一种模拟高层建筑火灾的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及建筑工程，特别是涉及核心筒-框架结构超高层建筑发生火灾后倒塌 过程分析。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的飞速发展，大量人口涌入城市，为解决人口的容纳问题，各城市争 相新建高层建筑，甚至超高层建筑用于居住和办公。特别是在城市核心区域，超高层建筑 比比皆是，且建筑楼距很近，一旦发生如地震等灾害，超高层建筑坍塌后果不堪设想。不幸 的是，除自然灾害外，人为因素也可能造成超高层建筑的坍塌。众所周知的如911事件的世 贸大楼双塔，其坍塌后除自身结构完全破坏外，还对周围建筑造成了严重影响。但究其世贸 双塔的坍塌原因发现，其最终坐塌是由于飞机携带大量航空燃油。油料在撞击后残留于建 筑内并燃烧，燃烧温度达到1000°C以上（爆炸瞬间温度为2500°C )，并维持了相当长的时 间。这种温度可使混凝土碳化，强度和变形能力急剧下降。同时钢结构对于高温的承受能 力也较差，英国规范BS:5950Part8采用的对应于不同温度和应变值的强度折减系数表明， 在950°C，变形0. 5%，折减系数仅为0. 024。所以火灾对于建筑，特别是超高层建筑的影响 是致命的。所以研究在某些情况下（如受到大型高速飞行物撞击），超高层建筑发生火灾后 所表现的变形和非连续性坍塌以成为一个热点问题。
[0003] 目前对于建筑火灾模拟及建筑坍塌的研究主要有两种方式，一是相似模拟，一是 计算机模拟。相关的主要研究有：叶建的大空间钢结构整体抗火性能的数值研究；刘刚刚 的钢筋混凝土框架结构连续倒塌破坏机理研究；朱杭的高层建筑钢结构性能化防火设计方 法与应用；刘迎利等的数值模拟在建筑防火工程中的应用；江晓峰等对建筑结构连续性倒 塌及其控制设计的研究现状进行了综述；颜敬等做了建筑结构倒塌破坏的数值模拟方法综 述；陆新征等详细的研究了高层建筑火灾倒塌过程，并取得了较大进展。Foster等采用数 值方法研究了钢筋混凝土局部受火子结构的力学行为；Ali HM等以钢结构为主体的组合结 构在火灾下进行了数值模拟。
[0004] 上述研究在理论和实际应用上取得了一些成绩，但是相似实验和基于连续性理论 的火灾中超高层建筑坍塌模拟也存在着先天不足，特别是对于非连续性坍塌的研究。对于 相似实验，首先其实验尺度对结果有着不可忽略的影响，模型不可能1:1建立。另外，模型 的制作都相当耗费人力、资金和时间。实际上为解决实验问题，才使用模拟对难以制作的模 型及难以模拟的现象（特别是火灾）进行分析。对于计算机模拟，基于连续性的超高层建 筑物坍塌研究在一定程度上不符合实际。对地震引起建筑物坍塌的研究，其TECS模拟是基 于连续性理论的，只能模拟结构失效后的变形破坏，即只能连续性倒伏，不能模拟实际中超 高层建筑构件的断裂，破碎。另一方面火灾本身的模拟也值得研究，超高层建筑一般为钢筋 混凝土结构或钢结构。模拟火灾应同时考虑混凝土与钢结构的共同作用。综上两点，其得 到的火灾中破坏坍塌过程一定程度上不符合实际的超高层建筑坍塌过程。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提出使用基于颗粒流的PFC3D作为模拟平台，建 立超高层建筑核心筒-框架结构。制定了考虑钢筋和混凝土共同作用下的火灾区域结构性 质设置方法和模拟步骤。设置了两个火灾区域并进行了 500°C~1600°C的火灾模拟。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] -种模拟高层建筑火灾的方法，其特征在于，为了解超高层建筑发生火灾后变形 特征及失稳后的非连续坍塌过程，了解其中影响变形和坍塌的原因，使用基于颗粒流的 PFC3D作为模拟平台，设置火灾区域并模拟坍塌过程，所构建的超高层建筑为核心筒-框架 结构，提出火灾区域中构件属性设置方法及模拟步骤，其中考虑了钢筋和混凝土共同作用 的结果；其包括如下步骤：建筑基本模型构建、火灾中混凝土结构模型构建、火灾中钢筋模 型构建、火灾温场设置及模拟步骤；本发明可用于核心筒-框架结构超高层建筑发生火灾 后倒塌过程分析。
[0008] 建筑基本模型构建的原理是基于颗粒流理论，基于PFC3D的该超高层建筑构造， 设基本单元颗粒半径R = lm。
[0009] 在建筑基本模型构建时，核心筒在某种意义上是存在于建筑物中的增强体，其为 建筑物整体提供了较大的强度和刚度，可以说是建筑物的支柱，为了体现其作用，增强空间 刚度，将核心筒构造成净空和梁厚均为2m的单元，这样设置的原因在于可体现空间刚度的 增强，另一方面也减少了颗粒数量便于计算机模拟，与此同时将标准层设置为净空4m，梁厚 2m的单元，在满足实际尺寸的同时也表示了标准层刚度相对较弱的特点。
[0010] 在建筑基本模型构建时，在水平方向为表示核心筒的特征，将核心筒周围也相应 的设置了圈梁和外伸梁；圈梁一方面可以约束核心筒变形，另一方面可以和柱一起组成标 准层的框架结构；外伸梁是连接核心筒和外围框架结构的重要构件，根据实际结构特征将 其设置为双排梁结构。
[0011] 火灾中混凝土结构模型构建时，通过先确定关键参数的初始值，然后根据已有的 对这些参数随温度变化特征的研究，确定各个温度下各参数的值，从而对PFC3D中颗粒进 行准确且及时的修正，从而保证火灾模拟效果，混凝土热力参数有：传热系数：4. 2,比热 容：880,线性热膨胀率：5. 4X10-6。
[0012] 弹性模量的变化规律，采用分段函数，进行线形拟合后给出的模型如式（1):
[0013]
[0014] 泪鎰+的姥臌胳茗撒￥^斤化丨取.加忒〇 :
[0016] 混凝土骨料对导热系数如式（3):[0017]
[0015] (2)
[0030] 火灾中钢筋模型构建时，提出假设I :某一属性达到适用温度极限后保持不变，从 而对模型中颗粒的对应属性在不同温度下赋值；钢筋混凝土构件力学性质是钢筋和混凝土 共同作用的结果，提出假设2 :颗粒与强度相关属性确定方法为根据配筋率加权确定；配筋 率确定如下：受压构件：全部纵向钢筋〇. 6% ;-侧纵向钢筋0. 2%，受弯构件、偏心受拉、轴 心受拉构件一侧的受拉钢筋〇. 2% ;假设3 :颗粒与变形相关属性中，受拉和受剪属性使用 钢筋的相关属性；受压属性使用混凝土的相关属性。
[0031] 模拟步骤为：1)建立建筑的几何结构；2)设置常温下建筑结构的力学性质和热力 学性质；3)计算结构应力平衡，并将颗粒位移，速度和角速度清零，形成应力平衡的初始建 筑结构；4)在指定建筑位置设置火灾区域，使该区域内构件均达到指定温度；5)使用热力 计算和力学计算交替形式进行塌落过程模拟。
【附图说明】
[0032] 图1为超高层建筑立面图
【具体实施方式】
[0033] (1)拟建超高层建筑位于沈阳市内繁华地段。主体为一栋80层，高约为480m左右 的超高层建筑，标准层高6m，非标准层高8m (独立避难层）。工程重要性等级为一级，场地 复杂程度为二级，地基复杂程度为二级。工程场地地形平坦，地面高差在44. 74~45. 57m 之间。场地所处地貌单元为冲积平原，该区属浑河高漫滩。根据岩土勘察报告，场区顶部 为近几年回填的杂填土，其下为第四系全新统冲积物（Q42al):粉质粘土、粉土、中粗砂、砾 砂、圆砾等，下伏基岩为第三系泥砾岩及前震旦系花岗片麻岩。由于主要研究建筑物上部结 构，这里对地质条件不做详细介绍。
[0034] 建筑物基本结构为核心筒-框架结构。核心筒为12 X 24m长方形钢筋混凝土筒体， 核心筒底部翼墙厚2m，随高度增加核心筒墙厚略有减小，且贯穿整个建筑物。依托核心筒， 框架向外每侧伸展12m，承重柱和梁截面为2X2m。外轮廓尺寸分别为1-50层，48X36m; 50-70层，24X36m;70-80层，24X12m。主体结构材料如表1所示。
[0035] 表1主体结构材料
[0036] Tablel The main structure materials
[0037]
[0038] 本发明王妥目的是对该建m坟计;5的杌X灭?生酡做出评价分机，以使在坟计阶段 保证其建成后的抗火灾性能，并了解其地震坍塌特征。
[0039] (2)根据上述对该超高层建筑几何尺寸的说明，构建的超高层建筑立面图如图1 所示。这里规定X方向为正方向（正视），沿建筑物高度为Z方向。
[0040] 为说明基于PFC3D的该超高层建筑构造，设基本单元颗粒半径R = lm，则工程说明 中的建筑各部分几何尺寸即可与图1。
[0041] 核心筒在某种意义上是存在于建筑物中的增强体，其为建筑物整体提供了较大的 强度和刚度，可以说是建筑物的支柱。为了体现其作用，增强空间刚度，将核心筒构造成净 空和梁厚均为2m的单元。这样设置的原因在于可体现空间刚度的增强，另一方面也在一定 程度上减少了颗粒数量便于计算机模拟。与此同时将标准层设置为净空4m，梁厚2m的单 元，在满足实际尺寸的同时也表示了标准层刚度相对较弱的特点。
[0042] 另一方面在水平方向为表示核心筒的特征，将核心筒周围也相应的设置了圈梁和 外伸梁。圈梁一方面可以约束核心筒变形，另一方面也可以和柱一起组成标准层的框架结 构。外伸梁是连接核心筒和外围框架结构的重要构件，根据实际结构特征将其设置为双排 梁结构。
[0043] 根据对火灾中混凝土模拟后所得特征，指出通过先确定关键参数的初始值，然后 根据已有的对这些参数随温度变化特征的研究，确定各个温度下各参数的值，从而对PFC3D 中颗粒进行准确且及时的修正，从而保证火灾模拟效果。
[0044] 混凝土的力学相关参数初始值如表1所示。混凝土热力参数有：传热系数：4· 2,比 热容：880,线性热膨胀率：5. 4X 10 6。提出如下各参数随温度变化的规律。
[0045] 弹性模量的变化规律，采用分段函数，进行线形拟合后给出的模型如式（1)所示。
[0046]
[0069] 式中：f#Pfu分别为常温时钢筋的屈服强度和极限强度，/f和乂f分别为温度T作 用下钢筋的屈服强度和极限强度，ε ￥和 < 分别为常温时及温度T作用下钢筋的屈服应变， ε。和 < 分别为常温时及温度T作用下钢筋的极限应变，4为温度T作用下钢筋的自由膨 胀应变。
[0070] 这里研究火灾温度变化范围为500~1600°C，由于上述某些温变公式使用范围无 法达到1