CN113961996B - 一种基于参数化模型的整体结构耐火验算方法 - Google Patents

一种基于参数化模型的整体结构耐火验算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于参数化模型的整体结构耐火验算方法，其特点在于整体结构耐火验算具体包括：建筑结构一体化信息模型的构建、生成参数化的火灾场景分析模型、火灾场景模拟、计算各构件升温曲线、整体结构耐火验算模型的建立及求解和体结构耐火验算及防火保护措施调整等步骤。本发明与现有技术相比具有方法简便，可快速求得整体结构的耐火极限，不但解决了手动计算和设置偏差大的问题，而且大大降低了人力和大量时间的耗费，进一步提高设计效率，尤其适用于高层钢结构的耐火验算和安全性能分析。

Description

一种基于参数化模型的整体结构耐火验算方法
技术领域
本发明涉及钢结构抗火设计技术领域，尤其是一种基于区域升温分析的整体结构耐火极限计算方法。
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。为了达到减少火灾直接经济损失、避免或减少人员伤亡的建筑防火设计目标，结构防火设计需要避免火灾中结构局部倒塌造成灭火及人员疏散困难，以及避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡。
《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017给出了结构防火设计的具体实施办法，根据验算对象和层次的不同，分为基于整体结构耐火验算和基于构件耐火验算的防火设计方法。其中，预应力钢结构和跨度不小于120m的大跨度建筑中的钢结构，应采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法。对于基于构件耐火验算的防火设计方法，GB51249中给出了明确的构件升温计算方法以及耐火验算方法，而针对整体结构耐火验算的方法则仅限于总流程和规定，详细具体的指导则较少。
现有技术的整体结构耐火验算存在着以下问题：
1)建筑方案的一般改动较频繁，尤其是形态复杂的公共建筑，而火灾场景的网格设置需要及时适应建筑形态的变化，y、z轴网格划分的数量需采用2k×3m×5n来提升FDS运行速度，同时火源位置还需要采用节点与整体网格一致的局部精细网格来提升模拟精度。
2)火灾场景得到的空气升温情况，需要为构件的升温提供数据；而构件的升温，除受所在位置空气升温情况的影响外，还受到防火层厚度、截面尺寸、材料参数的影响，若采用手动计算和设置，简化模型会存在偏差较大的问题，而精细程度较高的模型则会耗费大量时间和人力。
3)由于火灾发生的不确定性，一般建筑会有多个较不利的火灾场景，火灾场景的变化也会使上述模型调整的工作量成倍增加，严重影响设计效率。
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参数化模型的整体结构耐火验算方法，采用建筑表皮模型和结构分析模型的方法，形成参数控制的火灾场景分析模型和整体结构耐火验算模型，自动进行火灾场景分析模型的建立、空气升温曲线的提取、各构件升温曲线的求解以及整体结构耐火验算模型的建立，为判断整体结构在设定火灾场景下的安全性评估提供依据，方法简便，可快速求得整体结构的耐火极限，不但解决了手动计算和设置偏差大的问题，而且大大降低了人力和大量时间的耗费，进一步提高设计效率，尤其适用于高层钢结构的耐火验算和安全性能分析。
本发明的目的是这样实现的：一种基于参数化模型的整体结构耐火验算方法，其特征在于整体结构耐火验算具体包括以下步骤：
a、形成建筑结构一体化信息模型
将结构分析模型读入到参数化平台Rhino grasshopper中，提取其中的节点信息、单元信息、截面信息和材料信息。同时，在Rhino软件中导入火灾场景分析需要用到的建筑模型，包括建筑表皮、楼屋面、门窗的曲面，并使建筑与结构模型的空间相对位置关系与实际情况保持一致。
b、生成参数化的火灾场景分析模型
根据建筑信息生成用于火灾场景分析的FDS文本文件，具体为根据建筑总体尺寸信息形成整体网格的MESH命令，根据建筑表皮、楼屋面曲面信息等形成OBST命令。然后根据防火分区内可能出现的最不利火灾场景，确定火源功率、火灾增长类型和火床面积信息，形成火源处局部精细网格的Mesh命令、火源位置的OBST命令、热边界条件的SURF命令、以及火灾时间的TIME命令。
根据结构分析模型中提取的节点信息、单元信息，形成获取构件所在位置空气升温的DEVC命令，并在命令中设定带结构单元编号的ID信息。
c、火灾场景模拟
运行生成的FDS文件，进行火灾场景分析，并完成求解。
d、计算各构件升温曲线
设定不同截面构件的防火层厚度，再根据结构分析模型中提取的单元信息和截面信息、FDS求解得到的每根构件位置处的空气升温曲线，按《建筑钢结构防火技术规范》GB51249中构件的升温计算公式，求解达到整体结构耐火极限时各构件的温度。
e、整体结构耐火验算模型的建立及求解
根据结构分析模型建立整体结构耐火验算模型，并将求解得到的各构件温度作为荷载输入到验算模型中，同时采用与温度相关的材料进行求解。
f、整体结构耐火验算及防火保护措施调整
根据结构响应情况判断是否达到耐火承载力极限状态，判断依据为：结构在高温下产生足够的塑性铰形成可变机构，或结构整体丧失稳定。若结构达到耐火承载力极限状态，则表明设置的防火层厚度不足，调整防火层厚度，重复第4～6步，直至整体结构不会达到耐火承载力极限状态，由此得到设定火灾场景下所需的防火层厚度，形成防火保护设计方案。
本发明与现有技术相比具有以下显著的技术进步和优点：
1)采用建筑结构一体化信息模型，并结合参数化控制，能够准确、自动地生成火灾场景命令文本，使火灾场景分析时FDS能自动输出每根构件处空气的升温情况，用于进行每根结构构件的升温计算。
2)通过参数控制，能够根据FDS输出的空气温度数据文件、结构的截面材料信息以及防火层设定，自动计算每根构件的升温情况，并形成分析所需的命令文本，开展精细的整体结构耐火验算。
3)采用参数化平台进行插件开发，调整体网格尺寸、建筑信息(建筑表皮、火床位置及大小、门窗情况)、火源设定(火源功率、火灾增长类型、求解时间)、整体结构耐火极限、防火保护材料类型及设计指标等设定，火灾场景模型、整体结构耐火验算模型会在参数驱动下自动进行调整，可减少人力，提高工作效率。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为建筑结构一体化信息模型示意图；
图3为实施例1的建筑壁面障碍物模型示意图；
图4为实施例1的火灾场景模拟示意图；
图5为实施例1各构件达到耐火极限时的升温示意图；
图6为实施例1整体结构耐火验算模型的温度分布示意图；
图7实施例1整体结构在设定火灾场景下的构件应变示意图。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
参阅附图1，整体结构耐火验算按下述步骤进行：
1、形成建筑结构一体化信息模型
在Midas/Gen中建立结构模型，导出mgt文本文件。在参数化平台Rhinograsshopper中读入mgt文件，提取其中的节点信息*NODE、单元信息*ELEMENT、截面信息*SECTION和材料信息*MATREIAL。
参阅附图2，在Rhino软件中导入火灾场景分析需要用到的建筑模型，包括关注的防火分区内的建筑表皮、楼屋面、门窗、火床的曲面，并使建筑与结构模型的空间相对位置关系与实际情况保持一致。
2、生成参数化的火灾场景分析模型
根据建筑信息生成用于火灾场景分析的FDS文本文件，具体为：
1)提取所有建筑表皮边缘及节点信息
确定建筑总体尺寸为：x向27.15m～69.35m，Y向34.03m～59.42m，Z向为-0.01m～16.9m。设定整体网格尺寸为0.4m，保留小数点后1位，采用FDS推荐的单轴2k×3m×5n的网格数量划分网格，形成MESH命令如下：&MESHXB＝27.1,70.3,34.0,59.6,-0.1,17.9,IJK＝108,64,45/building
2)根据建筑表皮、楼屋面曲面信息等形成OBST命令
参阅附图3，根据建筑表皮、楼屋面曲面信息等形成OBST命令如下：
&OBSTID＝'GH-XY-0',XB＝45.1,45.5,40,40,-0.1,-0.1,RGB＝61,129,161/；
&OBSTID＝'GH-XZ-0',XB＝36.3,36.3,40,40.4,11.1,11.5,RGB＝161,157,61/；
&OBSTID＝'GH-XZ-0'，XB＝27.1，27.1，39.2，39.2，12.7，13.5，RGB＝161,61,61/；
3)设定最不利火灾场景，火源功率取Qs＝8MW，火灾增长类型选择“快速”，火床面积设为2.4m×2.4m，并给定火床位置。根据整体网格划分情况，形成局部精细网格，其命令如下：
&MESH XB＝55.9,58.3，45.2,47.6,-0.1,2.3,IJK＝12,12,12/fire；
火源位置的OBST命令、热边界条件的SURF命令、火灾时间的TIME命令如下：
&OBST XB＝56.7，59.1,42.0,44.4,-0.1,-0.1,Surf_id＝'FIRE'/；
&SURFID＝'FIRE',COLOR＝'RED',HRRPUA＝1388.9,TAU_Q＝-413/；
&TIME T_END＝1800.0/；
根据结构分析模型中提取的节点信息、单元信息，形成获取构件所在位置空气升温的DEVC命令，并在命令中设定带结构单元编号的ID信息，形成的部分命令如下：
&DEVCID＝'Device1A',QUANTITY＝'TEMPERATURE',XYZ＝3.2,51.2,5.7/；
&DEVCID＝'Device2A',QUANTITY＝'TEMPERATURE',XYZ＝9.2,51.2,5.7/；
&DEVCID＝'Device3A',QUANTITY＝'TEMPERATURE',XYZ＝18.2,51.2,5.7/。
3、火灾场景模拟
参阅附图4，运行生成的FDS文件，进行火灾场景分析，并完成求解，得到的空间温度分布情况。
4、计算各构件升温曲线
统一采用非膨胀型防火层，等效热传导系数为0.1W/(m·℃)，厚度为30mm。根据mgt文件中提取的单元信息，确定每根构件的截面编号；根据mgt文件中提取的截面信息，确定各编号截面的截面形状系数Fi/V，其中，Fi为有防火保护钢构件单位长度的受火表面积(m2)，V为单位长度钢构件的体积(m3)。从FDS求解得到的_devc.csv文件中，提取各测点温度时程数据，并根据ID号中的结构单元编号，将温度数据定位到每一根构件，按《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017第6.2.2条计算火灾下有防火保护构件的温度情况，即下述a式计算各构件的升温曲线：
当防火保护层为非轻质防火保护层，即2ρicidiFi>ρiciV时，α则由下述b式计算：
当防火保护层为轻质防火保护层，即2ρicidiFi≤ρiciV时，对非膨胀型防火涂料、防火板等防火保护层，α则由下述c式计算：
式中，ΔTs为钢构件在时间(t,t+Δt)内的温升(℃)；α为综合热传递系数[W/(m2·℃)]；ρs、cs分别为钢材的密度(kg/m3)和比热[J/(kg·℃)]；Ts、Tg为t时刻钢构件的内部温度和热烟气的平均温度(℃)；Δt为时间步长(s)；ci为防火保护材料的比热容[J/(kg·℃)]；ρi为防火保护材料的密度(kg/m3)；λi为防火保护材料的等效热传导系数，取0.1W/(m·℃)；di为防火保护层的厚度，取0.03m。
参阅附图5，设定受火时间为1.5小时，空气温度数据Tg取包络值，求解得到每根构件在达到整体结构耐火极限时的温度情况。
5、整体结构耐火验算模型的建立及求解
根据结构mgt文本文件中的结构布置及荷载信息，采用Ansys Ls-dyna软件建立整体结构耐火验算模型，并将自动计算得到的各构件温度，形成单元温度荷载命令，添加到模型中，进行整体结构在火灾荷载工况下的结构响应分析。
6、整体结构耐火验算及防火保护措施调整
参阅附图6，整体结构耐火验算模型中的温度分布情况与附图5中各构件升温求解情况一致。
参阅附图7，在该工况下构件的应变最大值为0.0006，所有构件均保持弹性状态而未形成塑性铰，结构保持稳定，没有达到耐火承载力极限状态。由分析结果可见，采用的防火层厚度能够确保该火灾场景下整体结构的安全性。
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 (3)

1.一种基于参数化模型的整体结构耐火验算方法，其特征在于整体结构耐火验算具体包括以下步骤：
a、建筑结构一体化信息模型的构建
在Midas/Gen中建立结构分析模型，将其读入到参数化平台Rhino grasshopper中，提取节点信息、单元信息、截面信息和材料信息，并在Rhino软件中导入火灾场景分析所用的建筑模型，并使建筑与结构模型的空间相对位置关系与实际情况保持一致，形成建筑结构一体化信息模型；
b、火灾场景分析模型的生成
根据建筑信息生成用于火灾场景分析的FDS文本文件，以及防火分区内可能出现的最不利火灾场景，确定火源功率、火灾增长类型和火床面积信息，形成火源处局部精细网格的Mesh命令、火源位置的OBST命令、热边界条件的SURF命令和火灾时间的TIME命令，根据结构分析模型中提取的节点信息、单元信息，形成获取构件所在位置空气升温的DEVC命令，并在命令中设定带结构单元编号的ID信息，生成参数化的火灾场景分析模型；
c、火灾场景的模拟
运行生成的FDS文件进行火灾场景的模拟分析，采用流体动力学方法求解，得到火灾场景模拟的空间温度分布；
d、构件升温曲线的计算
设定不同截面构件的防火层厚度，根据结构分析模型中提取的单元信息和截面信息、FDS，并由下述a式计算各构件的升温曲线：
式中：ΔTs为钢构件在时间(t，t+Δt)内的温升(℃)；α为综合热传递系数；ρs、cs分别为钢材的密度和比热；Ts、Tg为t时刻钢构件的内部温度和热烟气的平均温度(℃)；Δt为时间步长(s)；Fi为单位长度钢构件的受火表面积(m2)；V为单位长度钢构件的体积(m3)；
e、整体结构耐火验算模型的建立及求解
根据Midas/Gen结构模型中的节点、单元、截面、材料、荷载、约束信息，采用基于通用有限元软件的数值分析方法，建立整体结构耐火验算模型，将各构件温度作为荷载输入到验算模型中，并同时采用与温度相关的材料进行求解；
f、整体结构耐火验算及防火保护措施调整
根据结构响应情况按下述步骤判断是否达到耐火承载力极限状态，所述判断依据为：结构在高温下产生足够的塑性铰形成可变机构，或结构整体丧失稳定；若结构达到耐火承载力极限状态，则表明设置的防火层厚度不足，调整防火层厚度，重复步骤d～f，直至整体结构不会达到耐火承载力极限状态，由此得到设定火灾场景下所需的防火层厚度，形成防火保护设计方案。
2.根据权利要求1所述基于参数化模型的整体结构耐火验算方法，其特征在于所述建筑模型包括关注的防火分区内的建筑表皮、楼屋面、门窗和火床曲面。
3.根据权利要求1所述基于参数化模型的整体结构耐火验算方法，其特征在于所述火灾场景分析的FDS文本文件具体为：根据建筑总体尺寸信息形成整体网格的MESH命令，以及根据建筑表皮、楼屋面曲面信息形成OBST命令。
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