少包括對(duì)流換熱系數(shù)相似比以及綜合輻射系數(shù)相似 比；當(dāng)所述鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置防火保護(hù)時(shí)，所述傳熱相似關(guān)系至少包括防火層厚度相似比；
[0012] d、根據(jù)所述火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以及傳熱相似關(guān)系建立縮尺模型；
[0013] e、對(duì)所述縮尺模型進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)；
[0014] f、根據(jù)所述縮尺模型的火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果、所述火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以及傳 熱相似關(guān)系分析得出所述鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)情況。
[0015] 進(jìn)一步地，步驟b具體包括：
[0016] 確定不存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比以及體積力相似比；
[0017] 確定只存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比以及體積力相似比；
[0018] 利用疊加原理，并根據(jù)不存在溫度作用時(shí)和只存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面 力相似比以及體積力相似比，得到所述鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度相似比。
[0019] 具體地，根據(jù)以下公式確定所述不存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比以 及體積力相似比：
[0020] λη=1,
[0022] 其中，代表不存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比，代表不存在溫度作 用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的體積力相似比，代表所述幾何相似比。
[0023] 具體地，根據(jù)以下公式確定所述只存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比以 及體積力相似比：
[0026] 其中，<代表只存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比，<代表只存在溫度 作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的體積力相似比，λ?代表所述幾何相似比。
[0027] 具體地，步驟c中，根據(jù)以下公式確定所述對(duì)流換熱系數(shù)相似比以及綜合輻射系數(shù) 相似比：
[0028] X：h = λ^'5 ,
[0029] ;
[0030] 其中，\代表所述對(duì)流換熱系數(shù)相似比，\代表所述綜合輻射系數(shù)相似比，λι代 表所述幾何相似比。
[0031] 具體地，步驟c中，當(dāng)所述縮尺模型的防火層與所述鋼結(jié)構(gòu)的原型的防火層采用相 同的防火材料時(shí)，根據(jù)以下公式確定所述防火層厚度相似比：
[0032]
[0033] 其中，^5;代表所述防火層厚度相似比，代表所述幾何相似比。
[0034] 具體地，步驟c中，當(dāng)所述縮尺模型的防火層與所述鋼結(jié)構(gòu)的原型的防火層采用不 相同的防火材料時(shí)，根據(jù)以下公式確定所述防火層厚度相似比：
[0035] =C ;
[0036] 其中，代表所述防火層厚度相似比，1^代表所述幾何相似比。
[0037] 具體地，步驟a中，所述幾何相似比大于或者等于1/8。
[0038] 本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案的有益效果：
[0039] 本發(fā)明實(shí)施例提供的鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方法中，根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系，確定鋼結(jié) 構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系及傳熱相似關(guān)系，并根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以及傳熱相似關(guān) 系建立縮尺模型，對(duì)縮尺模型進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)后，最終再根據(jù)縮尺模型的火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果以及 火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以及傳熱相似關(guān)系分析得出鋼結(jié)構(gòu)原型的火災(zāi)反應(yīng)情況。由 于縮尺模型是根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以及傳熱相似關(guān)系建立的，因此，與現(xiàn)有的 僅根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系建立的縮尺模型相比，本發(fā)明實(shí)施例提供的分析方法中建立的縮尺模 型更貼近原型，因此本發(fā)明實(shí)施例提供的分析方法能夠更真實(shí)、更準(zhǔn)確地反映鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi) 反應(yīng)情況，并且操作簡(jiǎn)單，避免足尺試驗(yàn)的限制，有利于更準(zhǔn)確地研究常規(guī)島鋼結(jié)構(gòu)廠房抗 火設(shè)計(jì)方法。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使 用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0041 ]圖1為鋼結(jié)構(gòu)框架的變形情況；
[0042] 圖2為原型和縮尺模型在火災(zāi)過(guò)程中跨中位移隨時(shí)間的變化關(guān)系；
[0043] 圖3為原型和縮尺模型在火災(zāi)過(guò)程中結(jié)構(gòu)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0044]為使本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn) 一步地詳細(xì)描述。除非另有定義，本發(fā)明實(shí)施例所用的所有技術(shù)術(shù)語(yǔ)均具有與本領(lǐng)域技術(shù) 人員通常理解的相同的含義。
[0045] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明實(shí)施例中所涉及的各個(gè)相似比均指縮尺模 型與原型的比例，即縮尺模型/原型的值。
[0046] 實(shí)施例一
[0047] 本實(shí)施例提供一種鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方法，該分析方法包括：
[0048] 步驟101，確定火場(chǎng)相似關(guān)系，火場(chǎng)相似關(guān)系至少包括幾何相似比。
[0049] 步驟102,根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系，確定鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系，結(jié)構(gòu)相似關(guān)系至少包 括表面力相似比、體積力相似比、集中載荷相似比以及結(jié)構(gòu)溫度相似比。
[0050] 步驟103,根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系，確定鋼結(jié)構(gòu)的傳熱相似關(guān)系。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)沒(méi)有設(shè)置防 火保護(hù)時(shí)，傳熱相似關(guān)系至少包括對(duì)流換熱系數(shù)相似比以及綜合輻射系數(shù)相似比。當(dāng)鋼結(jié) 構(gòu)設(shè)置防火保護(hù)時(shí)，傳熱相似關(guān)系至少包括防火層厚度相似比。
[0051 ]步驟104，根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以及傳熱相似關(guān)系建立縮尺模型。 [0052]步驟105,對(duì)縮尺模型進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)。
[0053]步驟106,根據(jù)縮尺模型的火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果、火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以及傳熱 相似關(guān)系分析得出鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)情況。
[0054]本實(shí)施例提供的鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方法中，縮尺模型是根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié) 構(gòu)相似關(guān)系以及傳熱相似關(guān)系建立的，與現(xiàn)有的僅根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系建立的縮尺模型相 比，本實(shí)施例提供的分析方法中建立的縮尺模型更貼近原型，因此本實(shí)施例提供的分析方 法能夠更真實(shí)、更準(zhǔn)確地反映鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)情況，并且操作簡(jiǎn)單，避免足尺試驗(yàn)的限制， 有利于更準(zhǔn)確地研究常規(guī)島鋼結(jié)構(gòu)廠房抗火設(shè)計(jì)方法。
[0055] 實(shí)施例二
[0056] 縮尺模型試驗(yàn)既克服了數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確性的問(wèn)題，又解決了足尺試驗(yàn)費(fèi)用昂 貴、實(shí)驗(yàn)條件以及試驗(yàn)設(shè)備受限的問(wèn)題，是進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析的有效方法?？s尺模型 的建立是利用縮尺模型試驗(yàn)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析的重要部分。在建立縮尺模型過(guò)程 中，確定縮尺模型與原型之間的相似關(guān)系尤其重要，基于此，本實(shí)施例提供了一種能夠準(zhǔn)確 建立縮尺模型，從而真實(shí)、準(zhǔn)確反映鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方法。具體來(lái) 說(shuō)，該分析方法包括以下步驟：
[0057]步驟201，確定火場(chǎng)相似關(guān)系。
[0058] 確定火場(chǎng)相似關(guān)系是后續(xù)確定結(jié)構(gòu)相似關(guān)系的基礎(chǔ)?；饒?chǎng)相似關(guān)系主要包括幾何 相似比，即縮尺模型與原型之間幾何尺寸的比例。本發(fā)明實(shí)施例提供的分析方法中，幾何相 似比可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。但是，幾何相似比過(guò)小的話，可能會(huì)導(dǎo)致誤差增大，因此， 本發(fā)明實(shí)施例中，幾何相似比優(yōu)選1/8及以上，例如1/6、1/5、1/4、1/3、1/2等。本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以理解的是，縮尺模型的幾何相似比小于1。
[0059] 除了上述幾何相似比外，火場(chǎng)相似關(guān)系還可以包括煙氣流動(dòng)速度、火場(chǎng)發(fā)展的時(shí) 間、煙氣溫度、火源功率、邊界熱交換等參量，上述參量的相似比按照本領(lǐng)域常規(guī)的確定方 法確定即可，可選地，可以根據(jù)以下公式（1)~(5)確定：
[0060] ~ (1)
[0061] λ4 - λχ^2 (2)
[0062] λτ=1 (3)
[0063] λα=λΙ'5 (4)
[0064] iy = Λ^'9 (5)
[0065] 上述公式中，λν代表煙氣流動(dòng)速度相似比，\*代表火場(chǎng)發(fā)展的時(shí)間相似比，λτ代表 煙氣溫度相似比，λυ代表火源功率相似比，A W代表邊界熱交換相似比，代表幾何相似比。
[0066] 步驟202，根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系，確定鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系。
[0067] 結(jié)構(gòu)相似關(guān)系主要包括:表面力相似比、體積力相似比、集中載荷相似比以及結(jié)構(gòu) 溫度相似比等。由于鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，影響鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)的因 素較多，直接確定結(jié)構(gòu)相似關(guān)系有一定的困難，因此，本實(shí)施例采用先確定不存在溫度作用 時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系和只存在溫度作用時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系，再將不存在溫度作 用時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系和只存在溫度作用時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系進(jìn)行疊加的方法， 得到最終的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系，具體步驟如下，為了方便推導(dǎo)，假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)為彈性階段。
[0068] 步驟2021，確定不存在溫度作用時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系。
[0069]該步驟中，鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系主要包括表面力相似比以及體積力相似比。
[0070] 根據(jù)彈性力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)荷載與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)系應(yīng)滿(mǎn)足以下方程：
[0071] 平衡方程:Gi+〇ji,j = 〇 (6)
[0074]應(yīng)力邊界條件:qi = 〇jinj (9)
[0075] 上述公式中，Gi代表體積力；〇ji,j、okk代表應(yīng)力分量；代表應(yīng)變分量;ui,j、Uj,i代 表位移分量;λ代表拉梅常數(shù);3ij代表增量分量;μ泊松比；qi代表表面力;nj代表邊界表面法 線方向余弦。
[0076] 根據(jù)量綱分析方法，已知幾何相似比為k(與火場(chǎng)模型的幾何相似比相等），并控 制應(yīng)力相似比人。=1，應(yīng)變相似比λε = 1則可以得到以下相似關(guān)系：
[0077] λα = λσ= 1 (10)
[0079] λρ - ΛσΛ4 = dl ( 12 )
[0080] 上式中，Aq代表不存在溫度作用時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比，代表不存在溫度作用 時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的體積力相似比，λ?代表幾何相似比，λρ代表不存在溫度作用時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的集中載荷 相似比。
[0081] 根據(jù)上述公式（10)~（11)中所示的人(1=1、
-即可確定不存在溫度作用時(shí)鋼 結(jié)構(gòu)的表面力相似比和體積力相似比，同時(shí)根據(jù)公式（12)中所示的Λρ = 還可以確定不 存在溫度作用時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的集中載荷相似比。
[0082] 步驟2022,只存在溫度作用時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系。
[0083]該步驟中，鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系主要包括表面力相似比以及體積力相似比。 [0084]根據(jù)熱彈性力學(xué)理論，熱應(yīng)力的解除應(yīng)滿(mǎn)足方程(9)、（10)，還需要滿(mǎn)足與溫度相 關(guān)的平衡方程和應(yīng)力邊界條件方程：
[0085] 溫度相關(guān)的平衡方程:β Δ Ts, = 〇 (13)
[0086] 溫度相關(guān)的應(yīng)力邊界條件:i3ATsm = 〇jinj (14)
[0087]
，〇為熱膨脹系數(shù)，l，m，n為邊界表面法線方向余弦。根據(jù)杜哈梅 爾相似定理:熱應(yīng)力問(wèn)題可以用等溫彈性體問(wèn)題的方法來(lái)求解，即先不去直接考慮熱應(yīng)力 問(wèn)題，而是去求解假想體積力為
1及假想面積力為⑴A TS1， 0八1^，以!^)作用下的等溫彈性問(wèn)題的應(yīng)力〇\，〇%，〇' 2^、，廣^、，然后把求得的等 溫彈性問(wèn)題的正應(yīng)力分量〇\，〇%，〇%疊加上該點(diǎn)的流體靜壓-0/^，從而得到構(gòu)件由于不 均勻受熱所引起的熱應(yīng)力。即：
[0088] σχ=σ'χ-βΔ Τ3，σγ = σ'γ-βΔ Τ3，σζ = σ'ζ-βΔ Ts
[0089] TXy-T xy ? Tzy-TZy，Txz-T xz (15)
[0090] 控制，則在只存在溫度作用時(shí)
表面力(β Δ Tsl，β Δ Tsm，f3 Δ Tsn)的相似比為：
[0091] λΙ=λ^ ! XL=\ I lL, (16)
[0092] =/1Δ^=1 l 1-丨：
[0093] 根據(jù)上述公式(16)~（17)中所示的
、私即可確定只存在溫度作用 時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系。
[0094]從上述公式可以看出，只存在溫度作用時(shí)的體積力和表面力的相似比與不存在溫 度作用時(shí)相同，則V = 1，又由式（15)得:λσ = 1。
[0095]步驟2023,將不存在溫度作用時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系和只存在溫度作用時(shí)鋼結(jié) 構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系進(jìn)行疊加，得到最終的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系。
[0096]根據(jù)上述步驟2021和2022所得結(jié)果，根據(jù)疊加原理可知當(dāng)控制結(jié)構(gòu)溫度相似比為 1時(shí)，結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)相似關(guān)系與承受靜載時(shí)一致。
[0097]需要說(shuō)明的是，在后續(xù)建立縮尺模型時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比、體積力相似比以 及集中載荷相似比按照Xq= 1 .
'、. 二筆確定。
[0098]步驟203，根據(jù)火場(chǎng)相似關(guān)系，確定鋼結(jié)構(gòu)的傳熱相似關(guān)系。
[0099] 對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的傳熱相似關(guān)系來(lái)說(shuō)，需要分為設(shè)置防火保護(hù)和沒(méi)有設(shè)置防火保護(hù)兩 種情況來(lái)分析。
[0100] (1)當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)沒(méi)有設(shè)置防火保護(hù)時(shí)，傳熱相似關(guān)系至少包括對(duì)流換熱系數(shù)相似比 以及綜合輻射系數(shù)相似比。
[0101]由于對(duì)流傳熱能力跟溫度相關(guān)，輻射傳熱能力跟溫度四次方相關(guān)，因此很難綜合 考慮論證相似關(guān)系。因此，本實(shí)施例中先分別對(duì)只存在其中一種傳熱方式時(shí)的情況進(jìn)行分 析，再進(jìn)行綜合分析。
[0102]對(duì)于對(duì)流傳熱：假設(shè)在時(shí)刻ts，構(gòu)件溫度為T(mén)s，周?chē)諝鉁囟葹門(mén)g，根據(jù)集總參數(shù) 法，熱量的局部守丨旦方程為：
[0104]在瞬時(shí)其微分形式為：
[0106] 式中，ps為鋼材密度，(^為鋼材比熱容，S為受火面積，V為受火體積，h。為對(duì)流換熱 系數(shù)，AT = Ts_Tg。
[0107] 無(wú)量綱化得對(duì)流換熱系數(shù)相似關(guān)系：
[0109] 根據(jù)公式(20)所示的;^ = /^5即可得到對(duì)流換熱相似比。
[0110] 對(duì)于輻射傳熱:輻射熱流密度為：
[0111] q = esC〇[(Tg+273)4-(Ts+273)4] (21)
[0112] 式中，co為斯蒂芬-玻爾茲曼系數(shù)，es為綜合輻射系數(shù)。
[0113]根據(jù)集總參數(shù)法可得：
[0115]令(Tg+273)4-(Ts+273)4= Δ4Τ，無(wú)量綱化得綜合輻射系數(shù)相似關(guān)系：
[0117] 根據(jù)公式(23)所示的=義_5即可得到綜合輻射系數(shù)相似比。
[0118] 綜合分析，得出綜合傳熱相似關(guān)系為=七5。
[0119] (2)當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置防火保護(hù)時(shí)，傳熱相似關(guān)系至少包括防火層厚度相似比。
[0120] 當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置有防火保護(hù)時(shí)，對(duì)于防火層厚度相似比的分析可以分為縮尺模型與 原型采用同一種防火材料以及縮尺模型與原型采用不同防火材料兩種情況。
[0121] 空氣通過(guò)熱輻射和熱對(duì)流向防火保護(hù)層傳遞熱量，再由防火保護(hù)層向鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件 傳遞熱量，相當(dāng)于空氣通過(guò)輻射和對(duì)流傳熱熱阻、防火保護(hù)層傳熱熱阻串聯(lián)得到的總熱阻 向鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳遞熱量。串聯(lián)總熱阻為：
^其中h。為熱對(duì)流傳熱系數(shù)，hr為
熱輻射傳熱系數(shù)，心為防火保護(hù)層的厚度，1^為防火保護(hù)層材料的導(dǎo)熱系數(shù)。通常情況下， ，串聯(lián)總熱阻可簡(jiǎn)化為：
[0123] 單位時(shí)間空氣向保護(hù)層和構(gòu)件傳遞的熱量為：
[0124] q = RiFi(Tg-Ts) (25)
[0125] 其中Fi為單位長(zhǎng)度構(gòu)件保護(hù)層表面積。
[0126] 根據(jù)熱平衡原理，建立熱平衡方程：
[0128]其中ms為單位長(zhǎng)度鋼構(gòu)件的質(zhì)量，nu為單位長(zhǎng)度保護(hù)層的質(zhì)量，(^為保護(hù)層的比熱 容，h為保護(hù)層平均溫度。
[0129]由式(24)、（25)、（26)得：
[0133]如果縮尺模型與原型采用同一種防火保護(hù)材料，可得以下相似關(guān)系：
[0135] 其中，代表防火層厚度相似比，為^代表質(zhì)量相似比，代表幾何相似比。
[0136] 如果模型與原型不采用同一種防火保護(hù)材料，鋼構(gòu)件質(zhì)量相似性從幾何相似角度 考慮，可得以下相似關(guān)系：
[0138]如果忽略防火保護(hù)層的熱容量，則式(27)將變?yōu)椋?br>[0140]無(wú)量綱化得相似關(guān)系：
[0141 ] λδι -Λ￡0'5 (32)
[0142] 其中，代表防火層厚度相似比，k代表幾何相似比。
[0143] 根據(jù)上述公式(29)即可得到縮尺模型與原型采用同一種防火材料時(shí)的防火層厚 度相似比，根據(jù)上述公式(32)即可得到縮尺模型與原型采用不同防火材料時(shí)的防火層厚度 相似比。
[0144] 步驟204,根據(jù)上述步驟201、202以及203中確定的火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以 及傳熱相似關(guān)系建立縮尺模型。
[0145] 步驟205，對(duì)縮尺模型進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)。
[0146] 可以采用本領(lǐng)域常規(guī)的火災(zāi)試驗(yàn)方法對(duì)縮尺模型進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄相關(guān)的試驗(yàn)數(shù) 據(jù)，例如跨中位移數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)溫度變化數(shù)據(jù)等。
[0147] 步驟206,根據(jù)縮尺模型的火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果、火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系以及傳熱 相似關(guān)系分析得出鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)情況。
[0148] 在得出縮尺模型的火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果后，利用步驟201、202以及203中確定的各個(gè)相似 關(guān)系，來(lái)分析鋼結(jié)構(gòu)原型的火災(zāi)反應(yīng)情況。例如，當(dāng)縮尺模型的火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果中，中柱破壞 溫度為720 °C，時(shí)間為llmin，而煙氣溫度相似比為1，火場(chǎng)發(fā)展的時(shí)間相似比為0.71，則推廣 到原型可得，原型結(jié)構(gòu)中柱破壞溫度為720°C，時(shí)間為15.5min。
[0149] 下面利用數(shù)值分析的方法對(duì)采用本實(shí)施例提供的分析方法建立的縮尺模型的火 災(zāi)反應(yīng)情況與原型的火災(zāi)反應(yīng)情況進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證本實(shí)施例提供的分析方法的準(zhǔn)確性。
[0150] 采用IS0841火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線分析鋼結(jié)構(gòu)的相似關(guān)系，通過(guò)有限元分析軟件 ABAQUS建立原型、1/4縮尺鋼框架結(jié)構(gòu)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)相似理論。
[0151] 原型鋼框架相關(guān)參數(shù)：
[0152] 框架尺寸:5.2X5.2X5.2(m);
[0153] 梁截面:H200X 200X16 X16(mm);
[0154] 柱截面:H200X200X16(mm);
[0155] 鋼結(jié)構(gòu)表面無(wú)防火保護(hù)。
[0156] 空氣升溫曲線
；梁上翼緣面荷載:120(kN/m2)。
[0157] 縮尺模型的火場(chǎng)相似關(guān)系根據(jù)上述公式（1)~(5)確定，縮尺模型的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系 根據(jù)上述人(1=1、
、為> = 等公式以及結(jié)構(gòu)溫度相似比為1確定，縮尺模型的傳熱 相似關(guān)系根據(jù)上述公式七5 =?5確定。
[0158] ABAQUS的模擬結(jié)果如圖1~圖3所示。
[0159] 其中，圖1示出了鋼結(jié)構(gòu)框架的變形情況，從圖1可以看出，鋼梁最先發(fā)生失效。
[0160] 圖2示出了原型和縮尺模型在火災(zāi)過(guò)程中跨中位移隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖2可以 看出，采用本實(shí)施例提供的分析方法建立的縮尺模型的跨中位移隨時(shí)間的變化關(guān)系與原型 之間的模擬誤差不超過(guò)1 %。
[0161] 圖3示出了原型和縮尺模型在火災(zāi)過(guò)程中結(jié)構(gòu)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖3可以 看出，采用本實(shí)施例提供的分析方法建立的縮尺模型的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系與原型之間 的模擬誤差不超過(guò)1 %。
[0162] 通過(guò)上述模擬結(jié)果可以看出，采用本實(shí)施例提供的分析方法建立的縮尺模型與原 型的相似度很高，縮尺模型的試驗(yàn)結(jié)果與原型的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。
[0163] 綜上，本發(fā)明實(shí)施例基于火場(chǎng)相似理論研究成果，以結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)相似理論與方 法為研究目標(biāo)，提供了一種利用縮尺模型試驗(yàn)來(lái)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)進(jìn)行分析的方法。采用 本發(fā)明實(shí)施例提供的分析方法建立的縮尺模型更貼近原型，能夠更真實(shí)、更準(zhǔn)確地反映鋼 結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)情況，并且操作簡(jiǎn)單，避免足尺試驗(yàn)的限制，有利于更準(zhǔn)確地研究常規(guī)島鋼結(jié) 構(gòu)廠房抗火設(shè)計(jì)方法。
[0164] 以上所述僅是為了便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明的技術(shù)方案，并不用以限制 本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本 發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析方法，其特征在于，所述分析方法包括： a、 確定火場(chǎng)相似關(guān)系，所述火場(chǎng)相似關(guān)系至少包括幾何相似比； b、 根據(jù)所述火場(chǎng)相似關(guān)系，確定所述鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相似關(guān)系，所述結(jié)構(gòu)相似關(guān)系至少 包括表面力相似比、體積力相似比、集中載荷相似比W及結(jié)構(gòu)溫度相似比； C、根據(jù)所述火場(chǎng)相似關(guān)系，確定所述鋼結(jié)構(gòu)的傳熱相似關(guān)系；當(dāng)所述鋼結(jié)構(gòu)沒(méi)有設(shè)置 防火保護(hù)時(shí)，所述傳熱相似關(guān)系至少包括對(duì)流換熱系數(shù)相似比W及綜合福射系數(shù)相似比； 當(dāng)所述鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置防火保護(hù)時(shí)，所述傳熱相似關(guān)系至少包括防火層厚度相似比； d、 根據(jù)所述火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系W及傳熱相似關(guān)系建立縮尺模型； e、 對(duì)所述縮尺模型進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)； f、 根據(jù)所述縮尺模型的火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果、所述火場(chǎng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)相似關(guān)系W及傳熱相 似關(guān)系分析得出所述鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)情況。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于，步驟b具體包括： 確定不存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比W及體積力相似比； 確定只存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比W及體積力相似比； 利用疊加原理，并根據(jù)不存在溫度作用時(shí)和只存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相 似比W及體積力相似比，得到所述鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度相似比。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析方法，其特征在于，根據(jù)W下公式確定所述不存在溫度作 用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比W及體積力相似比：其中，λ。代表不存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比，代表不存在溫度作用時(shí) 所述鋼結(jié)構(gòu)的體積力相似比，λι代表所述幾何相似比。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的的分析方法，其特征在于，根據(jù)W下公式確定所述只存在溫度 作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比W及體積力相似比：其中，AgT代表只存在溫度作用時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面力相似比，；g代表只存在溫度作用 時(shí)所述鋼結(jié)構(gòu)的體積力相似比，λι代表所述幾何相似比。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的的分析方法，其特征在于，步驟C中，根據(jù)W下公式確定所述對(duì) 流換熱系數(shù)相似比W及綜合福射系數(shù)相似比：其中，韋，。代表所述對(duì)流換熱系數(shù)相似比，為。代表所述綜合福射系數(shù)相似比，λι代表所述 幾何相似比。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于，步驟c中，當(dāng)所述縮尺模型的防火層與 所述鋼結(jié)構(gòu)的原型的防火層采用相同的防火材料時(shí)，根據(jù)W下公式確定所述防火層厚度相 似比：其中，^<^代表所述防火層厚度相似比，λι代表所述幾何相似比。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于，步驟C中，當(dāng)所述縮尺模型的防火層與 所述鋼結(jié)構(gòu)的原型的防火層采用不相同的防火材料時(shí)，根據(jù)W下公式確定所述防火層厚度 相似比：其中，本代表所述防火層厚度相似比，λι代表所述幾何相似比。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于，步驟a中，所述幾何相似比大于或者等 于 1/8。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106096114SQ201610394241
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日 公開(kāi)號(hào)201610394241.8, CN 106096114 A, CN 106096114A, CN 201610394241, CN-A-106096114, CN106096114 A, CN106096114A, CN201610394241, CN201610394241.8
【發(fā)明人】張志謙, 金靖, 劉曉珂, 陳適才, 張洋
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