一种结构火灾混合试验方法及系统

本发明涉及结构抗火试验领域，特别是涉及一种结构火灾混合试验方法及系统。

背景技术：

1、火灾以及地震次生火灾严重影响结构的力学性能，使结构发生局部破坏，甚至可导致结构发生连续倒塌，造成巨大的经济损失和人员伤亡。研究结构火灾下的整体反应有助于提升结构设计理论，减少或避免重大人员伤亡。

2、结构火灾反应模拟通常有两种手段，即数值模拟和物理试验。在数值模拟方面，需要事先已知材料的恢复力特性，由于结构火灾时可能出现较强的非线性，导致现有的数值模拟结果失真，无法真实反应结构的灾变机理。在物理试验方面，受火灾试验场地、设备以及经费的限制，现有关于结构抗火性能的研究以单独构件、简化的子结构或缩尺试件为主，且难以有效考虑非受火部位对受火结构的边界约束效应，无法考虑结构内力重分布的影响和非受火部件对受火构件的真实约束。为此，将数值模拟与物理试验相结合，即抗火混合试验，是模拟结构整体火灾反应的有效途径。但现有抗火混合试验中仍有制约因素：(1)往往假定只有柱或部分子结构处于受火状态，并以之为物理子结构开展混合试验，忽略了火灾的蔓延，即结构的非受火部分也处于高温状态，严重影响构件的力学性能，同时影响物理子结构的边界条件。(2)当数值子结构考虑温度影响时，需开展热-力耦合分析，这将严重增加计算耗时，不利于开展抗火混合试验。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种结构火灾混合试验方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种结构火灾混合试验方法，所述方法包括：

4、步骤1.1：获取物理结构的温度场时空分布模型；所述温度场时空分布模型用于预测当前时刻物理子结构的温度；所述物理结构包括若干所述物理子结构；

5、步骤1.2：获取结构火灾反应混合模拟代理模型；所述结构火灾反应混合模拟代理模型用于根据所述当前时刻物理子结构的温度和前一时刻物理子结构的边界恢复力预测当前时刻物理子结构的边界位移；

6、步骤1.3：将预测的当前时刻物理子结构的温度作为目标温度，控制热环境模拟系统，使热环境模拟系统中的温度达到所述目标温度；

7、步骤1.4：将预测的当前时刻物理子结构的边界位移作为目标位移，控制作动器作用于所述物理子结构，使物理子结构实现目标位移；

8、步骤1.5：采集当前时刻物理子结构的边界恢复力，并将所述当前时刻物理子结构的边界恢复力反馈至步骤1.2中的所述结构火灾反应混合模拟代理模型。

9、可选的，所述温度场时空分布模型通过机器学习算法建立；所述温度场时空分布模型的输入包括火源位置、火源温度时程和结构信息，所述结构信息包括层高、跨度、梁柱截面尺寸和开窗位置；所述温度场时空分布模型的输出包括结构中高温部分和受火部分的计算点的温度。

10、可选的，在建立所述温度场时空分布模型之前，具体还包括：

11、建立结构的笛卡尔坐标系，记录火源位置h0；

12、采用火灾动力学模拟工具，模拟结构火灾的发展过程，记录火源温度时程，以及结构中关键位置的火场温度时程；

13、结合火场温度分布和结构材料的高温力学性能，将结构划分为常温部分、高温部分和受火部分。

14、可选的，所述结构火灾反应混合模拟代理模型的建立步骤具体包括：

15、步骤2.1：获取结构火灾混合试验的影响因素；

16、步骤2.2：基于所述影响因素，建立温度场时空分布模型；

17、步骤2.3：进行结构热力耦合分析，获取结构火灾反应，得到结构火灾反应数据库；

18、步骤2.4：基于所述结构火灾反应数据库，利用机器学习算法开展迭代训练，得到多个代理模型；

19、步骤2.5：基于所述多个代理模型，采用模型平均方法得到最终代理模型。

20、可选的，步骤2.2具体包括：

21、根据所述影响因素，建立样本空间；采用实验设计方法在样本空间进行抽样；根据不同的影响因素样本点，建立相应的温度场时空分布模型。

22、可选的，步骤2.5中的最终代理模型m表示如下：

23、m＝w1m1+w2m2+…+wpmp，

24、式中，m是最终模型，mi和wi分别是第i个训练好的预测模型和对应的权重。

25、可选的，所述进行结构热力耦合分析获取结构火灾反应，具体包括：

26、步骤3.1：根据当前时刻结构的温度场，求解控制方程，得到当前时刻结构的结点位移；

27、步骤3.2：基于所述结点位移，对弹性主结构进行线性静力进行分析，得到当前时刻结构的应力状态；

28、步骤3.3：以材料的屈服强度为判断标准，如果结构构件的应力大于屈服强度，则进入步骤3.4；否则，进入步骤3.5；

29、步骤3.4：采用常温精细化数值子结构模型，直接根据所述结点位移进行静力分析；

30、步骤3.5：采用受火和高温数值子结构模型，根据当前时刻受火数值子结构和高温数值子结构的温度以及所述结点位移，进行以热应力分析为基础的静力分析；

31、步骤3.6：通过步骤3.4和步骤3.5中的静力分析，得到当前时刻子结构的结构恢复力，并根据所述结构恢复力计算得到当前时刻子结构的非线性修正力。

32、可选的，所述控制方程具体如下：

33、

34、式中，kdyn为伪动力刚度；f为等效荷载；为非线性修正力；

35、kdyn，f，的计算式分别为：

36、

37、

38、

39、式中，γ和δ为newmark-β法的调节参数，k是结构刚度矩阵，δt为积分步长，k为时间步，r()为结构恢复力，fg为结构的重力荷载，t为温度，d为结构结点位移，m是结构质量矩阵，c是由结构动能wkin确定的结构阻尼系数矩阵。

40、可选的，所述控制方程由伪动力方程通过newmark-β法求得，所述伪动力方程具体如下：

41、

42、式中，r()为结构恢复力，fg为结构的重力荷载，t为温度，d为结构结点位移，m是结构质量矩阵，c是由结构动能wkin确定的结构阻尼系数矩阵。

43、本发明还提供了一种结构火灾混合试验系统，包括：

44、温度预测模块，用于通过温度场时空分布模型预测当前时刻物理子结构的温度；

45、边界位移预测模块，用于通过结构火灾反应混合模拟代理模型结合当前时刻物理子结构的温度和前一时刻物理子结构的边界恢复力预测当前时刻物理子结构的边界位移；

46、温度模拟模块，用于将预测的当前时刻物理子结构的温度作为目标温度，控制热环境模拟系统，使热环境模拟系统中的温度达到所述目标温度；

47、位移模拟模块，用于将预测的当前时刻物理子结构的边界位移作为目标位移，控制作动器作用于物理子结构，使物理子结构实现所述目标位移；

48、采集模块，用于采集当前时刻物理子结构的边界恢复力，并将所述当前时刻物理子结构的边界恢复力反馈至所述结构火灾反应混合模拟代理模型。

49、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

50、本发明提供了一种结构火灾混合试验方法及系统，方法包括：通过温度场时空分布模型预测当前时刻物理子结构的温度；通过结构火灾反应混合模拟代理模型结合当前时刻物理子结构的温度和前一时刻物理子结构的边界恢复力预测当前时刻物理子结构的边界位移；控制热环境模拟系统，使热环境模拟系统中的温度达到预测的温度；控制作动器作用于所述物理子结构，使物理子结构实现预测的边界位移；采集当前时刻物理子结构的边界恢复力，并反馈至所述结构火灾反应混合模拟代理模型。相较于现有技术中只考虑处于受火状态的结构部分，忽略了火灾的蔓延发展，以及当数值子结构考虑温度影响时，需开展热-力耦合分析，严重增加计算耗时，本发明采用温度场时空分布模型来预测不同时刻物理子结构各部分的温度，从而实现在试验过程中模拟火灾的发展变化，能够考虑非受火部位对受火结构的边界约束效应，更精确地模拟结构的火灾反应；另外，本发明采用结构火灾反应混合模拟代理模型来预测物理子结构的边界位移，进行试验时，不需要开展热-力耦合分析，避免了繁重的有限元计算，提高了效率，保证了数值计算的实时性。