一种梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析系统及分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种土木工程技术领域的梁柱式木结构框架抗火的设计方法，具体来 说，是以数值模拟手段，解决梁柱式木结构框架受火问题，为实际木结构防火设计提供帮 助。
【背景技术】
[0002] 随着近来林业资源的发展和广泛应用，国内学者开始对我国常用树种的抗火性能 进行研究探索。木材是纤维素、半纤维素和木质素等多种高分子有机物、水和无机盐等无机 物组成的混合物，其与其他建筑材料相比，最主要的缺点是易燃，木材一旦燃烧，释放出大 量的热量加速火灾的发展，造成更大的人员伤亡和财产损失。
[0003] 当前木结构防火设计的依据主要有《木结构设计规范》和《建筑设计防火规范》。但 是传统的防火设计规范中主要采用基于构件试验的结构抗火设计方法，对于木结构整体构 件的相互影响尚未考虑，同时基于试验的设计方法不能反映真实火灾工况下结构的响应， 难以真正反映真实的受力情况。与此同时，传统抗火是基于标准升温曲线模拟火灾升温过 程，不少学者使用燃烧炉对构件或结构进行相关抗火性能试验，这与实际火灾升温过程相 差较大，因而不能准确模拟分析结构的火灾反应。
[0004] 目前关于梁柱式木结构框架抗火性能的研究不足之处在于：1.缺乏准确的实际火 灾工况下木结构框架的评估计算方法;2.结构分析缺乏基于空间整体的计算分析;3.虽然 已有不少学者提出了系统化设计的思想，但是对于梁柱式木结构来说仍然需要设计更加合 理的计算方法。经过对现有文献的检索查阅，申请公布号103886161A的中国发明专利中提 出了一种基于钢结构抗火专家系统的钢结构抗火设计方法，该方法与本发明方法技术要点 比较不同之处在于：
[0005] (1H03886161A所述发明主要是针对钢结构抗火设计，本发明主要着重于解决梁 柱式木结构框架整体抗火性能的计算和分析，其目标、流程和性能均不同。
[0006] (2H03886161A所述发明主要是采用面向对象式高级语言Visual Basic开发了一 套钢结构抗火专家系统(ESSFF)，本发明主要采用Python语言将火灾计算、传热分析和结构 计算集成于统一计算环境，针对梁柱式木结构框架抗火进行研究分析，整个计算分析过程 简洁便利。
【发明内容】
[0007] 发明目的：针对现有研究技术的缺陷，本发明提供一种梁柱式木结构框架整体抗 火性能分析的分析系统及分析方法。考虑实际火灾发展的影响，以整体结构为对象，采用标 准化设计流程，实现经济可靠的木结构防火设计方案。该发明可以减少足尺试验的高成本， 提高分析效率。
[0008] 技术方案：
[0009] -种梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析系统，其特征在于，包括：
[0010] 实际火灾模拟模块，用于在梁柱式木结构框架内生成与实际火灾工况相对应的模 拟火灾工况；
[0011] 结构内部有限元传热分析模块，用于获取在所述实际火灾模拟模块生成的模拟火 灾工况下木结构的内部温度分布；
[0012] 结构场有限元分析计算模块，用于对所述木结构进行加载从而获得结构变形及损 伤。
[0013] 本发明分析系统还包括：
[0014] 可视化模块，用于将所述结构场有限元分析计算模块获得的结构变形及损伤可视 化。
[0015] -种梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0016] 步骤一、在有限元分析软件ABAQUS中建立梁柱式木结构框架温度场和结构场模 型，其中温度场根据传热学原理和木材热传导率、密度和比热随着温度升高而减小的热工 性能建立相关材料属性，确定受火面，设定相关热辐射系数;结构场根据有限元理论建立有 限元模型；
[0017] 步骤二、根据实际火灾热源的空间位置、热释放率以及开洞通风条件，设定火灾工 况；
[0018] 步骤三、根据设定的火灾工况，结合已建立的梁柱式木结构框架温度场模型，采用 火灾模拟软件建立火灾模拟模型，计算得到火灾区域内结构表面时变空间的温度场分布结 果；
[0019] 步骤四、对木结构进行热-结构耦合有限元分析:将上述时变空间的温度场计算结 果作为热边界条件代入到温度场计算中，通过有限元模拟软件的传热分析，得到梁柱式木 结构框架内部温度场分布结果以及各有限元单元节点的温度结果；
[0020] 步骤五、将已获得的梁柱式木结构框架内部温度场计算结果代入到结构场模型 中，施加常规荷载及边界条件，计算得到梁柱式木结构框架在实际火灾受火过程中结构变 形及损伤的结构场响应。
[0021] 还包括步骤六、实现结构变形及损伤的可视化:在有限元分析软件ABAQUS中编制 可视化程序，并导入步骤五计算出的结构场计算结果，实现火灾过程中梁柱式木结构框架 的变形及损伤可视化过程。
[0022]所述梁柱式木结构框架温度场模型在有限元软件ABAQUS中使用DC3D8单元;所述 梁柱式木结构框架温度场模型在有限元软件ABAQUS中选用实体单元C3D8R建立。
[0023]可视化程序根据有限元计算结果实现:有限元软件ABAQUS提供Python接口，通过 编制的Python程序，导入odbAccess模块提取出有限元结构分析中指定迭代步的计算结果， 将结果导出为TXT文档格式后，再编制读取该数据的Python程序将其导入到写好的基于 0PENGL可视化程序中，即可实现梁柱式木结构框架受火过程中的变形及损伤可视化。
[0024]本发明梁柱式木结构框架整体抗火性能分析的研究分析方法，包括以下部分： [0025] 一、在有限元分析软件ABAQUS中建立梁柱式木结构框架温度场和结构场模型，其 中温度场根据传热学原理和木材热传导率、密度和比热随着温度升高而减小的热工性能建 立相关材料属性，确定受火面，设定相关热辐射系数;结构场根据有限元理论建立有限元模 型，并使用FORTRAN编译的木材本构模型子程序；
[0026]二、根据实际情况设定火源位置、可燃物数量、热释放速率、开洞数量及大小，确定 火灾工况；
[0027]三、根据一中有限元模型，使用Python程序生成火灾模拟软件FDS输入文件，建立 火灾实体模拟模型，并调用ros求解器计算火灾区域内结构表面时变空间温度场，得到结果 表面升温曲线；
[0028]四、进行热-结构耦合计算:首先在Python程序中调用已计算求得的时变空间温度 场结果数据并将其设为热边界条件，生成ABAQUS热分析初始文件，调用ABAQUS求解器计算 梁柱式木结构框架内部温度场分布结果;根据已获得的结构体系有限元温度场数据生成结 构分析初始文件，调用ABAQUS求解器计算梁柱式木结构框架在常规荷载和温度荷载作用下 的结构响应。
[0029]五、进行火灾作用下结构变形过程的可视化：依然在已编译的Python程序中读取 结构响应结果数据，将指定分析步的结构变形和单元损伤数据以文档格式保存，通过 Python中的0PENGL程序读取相应数据，使用双缓冲技术实现结构变形及损伤单元从初始化 到最终结果的可视化过程。
[0030] 六、进行结构抗火的力学性能检验:根据可视化变形过程结构变形及损伤失效单 元的数量判断结构梁柱式木结构框架破坏部位及是否倒塌。
[0031] 以下是对本发明具体实施步骤作进一步详细说明：
[0032] (1)本发明使用Python编制的程序执行结构抗火分析，有限元模型、火灾模拟模型 及其运算求解，分析数据处理及可视化实现