CN106096114A - 一种钢结构火灾反应分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构火灾反应分析方法，属于工程结构抗火灾分析技术领域。包括：a、确定火场相似关系，火场相似关系至少包括几何相似比；b、根据火场相似关系，确定钢结构的结构相似关系，结构相似关系至少包括表面力相似比、体积力相似比、集中载荷相似比以及结构温度相似比；c、根据火场相似关系，确定钢结构的传热相似关系；d、根据火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系建立缩尺模型；e、对缩尺模型进行火灾试验；f、根据缩尺模型的火灾试验结果、火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系分析得出钢结构的火灾反应情况。该分析方法能够更加真实、准确地反映钢结构火灾反应情况，操作简单，避免足尺试验的限制。

Description

一种钢结构火灾反应分析方法

技术领域

本发明涉及工程结构抗火灾分析技术领域，特别涉及一种钢结构火灾反应分析方法。

背景技术

随着钢结构在建筑中的应用越来越广泛，对钢结构火灾反应进行分析，从而进行合理的钢结构抗火设计显得尤为重要。

传统的钢结构火灾行为分析方法主要有：根据流体力学理论以及有限元数值方法进行数值模拟、建筑结构足尺火灾试验、采用考虑整体结构影响的约束构件的抗火试验方法等。但是数值模拟方法得出的模拟结果的正确性需要验证，建筑结构足尺火灾试验费用昂贵、实验室条件以及试验设备受到限制，由于约束边界条件的复杂性以及结构破坏机制的整体性使得约束构件的试验研究难以反映整体结构的倒塌机制，并且试验时难以考虑真实火灾的影响。

缩尺模型试验是近年来工程结构试验研究中的常用方法。缩尺模型试验的主要过程包括：根据相似关系建立缩尺模型，对缩尺模型进行火灾试验，再根据相似关系以及缩尺模型的火灾试验结果对原型的火灾行为进行分析。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有的利用缩尺模型试验对钢结构进行火灾行为分析时，主要是根据火场相似理论建立几何尺寸、火源功率、壁面传热特性、初始温湿度及初始气压等火场相似关系。但是仅仅根据火场相似关系建立的缩尺模型并不能真实的反应原型的实际情况，导致对钢结构火灾反应的分析结果不过准确。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明实施例提供一种能够真实、准确反映钢结构火灾反应的钢结构火灾反应分析方法。

具体而言，包括以下的技术方案：

本发明实施例提供了一种钢结构火灾反应分析方法，所述分析方法包括：

a、确定火场相似关系，所述火场相似关系至少包括几何相似比；

b、根据所述火场相似关系，确定所述钢结构的结构相似关系，所述结构相似关系至少包括表面力相似比、体积力相似比、集中载荷相似比以及结构温度相似比；

c、根据所述火场相似关系，确定所述钢结构的传热相似关系；当所述钢结构没有设置防火保护时，所述传热相似关系至少包括对流换热系数相似比以及综合辐射系数相似比；当所述钢结构设置防火保护时，所述传热相似关系至少包括防火层厚度相似比；

d、根据所述火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系建立缩尺模型；

e、对所述缩尺模型进行火灾试验；

f、根据所述缩尺模型的火灾试验结果、所述火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系分析得出所述钢结构的火灾反应情况。

进一步地，步骤b具体包括：

确定不存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比以及体积力相似比；

确定只存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比以及体积力相似比；

利用叠加原理，并根据不存在温度作用时和只存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比以及体积力相似比，得到所述钢结构的结构温度相似比。

具体地，根据以下公式确定所述不存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比以及体积力相似比：

λ_q＝1，

${\mathrm{\λ}}_G=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_L};$

其中，λ_q代表不存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比，λ_G代表不存在温度作用时所述钢结构的体积力相似比，λ_L代表所述几何相似比。

具体地，根据以下公式确定所述只存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比以及体积力相似比：

${\mathrm{\λ}}_q^T=1,$

${\mathrm{\λ}}_G^T=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_L};$

其中，代表只存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比，代表只存在温度作用时所述钢结构的体积力相似比，λ_L代表所述几何相似比。

具体地，步骤c中，根据以下公式确定所述对流换热系数相似比以及综合辐射系数相似比：

${\mathrm{\λ}}_{h_c}={\mathrm{\λ}}_L^{0.5},$

${\mathrm{\λ}}_{h_c}={\mathrm{\λ}}_L^{0.5};$

其中，代表所述对流换热系数相似比，代表所述综合辐射系数相似比，λ_L代表所述几何相似比。

具体地，步骤c中，当所述缩尺模型的防火层与所述钢结构的原型的防火层采用相同的防火材料时，根据以下公式确定所述防火层厚度相似比：

${\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\δ}}_i}={\mathrm{\λ}}_L^{0.25};$

其中，代表所述防火层厚度相似比，λ_L代表所述几何相似比。

具体地，步骤c中，当所述缩尺模型的防火层与所述钢结构的原型的防火层采用不相同的防火材料时，根据以下公式确定所述防火层厚度相似比：

${\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\δ}}_i}={\mathrm{\λ}}_L^{-0.5};$

其中，代表所述防火层厚度相似比，λ_L代表所述几何相似比。

具体地，步骤a中，所述几何相似比大于或者等于1/8。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

本发明实施例提供的钢结构火灾反应分析方法中，根据火场相似关系，确定钢结构的结构相似关系及传热相似关系，并根据火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系建立缩尺模型，对缩尺模型进行火灾试验后，最终再根据缩尺模型的火灾试验结果以及火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系分析得出钢结构原型的火灾反应情况。由于缩尺模型是根据火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系建立的，因此，与现有的仅根据火场相似关系建立的缩尺模型相比，本发明实施例提供的分析方法中建立的缩尺模型更贴近原型，因此本发明实施例提供的分析方法能够更真实、更准确地反映钢结构火灾反应情况，并且操作简单，避免足尺试验的限制，有利于更准确地研究常规岛钢结构厂房抗火设计方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为钢结构框架的变形情况；

图2为原型和缩尺模型在火灾过程中跨中位移随时间的变化关系；

图3为原型和缩尺模型在火灾过程中结构温度随时间的变化关系。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。

本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例中所涉及的各个相似比均指缩尺模型与原型的比例，即缩尺模型/原型的值。

实施例一

本实施例提供一种钢结构火灾反应分析方法，该分析方法包括：

步骤101，确定火场相似关系，火场相似关系至少包括几何相似比。

步骤102，根据火场相似关系，确定钢结构的结构相似关系，结构相似关系至少包括表面力相似比、体积力相似比、集中载荷相似比以及结构温度相似比。

步骤103，根据火场相似关系，确定钢结构的传热相似关系。当钢结构没有设置防火保护时，传热相似关系至少包括对流换热系数相似比以及综合辐射系数相似比。当钢结构设置防火保护时，传热相似关系至少包括防火层厚度相似比。

步骤104，根据火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系建立缩尺模型。

步骤105，对缩尺模型进行火灾试验。

步骤106，根据缩尺模型的火灾试验结果、火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系分析得出钢结构的火灾反应情况。

本实施例提供的钢结构火灾反应分析方法中，缩尺模型是根据火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系建立的，与现有的仅根据火场相似关系建立的缩尺模型相比，本实施例提供的分析方法中建立的缩尺模型更贴近原型，因此本实施例提供的分析方法能够更真实、更准确地反映钢结构火灾反应情况，并且操作简单，避免足尺试验的限制，有利于更准确地研究常规岛钢结构厂房抗火设计方法。

实施例二

缩尺模型试验既克服了数值模拟方法准确性的问题，又解决了足尺试验费用昂贵、实验条件以及试验设备受限的问题，是进行钢结构火灾反应分析的有效方法。缩尺模型的建立是利用缩尺模型试验进行钢结构火灾反应分析的重要部分。在建立缩尺模型过程中，确定缩尺模型与原型之间的相似关系尤其重要，基于此，本实施例提供了一种能够准确建立缩尺模型，从而真实、准确反映钢结构火灾反应的钢结构火灾反应分析方法。具体来说，该分析方法包括以下步骤：

步骤201，确定火场相似关系。

确定火场相似关系是后续确定结构相似关系的基础。火场相似关系主要包括几何相似比，即缩尺模型与原型之间几何尺寸的比例。本发明实施例提供的分析方法中，几何相似比可以根据实际情况进行设定。但是，几何相似比过小的话，可能会导致误差增大，因此，本发明实施例中，几何相似比优选1/8及以上，例如1/6、1/5、1/4、1/3、1/2等。本领域技术人员可以理解的是，缩尺模型的几何相似比小于1。

除了上述几何相似比外，火场相似关系还可以包括烟气流动速度、火场发展的时间、烟气温度、火源功率、边界热交换等参量，上述参量的相似比按照本领域常规的确定方法确定即可,可选地,可以根据以下公式(1)～(5)确定：

${\mathrm{\λ}}_V={\mathrm{\λ}}_L^{1/2}---\left(1\right)$

${\mathrm{\λ}}_t={\mathrm{\λ}}_L^{1/2}---\left(2\right)$

λ_T＝1 (3)

${\mathrm{\λ}}_Q={\mathrm{\λ}}_L^{2/5}---\left(4\right)$

${\mathrm{\λ}}_W={\mathrm{\λ}}_L^{0.9}---\left(5\right)$

上述公式中，λ_V代表烟气流动速度相似比，λ_t代表火场发展的时间相似比，λ_T代表烟气温度相似比，λ_Q代表火源功率相似比，λ_W代表边界热交换相似比，λ_L代表几何相似比。

步骤202，根据火场相似关系，确定钢结构的结构相似关系。

结构相似关系主要包括：表面力相似比、体积力相似比、集中载荷相似比以及结构温度相似比等。由于钢结构的火灾反应是一个非常复杂的过程，影响钢结构火灾反应的因素较多，直接确定结构相似关系有一定的困难，因此，本实施例采用先确定不存在温度作用时钢结构的结构相似关系和只存在温度作用时钢结构的结构相似关系，再将不存在温度作用时钢结构的结构相似关系和只存在温度作用时钢结构的结构相似关系进行叠加的方法，得到最终的结构相似关系，具体步骤如下，为了方便推导，假设钢结构为弹性阶段。

步骤2021，确定不存在温度作用时钢结构的结构相似关系。

该步骤中，钢结构的结构相似关系主要包括表面力相似比以及体积力相似比。

根据弹性力学理论，结构荷载与结构响应的关系应满足以下方程：

平衡方程：G_i+σ_ji，j＝0 (6)

几何方程：

本构方程：

应力边界条件：q_i＝σ_jin_j (9)

上述公式中，G_i代表体积力；σ_ji，j、σ_kk代表应力分量；ε_ij代表应变分量；u_i,j、u_j,i代表位移分量；λ代表拉梅常数；δ_ij代表增量分量；μ泊松比；q_i代表表面力；n_j代表边界表面法线方向余弦。

根据量纲分析方法，已知几何相似比为λ_L(与火场模型的几何相似比相等)，并控制应力相似比λ_σ＝1，应变相似比λ_ε＝1则可以得到以下相似关系：

λ_q＝λ_σ＝1 (10)

${\mathrm{\λ}}_G=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_L}---\left(11\right)$

${\mathrm{\λ}}_P={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\λ}}_A={\mathrm{\λ}}_L^2---\left(12\right)$

上式中，λ_q代表不存在温度作用时钢结构的表面力相似比，λ_G代表不存在温度作用时钢结构的体积力相似比，λ_L代表几何相似比，λ_P代表不存在温度作用时钢结构的集中载荷相似比。

根据上述公式(10)～(11)中所示的λ_q＝1、即可确定不存在温度作用时钢结构的表面力相似比和体积力相似比，同时根据公式(12)中所示的还可以确定不存在温度作用时钢结构的集中载荷相似比。

步骤2022，只存在温度作用时钢结构的结构相似关系。

该步骤中，钢结构的结构相似关系主要包括表面力相似比以及体积力相似比。

根据热弹性力学理论，热应力的解除应满足方程(9)、(10)，还需要满足与温度相关的平衡方程和应力边界条件方程：

温度相关的平衡方程：βΔT_s,i+σ_ji，j＝0 (13)

温度相关的应力边界条件：βΔT_sn_i＝σ_jin_j (14)

式中，α为热膨胀系数，l,m,n为边界表面法线方向余弦。根据杜哈梅尔相似定理：热应力问题可以用等温弹性体问题的方法来求解，即先不去直接考虑热应力问题，而是去求解假想体积力为及假想面积力为(βΔT_sl,βΔT_sm,βΔT_sn)作用下的等温弹性问题的应力σ'_x，σ'_y，σ'_z，τ'_xy，τ'_zy，τ'_xz，然后把求得的等温弹性问题的正应力分量σ'_x，σ'_y，σ'_z叠加上该点的流体静压-βΔT_s，从而得到构件由于不均匀受热所引起的热应力。即：

σ_x＝σ'_x-βΔT_s，σ_y＝σ'_y-βΔT_s，σ_z＝σ'_z-βΔT_s

τ_xy＝τ'_xy，τ_zy＝τ'_zy，τ_xz＝τ'_xz (15)

控制则在只存在温度作用时，体积力及表面力(βΔT_sl,βΔT_sm,βΔT_sn)的相似比为：

${\mathrm{\λ}}_G^T={\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\ΔT}}_s}/{\mathrm{\λ}}_L=1/{\mathrm{\λ}}_L,---\left(16\right)$

${\mathrm{\λ}}_q^T={\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\ΔT}}_S}=1---\left(17\right)$

根据上述公式(16)～(17)中所示的即可确定只存在温度作用时钢结构的结构相似关系。

从上述公式可以看出，只存在温度作用时的体积力和表面力的相似比与不存在温度作用时相同，则λ_σ'＝1，又由式(15)得：λ_σ＝1。

步骤2023，将不存在温度作用时钢结构的结构相似关系和只存在温度作用时钢结构的结构相似关系进行叠加，得到最终的结构相似关系。

根据上述步骤2021和2022所得结果，根据叠加原理可知当控制结构温度相似比为1时，结构的火灾反应相似关系与承受静载时一致。

需要说明的是，在后续建立缩尺模型时，钢结构的表面力相似比、体积力相似比以及集中载荷相似比按照λ_q＝1、确定。

步骤203，根据火场相似关系，确定钢结构的传热相似关系。

对于钢结构的传热相似关系来说，需要分为设置防火保护和没有设置防火保护两种情况来分析。

(1)当钢结构没有设置防火保护时，传热相似关系至少包括对流换热系数相似比以及综合辐射系数相似比。

由于对流传热能力跟温度相关，辐射传热能力跟温度四次方相关，因此很难综合考虑论证相似关系。因此，本实施例中先分别对只存在其中一种传热方式时的情况进行分析，再进行综合分析。

对于对流传热：假设在时刻t_s，构件温度为T_s，周围空气温度为T_g，根据集总参数法，热量的局部守恒方程为：

${\mathrm{\ρ}}_s{c}_s{\∫}_V\frac{{\mathrm{dT}}_S}{dt}dV=-{\∫}_S{h}_{c}S\[T_s-T_g\]dS---\left(18\right)$

在瞬时其微分形式为：

${\mathrm{\ρ}}_s{c}_{s}V\frac{{\mathrm{dT}}_S}{dt}=-h_{c}S\[T_S-T_g\]=-hS\mathrm{\Δ}T---\left(19\right)$

式中，ρ_s为钢材密度，c_s为钢材比热容，S为受火面积，V为受火体积，h_c为对流换热系数，ΔT＝T_S-T_g。

无量纲化得对流换热系数相似关系：

${\mathrm{\λ}}_{h_c}=\frac{{\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\λ}}_{T_s}}{{\mathrm{\λ}}_{t_s}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\Δ}T}}={\mathrm{\λ}}_L^{0.5}---\left(20\right)$

根据公式(20)所示的即可得到对流换热相似比。

对于辐射传热：辐射热流密度为：

q＝ε_sc₀[(T_g+273)⁴-(T_s+273)⁴] (21)

式中，c₀为斯蒂芬-玻尔兹曼系数，ε_s为综合辐射系数。

根据集总参数法可得：

$qA=\mathrm{\ρ}cV\frac{{\mathrm{dT}}_s}{dt}---\left(22\right)$

令(T_g+273)⁴-(T_s+273)⁴＝Δ⁴T，无量纲化得综合辐射系数相似关系：

${\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\ϵ}}_s}=\frac{{\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\λ}}_{T_s}}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\Δ}}^{4}T}{\mathrm{\λ}}_t}={\mathrm{\λ}}_L^{0.5}---\left(23\right)$

根据公式(23)所示的即可得到综合辐射系数相似比。

综合分析，得出综合传热相似关系为

(2)当钢结构设置防火保护时，传热相似关系至少包括防火层厚度相似比。

当钢结构设置有防火保护时，对于防火层厚度相似比的分析可以分为缩尺模型与原型采用同一种防火材料以及缩尺模型与原型采用不同防火材料两种情况。

空气通过热辐射和热对流向防火保护层传递热量，再由防火保护层向钢结构构件传递热量，相当于空气通过辐射和对流传热热阻、防火保护层传热热阻串联得到的总热阻向钢结构构件传递热量。串联总热阻为：其中h_c为热对流传热系数，h_r为热辐射传热系数，δ_i为防火保护层的厚度，k_i为防火保护层材料的导热系数。通常情况下，远大于串联总热阻可简化为：

$R_i=\frac{k_i}{{\mathrm{\δ}}_i}---\left(24\right)$

单位时间空气向保护层和构件传递的热量为：

q＝R_iF_i(T_g-T_s) (25)

其中F_i为单位长度构件保护层表面积。

根据热平衡原理，建立热平衡方程：

$q=m_s{c}_s\frac{{\mathrm{dT}}_s}{dt}+m_i{c}_i\frac{{\mathrm{dT}}_i}{dt}---\left(26\right)$

其中m_s为单位长度钢构件的质量，m_i为单位长度保护层的质量，c_i为保护层的比热容，T_i为保护层平均温度。

由式(24)、(25)、(26)得：

$\frac{k_i}{{\mathrm{\δ}}_i}{F}_i(T_g-T_s)=m_s{c}_s\frac{{\mathrm{dT}}_s}{dt}+m_i{c}_i\frac{{\mathrm{dT}}_i}{dt}---\left(27\right)$

无量纲化得：

${\mathrm{\λ}}_{k_i}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{m_s}{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\δ}}_i}}{{\mathrm{\λ}}_L^{2.5}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\ρ}}_i}{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\δ}}_i}^2}{{\mathrm{\λ}}_L^{0.5}}---\left(28\right)$

如果缩尺模型与原型采用同一种防火保护材料，可得以下相似关系：

${\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\δ}}_i}={\mathrm{\λ}}_L^{0.25},{\mathrm{\λ}}_{m_s}={\mathrm{\λ}}_L^{2.25}---\left(29\right)$

其中，代表防火层厚度相似比，代表质量相似比，λ_L代表几何相似比。

如果模型与原型不采用同一种防火保护材料，钢构件质量相似性从几何相似角度考虑，可得以下相似关系：

${\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\δ}}_i}={\mathrm{\λ}}_L^{0.25}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_{k_i}}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\ρ}}_i}}\right)}^{0.5},{\mathrm{\λ}}_{k_i}{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\ρ}}_i}={\mathrm{\λ}}_L^{1.5}---\left(30\right)$

如果忽略防火保护层的热容量，则式(27)将变为：

$\frac{k_i}{{\mathrm{\δ}}_i}{F}_i(T_g-T_s)=m_s{c}_s\frac{{\mathrm{dT}}_s}{dt}---\left(31\right)$

无量纲化得相似关系：

${\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\δ}}_i}={\mathrm{\λ}}_L^{-0.5}---\left(32\right)$

其中，代表防火层厚度相似比，λ_L代表几何相似比。

根据上述公式(29)即可得到缩尺模型与原型采用同一种防火材料时的防火层厚度相似比，根据上述公式(32)即可得到缩尺模型与原型采用不同防火材料时的防火层厚度相似比。

步骤204，根据上述步骤201、202以及203中确定的火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系建立缩尺模型。

步骤205，对缩尺模型进行火灾试验。

可以采用本领域常规的火灾试验方法对缩尺模型进行试验，并记录相关的试验数据，例如跨中位移数据、结构温度变化数据等。

步骤206，根据缩尺模型的火灾试验结果、火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系分析得出钢结构的火灾反应情况。

在得出缩尺模型的火灾试验结果后，利用步骤201、202以及203中确定的各个相似关系，来分析钢结构原型的火灾反应情况。例如，当缩尺模型的火灾试验结果中，中柱破坏温度为720℃，时间为11min，而烟气温度相似比为1，火场发展的时间相似比为0.71，则推广到原型可得，原型结构中柱破坏温度为720℃，时间为15.5min。

下面利用数值分析的方法对采用本实施例提供的分析方法建立的缩尺模型的火灾反应情况与原型的火灾反应情况进行对比，以验证本实施例提供的分析方法的准确性。

采用ISO841火灾标准升温曲线分析钢结构的相似关系，通过有限元分析软件ABAQUS建立原型、1/4缩尺钢框架结构验证结构火灾反应相似理论。

原型钢框架相关参数：

框架尺寸：5.2×5.2×5.2(m)；

梁截面：H200×200×16×16(mm)；

柱截面：H200×200×16(mm)；

钢结构表面无防火保护。

空气升温曲线：梁上翼缘面荷载：120(kN/m²)。

缩尺模型的火场相似关系根据上述公式(1)～(5)确定，缩尺模型的结构相似关系根据上述λ_q＝1、等公式以及结构温度相似比为1确定，缩尺模型的传热相似关系根据上述公式确定。

ABAQUS的模拟结果如图1～图3所示。

其中，图1示出了钢结构框架的变形情况，从图1可以看出，钢梁最先发生失效。

图2示出了原型和缩尺模型在火灾过程中跨中位移随时间的变化关系。从图2可以看出，采用本实施例提供的分析方法建立的缩尺模型的跨中位移随时间的变化关系与原型之间的模拟误差不超过1％。

图3示出了原型和缩尺模型在火灾过程中结构温度随时间的变化关系。从图3可以看出，采用本实施例提供的分析方法建立的缩尺模型的温度随时间的变化关系与原型之间的模拟误差不超过1％。

通过上述模拟结果可以看出，采用本实施例提供的分析方法建立的缩尺模型与原型的相似度很高，缩尺模型的试验结果与原型的试验结果基本一致。

综上，本发明实施例基于火场相似理论研究成果，以结构火灾反应相似理论与方法为研究目标，提供了一种利用缩尺模型试验来对钢结构火灾反应进行分析的方法。采用本发明实施例提供的分析方法建立的缩尺模型更贴近原型，能够更真实、更准确地反映钢结构火灾反应情况，并且操作简单，避免足尺试验的限制，有利于更准确地研究常规岛钢结构厂房抗火设计方法。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钢结构火灾反应分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：

a、确定火场相似关系，所述火场相似关系至少包括几何相似比；

b、根据所述火场相似关系，确定所述钢结构的结构相似关系，所述结构相似关系至少包括表面力相似比、体积力相似比、集中载荷相似比以及结构温度相似比；

c、根据所述火场相似关系，确定所述钢结构的传热相似关系；当所述钢结构没有设置防火保护时，所述传热相似关系至少包括对流换热系数相似比以及综合辐射系数相似比；当所述钢结构设置防火保护时，所述传热相似关系至少包括防火层厚度相似比；

d、根据所述火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系建立缩尺模型；

e、对所述缩尺模型进行火灾试验；

f、根据所述缩尺模型的火灾试验结果、所述火场相似关系、结构相似关系以及传热相似关系分析得出所述钢结构的火灾反应情况。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤b具体包括：

确定不存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比以及体积力相似比；

确定只存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比以及体积力相似比；

利用叠加原理，并根据不存在温度作用时和只存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比以及体积力相似比，得到所述钢结构的结构温度相似比。

3.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，根据以下公式确定所述不存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比以及体积力相似比：

λ_q＝1，

${\mathrm{\λ}}_G=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_L};$

其中，λ_q代表不存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比，λ_G代表不存在温度作用时所述钢结构的体积力相似比，λ_L代表所述几何相似比。

4.根据权利要求3所述的的分析方法，其特征在于，根据以下公式确定所述只存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比以及体积力相似比：

${\mathrm{\λ}}_q^T=1,$

${\mathrm{\λ}}_G^T=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_L};$

其中，代表只存在温度作用时所述钢结构的表面力相似比，代表只存在温度作用时所述钢结构的体积力相似比，λ_L代表所述几何相似比。

5.根据权利要求1所述的的分析方法，其特征在于，步骤c中，根据以下公式确定所述对流换热系数相似比以及综合辐射系数相似比：

${\mathrm{\λ}}_{h_c}={\mathrm{\λ}}_L^{0.5},$

${\mathrm{\λ}}_{h_c}={\mathrm{\λ}}_L^{0.5};$

其中，代表所述对流换热系数相似比，代表所述综合辐射系数相似比，λ_L代表所述几何相似比。

6.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤c中，当所述缩尺模型的防火层与所述钢结构的原型的防火层采用相同的防火材料时，根据以下公式确定所述防火层厚度相似比：

${\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\δ}}_i}={\mathrm{\λ}}_L^{0.25};$

其中，代表所述防火层厚度相似比，λ_L代表所述几何相似比。

7.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤c中，当所述缩尺模型的防火层与所述钢结构的原型的防火层采用不相同的防火材料时，根据以下公式确定所述防火层厚度相似比：

${\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\δ}}_i}={\mathrm{\λ}}_L^{-0.5};$

其中，代表所述防火层厚度相似比，λ_L代表所述几何相似比。

8.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤a中，所述几何相似比大于或者等于1/8。