CN106780163B - 一种火灾中钢结构坍塌概率评估方法 - Google Patents

一种火灾中钢结构坍塌概率评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种火灾中钢结构坍塌概率评估方法，包括步骤：一、确定随机性因素的概率分布函数；二、设计随机性火灾场景；三、构建钢结构失稳概率模型；四、钢结构坍塌临界温度确定；五、自然火灾下大跨度钢结构构件温度场计算：501.建立钢结构热平衡方程；502.钢结构净吸收热计算；503.钢结构温升计算；六、钢结构构件失效概率确定。本发明的方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，具有较强的通用性，可实现对火灾下钢结构坍塌概率的评估，弥补了对现有钢结构坍塌概率评估方法中存在的未考虑火灾随机性的影响问题。

Description

一种火灾中钢结构坍塌概率评估方法
技术领域
本发明属于钢结构坍塌风险评估技术领域，尤其是涉及一种基于拉丁超立方抽样的钢结构坍塌概率评估方法。
背景技术
大跨度钢结构具有优良的力学性能，便捷的施工工艺，是建造高大空间建筑的理想选择。但此类建筑耐火性较差，一旦发生火灾将造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，科学地进行高大空间钢结构建筑坍塌风险评估对火灾中消防救援与应急指挥至关重要。然而，目前已有的坍塌风险评估方法多采用确定的火灾场景进行结构的坍塌概率分析，忽略了真实火灾中随机性因素的不确定性对结构坍塌概率的影响。因此，现如今缺少一种步骤简单、设计合理、实现方便、使用效果显著且用于评估随机性火灾中钢结构坍塌概率的方法，其能根据高大空间自然火灾的实际情况，提出高大空间自燃火灾的受火钢结构坍塌概率模型，通过相关计算最终对钢结构构件失效概率进行评估。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术上的不足，提供一种基于拉丁超立方抽样法的钢结构坍塌概率评估方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能弥补现有钢结构坍塌概率评估方法中的不足。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种火灾中钢结构坍塌概率评估方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、确定随机性因素的概率分布函数：根据高大空间建筑火灾的随机性所遵循的统计规律，通过现场调研或查询资料的方法，确定建筑物内火灾随机性因素及其分布函数，进而构建随机性因素的概率分布函数；
步骤二、设计随机性火灾场景：采用拉丁超立方方法对随机性因素进行拉丁超立方抽样，并用概率密度函数描述随机性因素的不确定性，从而确定建筑火灾可能出现的所有随机性火灾场景组，对输出结果进行统计分析后给出输出结果的统计特征，从而定量地描述确定的火灾场景组分布情况；
步骤三、构建钢结构失稳概率模型：在已知火灾下大跨度钢结构失效概率情况下，构建其失稳概率模型
Figure BDA0001186997110000011
表述为：
Figure BDA0001186997110000012
其中，i＝1,2,3....,n表示进行的n次抽样；当
Figure BDA0001186997110000021
反之，
Figure BDA0001186997110000022
其中，
Figure BDA0001186997110000023
表示钢结构稳定性极限函数模型，N为抽样模拟总数，
Figure BDA0001186997110000024
是抽样样本；
步骤四、钢结构坍塌临界温度确定：根据步骤三中所涉及的钢结构稳定性极限函数G(X)对钢结构稳定性进行判断；公式G(X)表达式为：
Figure BDA0001186997110000025
其中，Tm是钢结构某点最高温度且单位为℃，Td是钢结构构件失去稳定性的临界温度且单位为℃，μ0是钢结构利用率；
步骤五、自然火灾下大跨度钢结构构件温度场计算，过程如下：
步骤501、建立钢结构热平衡方程：为方便研究钢结构与热量之间的传递过程，将钢结构视为黑体结构，从而建立钢结构热平衡方程：
Figure BDA0001186997110000026
用于计算钢结构的净热通量；其中，Vs是钢构件的体积且单位为m3，ρs是钢构件的密度且单位为kg·m-3，Cs是钢构件的比热且单位为J/(kg·℃)，Ts是钢构件的温度且单位为℃；
步骤502、钢结构净吸收热计算：由于钢结构与热量之间的传递只要分为烟热对流、烟热辐射和火焰热辐射三个过程，即钢结构净吸收热表示为：
Qs＝(Qgr+Qfr+Qsc)εs (12)
其中，εs为净吸收热校正因子，Qgr为烟气辐射热且单位为kW，Qfr为火焰辐射热且单位为kW，Qsc为烟气对流热且单位为kW；
步骤503、钢结构温升计算：结合上述结论，得出钢结构温升计算公式：
Figure BDA0001186997110000027
其中，ΔT为钢结构构件的温度增量且单位为℃，Δt是火灾发生后的时间增量且单位为s，σ0是斯特凡波兹曼常数5.67×10-8W/m2·K4，εg是烟气有效辐射率，Tg是烟气温度且单位为℃，Fs是每米钢结构的表面积且单位为m2，γ是形状因子，αg是烟气吸收率，Q是火源热释放速率且单位为kW，D是火源表面的当量直径且单位为m，R是相距起火点的距离且单位为m；
通过公式计算得出钢结构在受火灾情况下温度变化趋势；
步骤六、钢结构构件失效概率确定：将建筑实际参数，代入式(18)中计算钢结构温升情况，继而判断钢结构稳定性。
步骤三中大跨度钢结构失稳概率表示为：
Pf＝P{G(X)≤0}＝∫G(T)≤0f(X)dT (4)；
其中，X＝{x1,x2,x3......xn}T是具有n维火灾随机变量的向量，f(X)是火灾随机变量的联合概率密度函数，G(X)是钢结构稳定性极限函数，当G(X)≤0时，钢结构发生失稳，反之结构保持其稳定性。
在钢结构承载力范围内，钢结构某点的临界温度不小于该点的最高温度。
步骤四中所涉及到的μ0＝Efi,d/Rfi,d,0，其中Efi,d是建筑初期设计对消防设计的影响情况，Rfi,d,0是在t＝0时刻钢结构构件的抗火能力。
步骤502中，Qgr＝σ0Fsεg[(Tg+273)4-(Ts+273)4]。
步骤502中，
Figure BDA0001186997110000031
αg＝0.458-1.29×10-4Tg。
采用以下公式对钢结构构件最高温度进行预测：
Tg max＝(Qmax/50+80)-(4Qmax/10000+3)H+(52Qmax/1000+598)×102/A
其中，Qmax表示最大的火源热释放速率，
Figure BDA0001186997110000032
表示对火场中钢结构构件最高温度进行的预测温度；A是建筑面积且单位为m2，H为相距天花板高度且单位为m。
本发明基于火灾随机性与确定性的双重耦合过程，探索了符合高大空间建筑自然火灾的场景构建方法。根据建筑物的不同火灾随机性因素(火灾荷载、热释放速率、火灾增长时间等)的分布规率，利用拉丁超立方抽样法产生火灾随机场景组的抽样样本，以此分析了火灾发展过程中火灾随机性因素和确定性因素的双重耦合作用过程。在遵循火灾随机性与确定性规律的基础上，建立了自然火灾下钢结构保持稳定性的极限函数以及高大空间受火钢结构温升模型，提出了基于钢结构极限温度函数的高大空间钢结构可靠度分析方法，该方法较传统方法更能体现出火灾发展过程中的不确定性，更符合高大空间火灾的客观物理过程。且预测结果更加精准地描述出钢结构坍塌概率的分布以及各随机性因素的敏感性。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、方法步骤简单、设计合理且实现方便。
2、采用基于拉丁超立方抽样法确定钢结构坍塌概率，弥补了对现有高大空间受火灾时钢结构坍塌概率评估方法的不足。
3、本发明旨在进行钢结构坍塌概率评估，具体采用拉丁超立方抽样法替代蒙特卡罗法，主要解决的是蒙特卡罗法存在的计算步骤多、计算时间长、避免了重复抽样等问题，设计合理，实现方便。
4、采用拉丁超立方抽样方法对随机性因素进行拉丁超立方抽样，用概率密度函数描述随机性因素的不确定性，从而确定建筑自然火灾可能出现的所有随机火灾场景组，此发明充分考虑了高大空间火灾发生的随机性，使评估更贴近真实的应用环境，保证计算结果符合实际。
综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，弥补了对现有钢结构坍塌概率评估方法中存在的未考虑火灾随机性的影响问题。
附图说明
图1是本发明的评估方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种火灾中钢结构坍塌概率评估方法，包括以下步骤：
步骤一、确定随机性因素的概率分布函数：根据高大空间建筑火灾的随机性所遵循的统计规律，通过现场调研或查询资料的方法，对建筑物内火灾随机性因素及其分布函数进行确定，进而构建随机性因素的概率分布函数。
步骤二、设计随机性火灾场景：采用拉丁超立方方法对随机性因素进行拉丁超立方抽样，并用概率密度函数描述随机性因素的不确定性，从而确定建筑火灾可能出现的所有随机性火灾场景组，对模型输出结果进行统计分析后给出输出结果的统计特征，从而定量地描述确定的火灾场景组分布情况。
步骤三、构建钢结构失稳概率模型：在已知火灾下大跨度钢结构失效概率情况下，构建其失稳概率模型
Figure BDA0001186997110000041
可表述为
Figure BDA0001186997110000042
其中，当
Figure BDA0001186997110000043
反之，
Figure BDA0001186997110000044
N为抽样模拟总数，
Figure BDA0001186997110000045
是抽样样本。
步骤四、钢结构坍塌临界温度确定：根据步骤三中所涉及的钢结构稳定性极限函数G(X)对钢结构稳定性进行判断。公式G(X)表达式为
Figure BDA0001186997110000051
(10)；其中，Tm是钢结构某点最高温度且单位为℃，Td是钢结构临界温度且单位为℃，μ0是钢结构利用率。
步骤五、自然火灾下大跨度钢结构构件温度场计算，过程如下：
步骤501、建立钢结构热平衡方程：为方便研究钢结构与热量之间的传递过程，将其视为黑体结构，从而建立钢结构热平衡方程
Figure BDA0001186997110000052
用于计算钢结构的净热通量；其中，Vs是钢构件的体积且单位为m3，ρs是钢构件的密度且单位为kg·m-3，Cs是钢构件的比热且单位为J/(kg·℃)，Ts是钢构件的温度且单位为℃。
步骤502、钢结构净吸收热计算：由于钢结构与热量之间的传递只要分为烟热对流、烟热辐射和火焰热辐射三个过程，即钢结构净吸收热也可表示为Qs＝(Qgr+Qfr+Qsc)εs(12)。其中，εs为净吸收热校正因子，Qgr为烟气辐射热且单位为kW，Qfr为火焰辐射热且单位为kW，Qsc为烟气对流热且单位为kW。
步骤503、钢结构温升计算：结合上述结论，得出钢结构温升计算公式：
Figure BDA0001186997110000053
其中，Δt是火灾发生后的时间增量且单位为s，ΔT为钢结构构件的温度增量且单位为℃。通过公式计算得出钢结构在受火情况下温度变化趋势。
步骤六、钢结构构件失效概率确定：将建筑实际参数，代入式(18)中计算钢结构温升情况，继而判断钢结构稳定性。
步骤三中大跨度钢结构失稳概率可表示为Pf＝P{G(X)≤0}＝∫G(T)≤0f(X)dT (4)；其中，X＝{x1,x2,x3......xn}T是具有n维火灾随机变量的向量，f(X)是火灾随机变量的联合概率密度函数，G(X)是钢结构保持稳定性的极限函数，当G(X)≤0时，钢结构发生失稳，反之结构保持其稳定性。
在钢结构承载力范围内，钢结构某点的临界温度不应小于该点的最高温度。
步骤四中所涉及到的μ0＝Efi,d/Rfi,d,0，其中Efi,d是建筑初期设计对消防设计的影响情况，Rfi,d,0是在t＝0时刻钢结构构件的抗火能力。
按照权利要求书1中所述的基于拉丁超立方抽样法的钢结构坍塌概率评估方法，其特征在于：步骤502中所涉及到的Qgr、Qfr、Qsc等物理量，其表达式分别为Qgr＝σ0Fsεg[(Tg+273)4-(Ts+273)4]、Qsc＝Fsαc(Tg-Ts)、
Figure BDA0001186997110000061
其中，σ0是斯特凡波兹曼常数5.67×10-8W/m2·K4，αc是对流换热系数，εg是烟气有效辐射率，Tg是烟气温度且单位为℃，Fs是每米钢结构的表面积且单位为m2，γ是形状因子，αg是烟气吸收率，Q是火源热释放速率且单位为kW，D是火源表面的当量直径且单位为m，R是相距起火点的距离且单位为m。
αg＝0.458-1.29×10-4Tg。
可采用以下公式对钢结构构件最高温度进行预测，Tg max＝(Qmax/50+80)-(4Qmax/10000+3)H+(52Qmax/1000+598)×102/A，其中A是建筑面积且单位为m2，H为相距天花板高度且单位为m。
本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，弥补了对现有钢结构坍塌概率评估方法中存在的未考虑火灾随机性的影响问题。

Claims (7)

1.一种火灾中钢结构坍塌概率评估方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤一、确定随机性因素的概率分布函数：根据高大空间建筑火灾的随机性所遵循的统计规律，确定建筑物内火灾随机性因素及其分布函数，进而构建随机性因素的概率分布函数；
步骤二、设计随机性火灾场景：采用拉丁超立方方法对随机性因素进行拉丁超立方抽样，并用概率密度函数描述随机性因素的不确定性，从而确定建筑火灾可能出现的所有随机性火灾场景组，对输出结果进行统计分析后给出输出结果的统计特征，从而定量地描述确定的火灾场景组分布情况；
步骤三、构建钢结构失稳概率模型：在已知火灾下大跨度钢结构失效概率情况下，构建其失稳概率模型
Figure FDA0002203729480000011
表述为：
Figure FDA0002203729480000012
其中，i＝1,2,3....,n表示进行的n次抽样；当
Figure FDA0002203729480000013
反之，
Figure FDA0002203729480000014
其中，
Figure FDA0002203729480000015
表示钢结构稳定性极限函数模型，N为抽样模拟总数，
Figure FDA0002203729480000016
是抽样样本；
步骤四、钢结构坍塌临界温度确定：根据步骤三中所涉及的钢结构稳定性极限函数G(X)对钢结构稳定性进行判断；公式G(X)表达式为：
Figure FDA0002203729480000017
其中，Tm是钢结构某点最高温度且单位为℃，Td是钢结构构件失去稳定性的临界温度且单位为℃，μ0是钢结构利用率；
步骤五、自然火灾下大跨度钢结构构件温度场计算，过程如下：
步骤501、建立钢结构热平衡方程：将钢结构视为黑体结构，从而建立钢结构热平衡方程：
Figure FDA0002203729480000018
用于计算钢结构的净热通量；其中，Vs是钢构件的体积且单位为m3，ρs是钢构件的密度且单位为kg·m-3，Cs是钢构件的比热且单位为J/(kg·℃)，Ts是钢构件的温度且单位为℃；t是时间；
步骤502、钢结构净吸收热计算：钢结构净吸收热表示为：
Qs＝(Qgr+Qfr+Qsc)εs
其中，εs为净吸收热校正因子，Qgr为烟气辐射热且单位为kW，Qfr为火焰辐射热且单位为kW，Qsc为烟气对流热且单位为kW；
步骤503、钢结构温升计算：得出钢结构温升计算公式：
Figure FDA0002203729480000021
其中，ΔT为钢结构构件的温度增量且单位为℃，Δt是火灾发生后的时间增量且单位为s，σ0是斯特凡波兹曼常数5.67×10-8W/m2·K4，αc是对流换热系数，εg是烟气有效辐射率，Tg是烟气温度且单位为℃，Fs是每米钢结构的表面积且单位为m2，γ是形状因子，αg是烟气吸收率，Q是火源热释放速率且单位为kW，D是火源表面的当量直径且单位为m，R是相距起火点的距离且单位为m；
通过公式计算得出钢结构在受火灾情况下温度变化趋势；
步骤六、钢结构构件失效概率确定：将建筑实际参数，代入式(18)中计算钢结构温升情况，继而判断钢结构稳定性。
2.按照权利要求1中所述的火灾中钢结构坍塌概率评估方法，其特征在于：在钢结构承载力范围内，钢结构某点的临界温度不小于该点的最高温度。
3.按照权利要求1中所述的火灾中钢结构坍塌概率评估方法，其特征在于：步骤四中所涉及到的μ0＝Efi,d/Rfi,d,0，其中Efi,d是建筑初期设计对消防设计的影响情况，Rfi,d,0是在t＝0时刻钢结构构件的抗火能力。
4.按照权利要求1中所述的火灾中钢结构坍塌概率评估方法，其特征在于：步骤502中，Qgr＝σ0Fsεg[(Tg+273)4-(Ts+273)4]。
5.按照权利要求1中所述的火灾中钢结构坍塌概率评估方法，其特征在于：步骤502中，
Figure FDA0002203729480000022
6.按照权利要求1或5中所述的火灾中钢结构坍塌概率评估方法，其特征在于：αg＝0.458-1.29×10-4Tg。
7.按照权利要求1或4中所述的火灾中钢结构坍塌概率评估方法，其特征在于：采用以下公式对钢结构构件最高温度进行预测：
Tg max＝(Qmax/50+80)-(4Qmax/10000+3)H+(52Qmax/1000+598)×102/A
其中，Qmax表示最大的火源热释放速率，
Figure FDA0002203729480000031
表示对火场中钢结构构件最高温度进行的预测温度；A是建筑面积且单位为m2，H为相距天花板高度且单位为m。
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