一种基于综合模型的自然火灾下梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析系统及分析方法与流程

本发明涉及一种分析系统，具体是土木工程技术领域的梁柱式木结构框架抗火性能分析。

背景技术：

火灾是指由于天然或者人为的因素，引起可燃物质着火并蔓延发展成灾害性破坏的过程。火灾造成的人员和财产伤亡为国民安全和社会经济稳定带来较大的不利影响，火灾的危害性随着社会的不断发展而愈加突出。

木材作为建筑行业的主要材料，与其他建筑材料相比，最主要的缺点是自身具有可燃性。木材一旦开始燃烧，其释放出的大量热量加速火灾发展，进而对结构及周边环境造成更大的危害，对结构稳定性产生巨大影响。

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，对于木结构整体中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，自然火灾与标准火灾最大的不同在于其具有自然冷却阶段，并且受到燃料荷载以及通风条件等因素影响。

因而不能准确模拟分析结构的火灾反应。

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.数值模拟方法无法考虑结构场与温度场直接耦合，无法考虑木材的可燃性；4.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，该方法主要是针对钢结构抗火设计，提出了相关设计流程及框架，但并不适于梁柱式木结构。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种在火灾现场下结构与火灾工况协同作用的适用于梁柱式木结构的抗火性能分析系统及分析方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于综合模型的自然火灾下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：

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；

炭化模型模块，获取在所述实际火灾模拟模块生成的模拟火灾工况下的梁柱式木结构表面温度荷载数据，根据炭化模型计算公式得出梁柱式木结构表面炭化深度及梁柱式木结构各构件的有效截面数据；

结构有限元分析计算模块，用于计算梁柱式木结构在碳化深度和有效截面变化下的实时变形结果，并根据实时变形结果更新实际火灾模拟模块中的模拟火灾工况用于计算下一时刻的变形结果。

所述结构有限元分析计算模块中，模拟梁柱式木结构框架的梁单元为梁和柱，壳单元为楼板。

实际火灾模拟模块采用火灾模拟软件FDS。

结构有限元分析计算模块采用有限元分析软件ABAQUS。

一种基于综合模型的自然火灾下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：

步骤一、将火灾作用下结构破坏过程进行时间和空间离散化，将火灾模拟计算时间分隔成有限个时间间隔，在每个时间间隔中，又将木结构框架各个构件划分为若干数量的离散单元；

步骤二、根据梁柱式木结构框架结构形式，在火灾模拟软件FDS中建立火场几何模型；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；

步骤三、根据设定的火灾工况，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；

步骤四、根据上述步骤三获取结构各个时刻表面火灾荷载数据，根据炭化深度计算公式获取各个时刻下，结构各构件炭化深度及有效截面数据；

步骤五、在有限元分析软件ABAQUS中，根据有限元理论建立梁柱式木结构框架结构场模型，根据步骤四各个时刻的有效截面数据，建立各个时刻各构件单元截面及有限元模型；

步骤六、对各个时刻相应的结构有限元模型进行计算：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梁柱式木结构框架的结构场响应；

步骤七、对各个时刻的有限元模型计算结果进行分析，判断该时刻结构的破坏情况；如果结构没有发生破坏，则模拟系统在完成既定计算时间后终止；如果结构发生破坏，则需要更新破坏后的火场模型并重新进行火灾模拟、炭化深度计算、有限元计算及破坏检测过程，如此反复计算，直至结构完全失效或者完成数值模拟计算时间。

所述梁柱式木结构框架有限元模型在有限元软件ABAQUS中梁、柱使用梁单元，楼板使用壳单元模拟木框架结构。

本发明提出的分析系统及分析方法是一个循环计算过程，根据火灾模拟时长划分的各个离散时刻，在各个时刻进行火灾模拟、炭化深度计算、削弱后结构有限元计算，并根据计算结果判断结构是否发生破坏；如果发生破坏则需要更新此时刻破坏后的火场模型，重新进行火灾模拟、炭化深度计算、削弱后有限元计算过程。如此反复，最终反映梁柱式木结构在自然火灾下破坏过程。

基本思想是：作用-系统-反应。为了实现这一过程的模拟，需要将各个模块模拟集成起来，并建立统一的数据环境，围绕火灾、结构和材料三个主要问题，重点解决火灾对结构的影响，结构破坏对结构自身的影响以及结构破坏对火灾发展的影响三个方面。

有益结果：

与当前木框架抗火分析技术相比，本发明提出了一种梁柱式木结构框架抗火分析方法，模拟火灾发展过程中的结构破坏过程，实现火灾与结构的完全耦合，重点解决了火灾对结构的影响，结构破坏对结构自身的影响以及结构破坏对火灾发展的影响三个方面。本发明为建筑火灾研究提供了数值模拟方法，具有快速、廉价、简洁的特点，对于木结构火灾性能化设计和火灾风险评估提供实用价值。

自然火灾下梁柱式木结构数值模拟方法尚需深入研究。首先火灾模拟与结构有限元模拟，是两个分离的过程，其分别属于火灾科学和结构分析研究范畴。火灾作用下，木结构自身会因为炭化过程而削弱自身截面，进而影响结构分析结果；同时结构自身的破坏也会影响火场的通风条件和空间分隔，进而影响火灾发展过程。本发明考虑实际火灾发展的影响，以整体结构为对象，实现火灾和结构相互作用的过程，提出经济可靠的木结构防火设计分析方法。该发明可以减少足尺试验的高成本，提高分析效率。

附图说明

图1本发明分析系统框图；

图2本发明分析方法框架；

图3为构件离散化示意图；

图4火灾发展对结构计算的影响；

图5结构破坏对自身的影响；

图6结构破坏对火灾模拟的影响；

图7自然火灾下梁柱式木结构抗火计算流程图。

具体实施方式

下面介绍本发明的具体实施过程。

如图1所示，本发明一种基于综合模型的梁柱式木结构框架抗火分析系统，包括：

实际火灾模拟模块、炭化模型模块和结构有限元分析计算模块三个模块，首先在火灾模拟模块建模进行温度场计算，得出表面火灾荷载数据，其次在炭化模型模块中计算各个时刻结构炭化深度及有效截面，其次在结构有限元分析模块建立框架结构模型，进行结构场分析计算，其次判断该时刻结构的破坏情况，对火灾模拟模块的模型进行更新，循环计算直至结构破坏。

如图2所示，本发明一种基于综合模型的梁柱式木结构框架抗火分析方法，包括：

建立一种综合模型用于自然火灾下梁柱式木结构框架整体抗火性能计算，将火灾作用、削弱后的构件截面及有限元计算结果等信息关联和建模，重建结构数据模型和关系，使得不同模拟环境的数据联系起来，反映木结构在火灾破坏过程中的物理意义。

本发明提出的综合模型主要由火场模型空间信息、火灾荷载结果和炭化深度、有限元模型尺寸三个主要参数确定。

将火灾作用下结构破坏过程进行时间和空间离散化，确定离散单元的初始尺寸；

在有限元分析软件ABAQUS中，建立各个时刻有限元模型，确定离散单元长度；

在火灾模拟软件FDS中建立火场实体模型，输出离散单元空间单元坐标信息，计算并获取结构各个时刻表面火灾荷载数据；

根据火灾数值结果获得火灾荷载数据，通过炭化模型模块计算获取各个时刻结构各构件炭化深度及有效截面数据；

根据有限元模型确定的离散单元长度、火场模型输出离散空间单元坐标信息以及炭化模型得出的炭化深度和有效截面，建立火灾作用下多参数耦合模型，计算得到梁柱式木结构框架在实际火灾受火过程中梁柱式木结构框架的结构响应；

如图3所示，本发明提出的分析方法首先将火灾作用下结构破坏过程进行时间和空间离散化，将火灾模拟计算时间分隔成有限个时间间隔，在每个时间间隔中，又将木结构框架各个构件划分为若干数量的离散单元；

本发明基本思想是：作用-系统-反应。为了实现这一过程的模拟，需要将各个模块模拟集成起来，并建立统一的数据环境，围绕火灾、结构和材料三个主要问题，重点解决火灾对结构的影响，结构破坏对结构自身的影响以及结构破坏对火灾发展的影响三个方面。

考虑火灾发展对结构计算的影响，结合梁柱式木结构框架在高温下性能退化过程，木材在火灾作用下发生的炭化作用最终表现为截面尺寸的削弱，削弱后导致构件强度降低。如图4所示，本发明根据获得的火灾荷载数据，通过炭化模型计算各构件表面的炭化深度，进而计算构件的有效截面尺寸，并更新结构有限元模型。

考虑结构破坏对结构自身的影响。本发明的结构分析以ABAQUS有限元模型为基础，更新结构火灾削弱后的有效截面，通过有限元计算得到结构的变形及应力结果。通过获取有限元计算数据库结果，获取单元内力，节点位移，对该结构进行破坏检测。如果结构发生破坏，则更新结构破坏后的有限元模型，通过计算分析新的结构模型破坏情况。图5表示结构破坏对自身的影响。

考虑结构破坏对火灾模拟的影响。结构破坏后，破坏的木构件会引起空间和通风条件的改变等，进而影响火灾在结构破坏后的发展情况。本发明假定结构破坏后火场在很短的时间内稳定，主要研究结构破坏后引起的结构空间和通风条件的改变对火灾模拟的影响。本发明建立的系统将根据破坏信息更新火场模型，并进行破坏后的火灾数值模拟，进而反映结构破坏对火灾模拟发展的影响。图6为结构破坏对火灾模拟的影响示意图。

本发明一种基于综合模型的自然火灾下梁柱式木结构框架整体抗火性能的计算过程，包括以下步骤：

步骤一、将火灾作用下结构破坏过程进行时间和空间离散化，将火灾模拟计算时间分隔成有限个时间间隔，在每个时间间隔中，又将木结构框架各个构件划分为若干数量的离散单元；

步骤二、根据梁柱式木结构框架结构形式，在火灾模拟软件FDS中建立火场几何模型；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；

步骤三、根据设定的火灾工况，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；

步骤四、根据综合模型获取结构各个时刻表面火灾荷载数据，根据炭化深度计算公式获取各个时刻下，结构各构件炭化深度及有效截面数据；

木材在高温下性能的退化是连接火灾发展和结构破坏的关键过程。木材作为一种可燃物，在高温作用下表面会发生炭化和燃烧，炭化会导致截面削弱，未炭化部分的承载能力也会受高温影响产生显著变化，同时由于木材是热的不良导体，温度在截面处的分布情况对木材的力学性能同样具有较大影响。

木材因内部组成成分较多，而且每种组分具有不同的热解性能，因此其炭化过程及炭化速率规律非常复杂。当前，国内外究人员对木材的炭化过程进行了大量试验研究，并提出了多种炭化速率模型。

木材因内部组成成分较多，而且每种组分具有不同的热解性能，因此其炭化过程及炭化速率规律非常复杂。当前，国内外究人员对木材的炭化过程进行了大量试验研究，并提出了多种炭化速率模型。

(1)以“常速率模型”为代表，通过炭化速率模型反应材料属性对炭化速率的影响。这类模型可用下式表示：

t＝Cx_c (3-4)

其中t是时间，单位为分钟，C是炭化速率，单位为分钟/毫米，x_c是炭化深度，单位为毫米。其中C一般可取为0.6毫米/分钟。

(2)通过火灾荷载对炭化速率的影响，建立炭化速率模型。在已有的实验研究中发现，炭化程度和吸收热量大致成正比关系。此外，还有一些专用的炭化模型，如Hadvig假定室内燃料全部燃烧，减去通风热量损失，剩余热量用于室内木材表面吸收，通过计算得到炭化深度，这种也可称为经验模型。

(3)为了描述整个火灾发展过程中木材炭化的情况，出现了以固体热解积分为基础建立的炭化模型。这种模型是基于试验得到的结果，以动量、质量、能量守恒为理论基础，根据火灾荷载数据，预测木材的炭化速率及炭化深度。本文以Spearpoint的炭化材料一维积分模型为基础，结合高作人博士关于木材炭化模型相关工作，对该类炭化模型作简要介绍。

Spearpoint的基本假设是木材满足“半平板无限构件”条件，试样厚度保证木材在炭化过程中不因内侧木材温度的升高而影响炭化速率。木材的炭化层为惰性，火焰放热恒定，并且材料在温度区间内保持密度恒定。

Spearpoint的炭化材料一维积分模型计算公式如下：

式中，m是燃烧率，t是时间，ρ_w是木材炭化前密度，φ是炭化比，定义：

其中，ρ_φ是炭化层密度，ω是收缩比。其中φ由如下公式定义：

其中，β定义为：

式中，qⁿ(t)、分别为木材表面吸收的净热流强度和到达木材表面的热流强度。

其中T_s、T₀、α、ε、σ、h_c分别为炭化表面温度、初始温度、吸收系数、辐射系数、波尔茨曼常数以及热传导系数。由于炭化表面是黑色，因此假设辐射系数和吸收系数均为1，则公式可简化为

由此可得：

根据实验获得的各物理量，可以推导出炭化深度的计算公式为：

上述公式可根据燃烧率、到达热流强度和吸收热流强度三个参数得到木材表面t时刻的炭化深度。在FDS中通过“DEVC”字串布置测量设备，可输出上述火灾荷载数据，具体内容如下表1所示：

表1 FDS提取的火灾荷载数据

步骤五、在有限元分析软件ABAQUS中，根据有限元理论建立梁柱式木结构框架结构场模型，根据步骤四各个时刻的有效截面数据，建立各个时刻各构件单元截面及有限元模型；

步骤六、对各个时刻相应的结构有限元模型进行计算：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等结构场响应。

步骤七、对各个时刻的有限元模型计算结果进行分析，判断该时刻结构的破坏情况；如果没有发生破坏，则模拟系统在完成既定计算时间后终止；如果发生破坏，则需要更新破坏后的火场模型并重新进行火灾模拟、炭化深度计算、有限元计算及破坏检测过程，如此反复计算，直至结构完全失效或者完成数值模拟计算时间。

所述梁柱式木结构框架有限元模型在有限元软件ABAQUS中主要以梁、壳单元为主，梁、柱使用梁单元，楼板使用壳单元模拟木框架结构。

如图7所示，本发明提出的计算过程是一个循环计算过程，根据火灾模拟时长划分的各个离散时刻，在各个时刻进行火灾模拟、炭化深度计算、削弱后结构有限元计算，并根据计算结果判断结构是否发生破坏；如果发生破坏则需要更新此时刻破坏后的火场模型，重新进行火灾模拟、炭化深度计算、削弱后有限元计算过程。如此反复，最终反映梁柱式木结构在自然火灾下破坏过程。

以上是对本发明具体实施方法的描述。本发明并不局限于上述特定情景的实施方式，本领域技术人员可以根据实际火灾情况及结构类型在权利要求的范围内进行调整和改进，这并不影响本发明的实质内容。