专利名称：基于整体的大型钢结构防火的系统化设计方法
技术领域：
本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的防火设计方法，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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明具体实现过程如下 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。
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 公式中 Qmax——最大热释放速率(kW) qi——i火源所在分区的平均火灾荷载密度(MJ/m2) Ai——i火源所在分区的有效可燃面积(m2) m——火源数目 各种工况下的火灾热释放速率(Q)曲线可取t2模型 Q＝at2 公式中 Q——热释放速率(kW) a——时间常数 t——时间(s) 3.根据设定的火灾工况，建立建筑物的计算机模型并采用计算机数值计算模块进行数值模拟，经过数值模拟获得“真实”火灾下结构体系的力学状态。计算机数值计算模块共包含三个部分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(Fire-Structures Coupled Interface)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。
(1)火灾模拟计算子模块。运用计算流体动力学(CFD)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，其中需要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、通风状况等。
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 动量守恒方程 能量守恒方程 组分守恒方程 状态方程 ③FDS计算完毕后将生成一个或多个输出文件。FDS的输出结果主要是密度、温度、压力、热释放率、燃烧产物的浓度、混合分数以及热流和辐射对流等。本方法需要获得空间温度场Tg(x，y，z，t)。该结果将作为下一步结构传热计算子模块的热荷载参数进行输入。
(2)结构传热计算子模块。通过基于火灾-结构耦合模型的计算机程序FSCI(Fire-Structures Coupled Interface)，自动获取FDS火灾模拟得到的空间温度场Tg(x，y，z，t)，并将其自动转化为结构传热分析所需的输入条件，以数据表格形式保存。然后运用有限元分析程序ANSYS建立结构体系的有限元传热分析模型，加载这些结果数据作为热荷载，进行结构传热分析，获得结构体系内部温度场Ts(x，y，z，t)的时空分布，具体的执行步骤为 ①定义单元类型及热分析材料特性，包括导热性，比热，密度等； ②建立结构体系的几何模型，进行网格划分，建立有限元模型； ③定义热分析类型及辐射对流等参数； ④读入保存火灾模拟结果的表格文件，将经火灾模拟得到的空间温度场Tg(x，y，z，t)作为边界条件施加在有限元模型上，并进行求解计算； ⑤保存计算结果Ts(x，y，z，t)到结果文件file.rth。此结果文件将作为下一步结构力学性能计算子模块的温度荷载进行输入。
(3)结构力学性能计算子模块。运用具有非线性分析功能的通用有限元程序ANSYS，对结构体系在各种火灾工况下的整体性能进行模拟和计算，获得结构体系的应力σ(T)和变形δ(T)。其具体步骤为 ①仍采用步骤4中的有限元模型，变换单元为结构分析单元，设定各种计算参数(屈服强度、截面参数等)、随温度变化的材料参数(弹性模量、热膨胀系数及泊松比等)和本构关系； ②按照《建筑结构荷载规范》进行荷载组合，施加荷载于结构体系上； ③输入结构传热分析结果文件file.rth，即施加温度荷载； ④求解计算； ⑤保存计算结果到结果文件file.rst。该结果保存有结构体系的应力σ(T)和变形δ(T)时程数据，将作为下一步结构承载力判断和失效判定的依据。
4.运用ANSYS的后处理程序查看计算结果文件file.rst，从中提取结构体系的应力σ(T)和变形δ(T)等。如果结构的承载力Rd小于各种作用所产生的荷载效应组合Sm，则判断结构失效，则需要重新调整结构设计和加强防火保护(如增设自动喷淋装置等)，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。
5.根据计算机数值计算模块的计算结果文件file.rst，从中查看所有构件的应力和变形状况，据此识别关键构件(或危险区域)。关键构件的识别采用应力判别和变形判别双控法，即选取那些应力水平超过高温下构件的强度设计值的70％，即0.7ηTγRf，或是变形超过的构件长度1/300的构件为关键构件。其中ηT为高温下强度折减系数，γR为抗力分项系数，f为常温下钢材的强度设计值。其值按《建筑钢结构防火设计规范》(DG/TJ08-008-2000)确定。
在识别出关键构件(或危险区域)后，需要对这些构件进行进一步的有限元计算，该计算所选取的边界约束及荷载条件考虑其在整体结构中的实际状况，温度环境则完全取自于前述火灾模拟获得的“真实”火灾温度场，这是与以往任何设计所不同之处。具体执行步骤为 ①运用GetTemp程序从火灾模拟结果文件中提取该构件所在位置的局部环境温度场，并形成数据表格文件。
②首先进行传热分析。方法同步骤3中第(2)部分的计算步骤；由于构件分析属于精细分析，故定义单元类型时通常采用实体单元solid70。
③进行结构受力计算。方法同步骤3中第(3)部分的计算步骤；定义结构单元类型时通常采用实体单元SOLID45。
④保存计算结果；查看构件应力和变形是否满足安全性能指标的要求。如不满足要求，则需要进行构件的防火设计。
以最不利工况下的力学计算为依据，根据《建筑钢结构防火设计规范》进行构件的防火设计，确保其耐火性能能够满足安全性要求。
采用该系统方法可以进行在任何“真实”火灾场景下的结构整体的防火性能分析和基于整体的结构抗火设计。既可以考虑最不利状况，也可以考虑在不同消防保护措施作用(如喷淋和通风系统)下的结构反应，从而可以实现灵活的结构防火设计，并可进行设计方案对比优选，从而提出一种更优的既经济又安全的设计方案。该设计方法可以解决传统设计方法对大型结构的不适用问题，克服传统方法中各系统独立设计的缺陷，实现综合、全面和经济的系统化设计。该方法已在奥运场馆等多个大型建筑项目上进行了研究性运用，取得了令人满意的成果。
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明实施例空间环境温度-时间曲线图。
图3为本发明实施例钢结构温度-时间曲线图。
图4为本发明实施例火灾下的结构变形图。
图5为本发明实施例火源附近环向主梁轴力-时间曲线。
图6为本发明实施例梁不同截面温度随时间变化的曲线图。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
1.问题描述 本实施例应用的工程为XX省广播电视发射塔的全景画馆。该电视塔建设高度388米，分为塔座、塔身、塔楼和桅杆四大部分，塔座包括地下1层、地上4层以及屋顶；塔身从标高24.6米到213.8米，圆形，全钢结构，钢材种类为Q345。
全景画馆为该建筑中一个极具特色的室内展览厅，分布在塔座三层及四层，为2层22m高的大空间，其平面面积达到近2000m2。油画分布在整个空间周边，其油画展厅采用4吨亚麻布作画布及6吨矿粉油画颜料，画布及颜料均为可燃物，火灾荷载较大，火灾蔓延迅速。画布靠近周边支撑钢结构体系，火灾危险性很大。一旦发生火灾，附近钢结构将直接暴露在火源辐射之下，顶部梁系也将受到高温烟气的作用，使得整个结构体系处于不均匀的温度场中。另外，在高温和原有荷载的共同作用下，结构体系内部的受力状况将发生较大的变化，整个结构体系内部出现内力重分布。在这种情况下，原有设计方法无法满足设计要求，故采用结构体系整体抗火的系统设计方法进行防火设计，本发明是实力的实施流程如图1所示。
2.确立安全目标 本建筑为一级高层建筑，其安全目标为结构在最不利火灾状况下不致破坏 性能指标 (1)结构的承载力Rd应不小于火灾下的荷载效应组合Rd≥Sm (2)结构主要构件的变形不能超过确定的容许值。
(3)构件内的最大应力不超过确定的容许应力值σmax≤[σT] 3.火灾工况设计 在本例中，根据建筑功能和设计，由于其结构和可燃物分布具有轴对称性质，故设计的火灾工况为 表1火灾场景设置和设计火灾总结
根据火灾工况的设计，下面将运用计算机数值计算模块进行分析计算。计算机数值计算模块采用的软件可选用美国NIST(National Institute of StandardTechnology)开发的火灾模拟软件FDS以及通用有限元软件ANSYS进行，共包含三个部分，为以下的4-6 4.火灾模拟计算子模块进行火灾模拟 运用运用FDS进行火灾模拟，得到了各构件的表面环境温度、热流以及辐射等结果数据。经过计算模拟，从得到的温度-时间曲线上(见图2)可以看出，最高温度峰值出现在210秒左右，达到896℃，随后开始迅速下降。最高温度发生的位置位于火源正上方的屋顶梁系附近，该处的构件处于高温的环境中，因而非常危险。此外，模拟结果显示，在大空间结构中，空间温度场是一个随时空动态变化的物理场，空间任意一点在某一时刻受火源辐射对流以及高温烟气作用而产生不同的环境温度，因此需要将这种时空变化的温度场Tg(x，y，z，t)作为荷载条件准确的施加到整体结构上。
5.结构传热计算子模块进行结构传热模拟 结构传热计算子模块选用通用有限元软件ANSYS。通过FSCI模型程序，将火灾模拟得到的空间动态温度场Tg(x，y，z，t)数据施加在ANSYS结构有限元模型上进行结构整体的瞬态热分析，从而得到结构体系受火灾影响的内部温度场变化情况。图3显示了火源上方钢结构构件内部的温度随时间的变化关系。从图中可以看出，由于辐射对流等热作用，钢结构内部温度在930秒左右到达峰值，最高温度在160℃左右，位置发生在火源上方的钢梁内。
6.结构力学性能计算子模块进行结构整体抗火模拟 基于试验的传统抗火设计方法不能很好地考虑构件的实际受力及约束情况，也不能考虑整体结构中构件间的相互作用力及荷载传递路径的改变等因素，本实施例采用基于结构体系的整体抗火模拟方法则可在设计中综合考虑上述问题。
本例采用通用有限元软件ANSYS作为结构力学性能计算子模块的工具软件，对全景画馆的整体结构进行力学性能的模拟。已知钢材种类为Q345，输入钢材在高温下的参数比热、热传导系数和膨胀系数按欧洲规范取值，密度取7850kg/m3，应力应变关系采用欧洲规范EUROCODE3中的本构公式。钢材热膨胀系数为1.4×10-5，常温下的弹性模量为2.05×105MPa。模拟梁、柱的单元为beam44单元。
火灾下钢材的热工参数，结构荷载按照《建筑钢结构防火设计规范》(DG/TJ08-008-2000)和《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)进行荷载效应组合如下 q＝1.0Gk+0.7Qk+1.0ΔT 式中Gk-永久荷载标准值；Qk-活载标准值；ΔT-构件温度变化(考虑温度效应)。
经过模拟计算发现，最不利火灾工况下，结构整体没有失效，只出现局部破坏。最不利位置的外围柱柱顶位移为23mm，柱内最大应力342MPa，说明构件可能已发生屈服破坏，不能满足承载力要求。从模拟结果发现，在火灾高温作用下，由于梁的膨胀，会对周边的外围支撑柱产生较大的水平推力(见图4)，加之竖向荷载作用，柱内产生较大附加弯矩，从而使得柱内产生较高的应力水平。在没有实行防火保护的情况下，钢结构柱将达到屈服，从而丧失承载能力。如柱W-1(轴线1处的外围柱)内，在高温和梁传来荷载的共同作用下，其轴力和应力相当大。
外围框架体系中的环向主梁虽然受到火源高温作用，但由于结构体系具有良好的整体性，在外围柱的支撑作用下，环向主梁不论是应力水平还是位移都比较小，并且出现了明显的悬链线效应(见图5)。从分析结果中还可以看出，不仅靠近火源的梁柱内部具有较高的应力水平，在距离火源较远的其他部位的构件内也产生较高的应力水平，这主要是因为火灾引起的不均匀温度场造成结构体系内部的内力重分配，使得距离火源较远的构件内部也产生较大的拉压应力。另外，核心筒内和旋转平台的结构虽然处于外围围护结构的保护下，没有直接受到火灾高温的影响，但由于结构整体性的特点，这些部位的结构也受到较大影响，特别是核心筒内的下部柱体在顶部钢梁传来的推力和上部结构变形引起的附加力作用下，柱体内部具有较高的压应力，容易造成结构受压失稳破坏，这是结构整体性能的真实反映。从整体分析的结果可以看出，火源附近的钢柱和钢梁受火灾影响较大，作为主要承重构件具有较高危险性，因而是关键构件。
7.关键构件的防火设计 本例以径向主梁为例，进行关键构件防火设计。作为整体结构中的一个构件，在进行主梁抗火性能模拟时，必须考虑其在整体环境中的状态，模拟周围环境及构件对它的作用，使构件周围环境温度、约束及受力状况均与其在整体结构中保持一致。
首先，采用ANSYS进行单个构件的抗火性能研究。分析中采用SOLID70单元建立主梁模型，并对其进行热-结构耦合模拟。
从模拟结果看出，温度最高处发生在梁端与柱相连接部位的附近，在930秒时达到峰值146℃。从结果可以看出，由于单个构件的分析是在整体环境下进行的，构件周围环境温度及受力状态均与整体结构中的相一致，因此，其分析结果与整体分析中相差不多。这也说明尽管整体分析中进行了一些简化，但只要处理恰当，仍能满足工程要求的精度。由于采用“真实”火灾场景模拟升温曲线来对结构进行热分析的，梁截面内与长度方向的温度均不相同(见图6)，且随时间动态变化。而以往不少研究通常假设构件内部温度是均匀的，这与实际火灾不符。从结果中还可以看出，构件在高温及荷载共同作用下，梁端最先出现了塑性区域，是主梁的危险截面，这与以往试验研究中认为跨中为危险截面的结论不同，这主要是因为在基于整体的构件抗火分析中考虑了构件的实际约束情况。
通过对关键构件的有限元分析，可以看到，当环境温度达到895.57℃时，梁内应力超过其承载能力极限而导致主梁破坏，在无保护层的状态下，主梁不满足抗火设计要求，因此首先考虑采用防火涂料来进行防火保护设计。
(1)主梁的承载能力验算 现由整体分析数据可知，近火源点处位于第二层最外环上的径向主梁为火灾中出现最高温度处，且主梁内的最高应力为286MPa，环境最高温度约为895.57℃。该梁为工字钢梁，翼缘宽度为0.3m腹板厚度为0.012m，翼缘厚度为0.016m，腹板长度为0.8m，钢号Q345，截面面积A＝188.16cm2，强轴截面模量为W＝4820cm3；其两端所受轴向约束力为-1340920N，梁端所受弯矩分别1604890N·m和-470382N·m，并取βm＝βt＝1.0，防火保护层材料的热传导系数λi＝0.10W/(m·℃)。
已知，建筑防火等级为一级，可知其耐火时间要求t＝3h＝10800s，且由整体分析结果可知构件在火灾全过程中环境最高温度达到895.57℃，钢材在此温度下的强度折减系数为0.06。由下面的公式可以计算出钢材在该温度下的应力，进而验算钢梁的强度，有 ＞ηTγRf＝18.15N/mm2 因此钢梁不能满足抗火要求。
现对构件进行防火保护层厚度设计设保护层厚度为di，计算截面强度荷载比R， 根据规范查表可得临界温度为Td0＝579.84℃ 由于，λx＝22；
则有
查表可得Tdx＝588.7℃ 又有λy＝113.09；
查表可得临界温度Tdy＝578.04℃ 计算所需防火涂料的厚度di Td＝578.04℃ (2)主梁的稳定承载力验算 高温下绕强轴x轴弯曲，λx＝22；
Ts＝895.57℃，已知di＝0.033，且
则有 ηT＝1.24×10-8Ts3-2.096×10-5Ts2+9.228×10-3Ts-0.2168＝0.9187 钢材在该温度下的弹性模量为 则 查表可得高温下的稳定验算参数αc＝1.0，则高温稳定系数
＜ηTγRf＝277.91N/mm2 因此，当钢梁涂有33mm的保护层时，能够满足抗火稳定承载性要求。
故此钢梁防火保护层设为33mm时，钢梁能够满足承载能力和稳定性的抗火要求。但该工程中钢梁数量和表面积巨大，涂刷如此厚度防火涂料将耗费大量资金，因此，可采用更经济可靠的手段进行防火保护。在基于整体的系统分析指导下，本工程在减少防火涂料厚度的条件下，将梁柱连接设计为滑动支座，使得结构体系既能满足原有设计要求，也能满足梁柱的抗火性能，并且节约了防火涂料的使用，从而体现出系统化设计的优点。
本发明并不限于上面描述的实施例，相反，本发明应覆盖本发明的实质所包含的各种改进和等同设计，这些实质内容在后附的权利要求书中进行了描述。该权利要求的请求保护范围按照最宽泛解释来限定，以便包含所有相似的改进和等效设计。
权利要求
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，
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
动量守恒方程
能量守恒方程
组分守恒方程
状态方程
③FDS计算完毕后将生成一个或多个输出文件，FDS的输出结果是密度、温度、压力、热释放率、燃烧产物的浓度、混合分数以及热流和辐射对流，获得空间温度场Tg(x，y，z，t)，该结果将作为下一步结构传热计算子模块的热荷载参数进行输入。
6、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，所述结构传热计算子模块，通过基于火灾-结构耦合模型的计算机程序FSCI，自动获取FDS火灾模拟得到的空间温度场Tg(x，y，z，t)，并将其自动转化为结构传热分析所需的输入条件，以数据表格形式保存，然后运用有限元分析程序ANSYS建立结构体系的有限元传热分析模型，加载这些结果数据作为热荷载，进行结构传热分析，获得结构体系内部温度场Ts(x，y，z，t)的时空分布，具体的执行步骤为
①定义单元类型及热分析材料特性，包括导热性，比热，密度；
②建立结构体系的几何模型，进行网格划分，建立有限元模型；
③定义热分析类型及辐射对流参数；
④读入保存火灾模拟结果的表格文件，将经火灾模拟得到的空间温度场Tg(x，y，z，t)作为边界条件施加在有限元模型上，并进行求解计算；
⑤保存计算结果Ts(x，y，z，t)到结果文件file.Rth，此结果将作为下一步结构力学性能计算子模块的温度荷载进行输入。
7、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，所述结构力学性能计算子模块，运用具有非线性分析功能的通用有限元程序ANSYS，对结构体系在各种火灾工况下的整体性能进行模拟和计算，获得结构体系的应力σ(T)和变形δ(T)，其具体执行步骤为
①采用限元模型，变换单元为结构分析单元，设定各种计算参数、随温度变化的材料参数和本构关系；
②按照《建筑结构荷载规范》进行荷载组合，施加荷载于结构体系上；
③引入结构传热分析结果file.rth，即施加温度荷载；
④求解计算；
⑤保存计算结果到结果文件file.rst。
8、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，所述第五步中，根据计算机数值计算模块的计算结果，查看所有构件的应力和变形状况，据此识别关键构件或危险区域，关键构件的识别采用应力判别和变形判别双控法，即选取那些应力水平超过高温下构件的强度设计值的70％，即0.7ηTγRf，或是变形超过的构件长度1/300的构件为关键构件，其中ηT为高温下强度折减系数，γR为抗力分项系数，f为常温下钢材的强度设计值，其值按《建筑钢结构防火设计规范》确定。
9、根据权利要求1或8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，在识别出关键构件或危险区域后，对这些构件进行进一步的有限元计算，该计算所选取的边界约束及荷载条件考虑其在整体结构中的实际状况，温度环境则完全取自于前述火灾模拟获得的真实火灾温度场，具体执行步骤为
①运用GetTemp程序从火灾模拟结果文件中提取该构件所在位置的局部环境温度场，并形成数据表格文件；
②首先进行传热分析，定义单元类型时采用实体单元solid70；
③进行结构受力计算，定义结构单元类型时采用实体单元SOLID45；
④保存计算结果，查看构件应力和变形是否满足安全性能指标的要求，如不满足要求，则需要进行构件的防火设计。
全文摘要
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。
文档编号G06F17/50GK101251865SQ20081003520
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月27日 优先权日2008年3月27日
发明者史健勇, 任爱珠, 李引擎 申请人:上海交通大学