CN111553100A - 一种基于火灾蔓延区域的整体结构耐火时间分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于火灾蔓延区域的整体结构耐火时间分析方法，其特点是采用整体结构受火有限元分析，得到不同火灾发展条件下的整体耐火时间，其具体分析包括：升温区域及火灾蔓延路线的设定、整体结构受火的有限元分析和建立速查表等步骤，通过速查表，为整体结构耐火时间是否满足设计要求，以及对已发生火灾的结构是否接近耐火时间进行分析和判断。本发明与现有技术相比具有快速找出最不利的火灾蔓延路径，以及可能引起结构倒塌的极限火灾蔓延范围，快速评判过火后整体结构的安全性，尤其适用于高层钢结构的耐火时间和安全性能分析。

Description

一种基于火灾蔓延区域的整体结构耐火时间分析方法
技术领域
本发明涉及钢结构整体抗火技术领域，尤其是一种基于火灾蔓延区域的整体结构耐火时间分析方法。
背景技术
建筑火灾是人类生产生活中危害最严重的灾害之一，对人类生命财产安全构成了直接的危害，而发生的频率则居各灾害之首。由于钢材的耐火性较差，高温下会丧失大部分强度，因此钢结构在火灾下的安全性常常会受到威胁，甚至会造成结构倒塌并形成二次灾害。实际火灾事故情况表明，钢结构建筑在火灾下的坍塌会扩大受火面积、加大了救火难度、甚至造成消防员的牺牲。因此，在进行建筑防火设计时，需要重点关注结构在火灾中的抗倒塌能力，避免由于结构局部或整体倒塌，造成灭火及人员疏散困难，甚至导致人员伤亡。
火灾是一种区域性的且不断发展的灾害，由于其蔓延特性，火灾发生过程中，受到高温影响的构件数量可能并不单一，甚至一个防火分区内的构件都可能受到影响。而目前实际钢结构工程主要采用的是基于构件的抗火设计方法，即确保构件在规定结构耐火极限时间内，承载能力不小于各种作用所产生的组合效应，规范还明确了不同耐火等级的建筑中各类构件的耐火极限，即在各种荷载效应组合下，结构或构件的耐火时间不小于其耐火极限；基于整体结构的抗火设计方法则是验算在某一火灾场景下，整体结构的抗倒塌能力。然而，对于如何计算整体结构的耐火极限，我国设计规范尚未给出明确要求和计算准则，火灾影响的区域性、以及由于火灾蔓延造成的荷载在时间上的变化性也少有体现。
现有技术的建筑防火设计不能得到不同火灾发展条件下的整体耐火时间，找不出最不利火灾蔓延路径，以及极限火灾蔓延范围，对于已发生火灾的建筑，不能快速评判整体结构是否接近耐火极限。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种基于火灾蔓延区域的整体结构耐火时间分析方法，采用整体结构受火有限元分析方法，对火灾升温区域的位置及大小、火灾蔓延路线和速度，以及火灾升温曲线进行整体结构耐火时间的分析，得到不同大小区域受火、不同蔓延路径下的整体结构耐火时间，可对比找出最不利的火灾蔓延路径，以及可能引起结构倒塌的极限火灾蔓延范围，对于已发生火灾的建筑，可快速评判过火后整体结构的安全性，并可根据评判结果即刻确定灾后处理办法、制定相关的加固方案，方法简便，效率高，尤其适用于高层钢结构的耐火时间和安全性能分析。
本发明的目的是这样实现的：一种基于火灾蔓延区域的整体结构耐火时间分析方法，其特点是采用整体结构受火有限元分析，得到不同火灾发展条件下的整体耐火时间，其具体分析包括以下步骤：
a、升温区域及火灾蔓延路线的设定
在建筑规定的各个防火分区内，罗列可能形成的升温区域及对应的火灾蔓延路线，所述升温区域按大小可分为小型升温区和大型升温区：所述小型升温区可选单个功能块或大空间中由横向及纵向一个柱跨范围内的区域；所述大型升温区为多个相连的小型升温区包含的区域，其中最开始受火的小型升温区为始发升温区，可选择面积较小、高度较低、可燃物较多、电线密集等火灾隐患较多的房间作为始发升温区；所述火灾蔓延路线为大型升温区中火灾从始发升温区发展到其他小型升温区的路线。
b、整体结构受火的有限元分析
对罗列的所有工况进行整体结构受火有限元动力时程分析，根据求解得到的整体结构动力响应情况，确定整体结构耐火时间t0：当整体结构在某工况下的t0时刻，开始发生较大变形，甚至大范围倒塌破坏，则认定该时刻整体结构达到耐火极限。
c、整体结构耐火时间速查表的建立
梳理所有工况形成速查表，其具体内容包括：升温区域位置及大小、火灾蔓延路线、火灾蔓延速度、火灾升温曲线及整体结构耐火时间。
d、实际工程应用
对于需要进行抗火设计的工程项目，结合整体结构耐火时间速查表，当存在整体结构耐火时间不满足设计要求(人员疏散时间需求、消防扑救时间需求)时，则应针对不满足要求的工况，对结构的防火保护措施进行调整，或在其升温区域和火灾蔓延路线上增设消防措施，以避免整体结构在较不利工况下发生倒塌。
对于已发生火灾的工程，根据灾后初步鉴定得到的结构受火时间及火灾蔓延区域，可通过速查表快速确定整体结构是否接近耐火时间。若实际受火时间接近或大于相应工况下的整体结构耐火时间，则需谨慎开展灾后的火场清理及检测鉴定工作，以防发生二次灾害。
本发明与现有技术相比具有为整体结构耐火时间是否满足设计要求，以及对已发生火灾的结构是否接近耐火时间进行分析和判断，快速找出最不利的火灾蔓延路径，以及可能引起结构倒塌的极限火灾蔓延范围，对于已发生火灾的建筑，可快速评判过火后整体结构的安全性，并可根据评判结果即刻确定灾后处理办法、制定相关的加固方案，方法简便，效率高，尤其适用于高层钢结构的耐火时间和安全性能分析。
附图说明
图1为建筑结构三维示意图；
图2为升温区域示意图；
图3为小型升温区受火工况下结构的变形云图；
图4为小型升温区受火工况下底层角柱顶部竖向变形与构件温度关系曲线；
图5为大型升温区受火工况下结构的变形云图。
具体实施方式
下面以某一建筑结构为例对本发明作进一步详细描述和说明：
实施例1
本发明按下述步骤进行整体结构耐火时间分析：
a、升温区域及火灾蔓延路线的设定
参阅附图1～图2，按建筑规定每一层为一个防火分区。对建筑底层防火分区，设定可能形成的升温区域1：设定单个功能块及由横向及纵向一个柱跨范围内的区域D1～D6为小型升温区3；并设定D1+D2、D6+D3+D5这类由多个相连的小型升温区3组成的区域为大型升温区4；对大型升温区4，设定有火灾隐患的区域D1、D6为始发升温区5，并设定形成的火灾蔓延路线2。
b、进行整体结构受火有限元分析
对罗列的所有工况，进行整体结构受火有限元动力时程分析，根据求解得到的整体结构动力响应情况，确定整体结构耐火时间t0：当整体结构在某工况下的t0时刻，开始发生大范围倒塌破坏，则认定该时刻整体结构达到耐火极限。
参阅附图3～图4，以小型升温区D4的受火工况为例，当钢构件温度达到780℃时，整体结构竖向变形发生突变，并产生较大变形，可认为整体结构达到耐火极限。假定采用20mm厚非膨胀型防火涂料，则根据建筑钢结构防火技术规范计算，构件达到780℃所需时间约为3.8小时，则该工况下的整体耐火极限为3.78小时。
参阅附图5，以大型升温区D6+D3+D5为例，设定小型升温区间火灾蔓延的时间为15分钟，对结构在该工况下的动力响应进行分析。根据整体结构的变形响应时程可知，当构件温度达到480℃时，整体结构竖向变形发生突变，并产生较大变形，可认为整体结构达到耐火极限。构件达到480℃所需时间约为2.29h，增加火灾蔓延时间，则改工况下的整体耐火极限为2.54小时。
c、形成整体结构耐火时间速查表
梳理所有工况，建立包括：升温区域1位置及大小、火灾蔓延路线2、火灾蔓延速度、火灾升温曲线及整体结构耐火时间的下述表1：
表1 整体结构耐火时间速查表
Figure BDA0002469561550000051
d、实际工程应用
对于需要进行抗火设计的工程项目，结合整体结构耐火时间速查表，当存在整体结构耐火时间不满足设计要求(人员疏散时间需求、消防扑救时间需求)时，则应针对不满足要求的工况，对结构的防火保护措施进行调整，或在其升温区域和火灾蔓延路线上增设消防措施，以避免整体结构在较不利工况下发生倒塌。
以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种基于火灾蔓延区域的整体结构耐火时间分析方法，其特征在于采用整体结构受火有限元分析，得到不同火灾发展条件下的整体耐火时间，其具体分析包括以下步骤：
a、升温区域及火灾蔓延路线的设定
在建筑规定的各个防火分区内，罗列可能形成的升温区域及对应的火灾蔓延路线，并将升温区域分为若干小型升温区和大型升温区：所述小型升温区为单个功能块或大空间中由横向及纵向一个柱跨范围内的区域；所述大型升温区为多个相连的小型升温区包含的区域，其中最开始受火的小型升温区为始发升温区，所述始发升温区为面积小、高度低、可燃物多和电线密集的火灾隐患房间；所述火灾蔓延路线为大型升温区中火灾从始发升温区发展到其他小型升温区的路线；
b、整体结构受火的有限元分析
对上述所有工况进行整体结构受火有限元动力时程分析，根据求解得到的整体结构动力响应情况，确定整体结构耐火时间t0：当整体结构在某工况下的t0时刻，开始发生较大变形，甚至大范围倒塌破坏，则认定该时刻整体结构达到耐火极限；
c、整体结构耐火时间速查表的建立
根据相应工况下的整体结构耐火时间t0建立升温区域位置及大小、火灾蔓延路线、火灾蔓延速度，以及火灾升温曲线的整体结构耐火时间速查表；
d、整体结构耐火时间的工程应用
1）、对于需要进行抗火设计的工程项目
结合整体结构耐火时间速查表，当存在整体结构耐火时间不能满足人员疏散时间需求、消防扑救时间需求的设计要求时，则应对结构的防火保护措施进行调整，或在其升温区域和火灾蔓延路线上增设消防措施，以避免整体结构在较不利工况下发生倒塌；
2）、对于已发生火灾的工程
根据灾后初步鉴定得到的结构受火时间及火灾蔓延区域，通过速查表确定整体结构是否接近耐火时间，若实际受火时间接近或大于相应工况下的整体结构耐火时间，则需谨慎开展灾后的火场清理及检测鉴定工作，以防发生二次灾害。
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