本發明涉及一種分析系統，具體是土木工程技術領域的梁柱式木結構框架抗火性能分析。

背景技術：

火災是指由于天然或者人為的因素，引起可燃物質著火并蔓延發展成災害性破壞的過程?；馂脑斐傻娜藛T和財產傷亡為國民安全和社會經濟穩定帶來較大的不利影響，火災的危害性隨著社會的不斷發展而愈加突出。

木材作為建筑行業的主要材料，與其他建筑材料相比，最主要的缺點是自身具有可燃性。木材一旦開始燃燒，其釋放出的大量熱量加速火災發展，進而對結構及周邊環境造成更大的危害，對結構穩定性產生巨大影響。

當前木結構防火設計的依據主要有《木結構設計規范》和《建筑設計防火規范》。但是傳統的防火設計規范中主要采用基于構件試驗的結構抗火設計方法，對于木結構整體中構件的相互影響尚未考慮，同時基于試驗的設計方法不能反映真實火災工況下結構的響應，難以真正反映真實的受力情況。與此同時，傳統抗火是基于標準升溫曲線模擬火災升溫過程，不少學者使用燃燒爐對構件或結構進行相關抗火性能試驗，這與實際火災升溫過程相差較大，自然火災與標準火災最大的不同在于其具有自然冷卻階段，并且受到燃料荷載以及通風條件等因素影響。

因而不能準確模擬分析結構的火災反應。

目前關于梁柱式木結構框架抗火性能的研究不足之處在于：1.缺乏準確的實際火災工況下木結構框架的評估計算方法；2.結構分析缺乏基于空間整體的計算分析；3.數值模擬方法無法考慮結構場與溫度場直接耦合，無法考慮木材的可燃性；4.雖然已有不少學者提出了系統化設計的思想，但是對于梁柱式木結構來說仍然需要設計更加合理的計算方法。經過對現有文獻的檢索查閱，申請公布號103886161A的中國發明專利中提出了一種基于鋼結構抗火專家系統的鋼結構抗火設計方法，該方法主要是針對鋼結構抗火設計，提出了相關設計流程及框架，但并不適于梁柱式木結構。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種在火災現場下結構與火災工況協同作用的適用于梁柱式木結構的抗火性能分析系統及分析方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種基于綜合模型的自然火災下梁柱式木結構框架整體抗火性能的分析系統，其特征在于，包括：

實際火災模擬模塊，用于在梁柱式木結構框架內生成與實際火災工況相對應的模擬火災工況；

炭化模型模塊，獲取在所述實際火災模擬模塊生成的模擬火災工況下的梁柱式木結構表面溫度荷載數據，根據炭化模型計算公式得出梁柱式木結構表面炭化深度及梁柱式木結構各構件的有效截面數據；

結構有限元分析計算模塊，用于計算梁柱式木結構在碳化深度和有效截面變化下的實時變形結果，并根據實時變形結果更新實際火災模擬模塊中的模擬火災工況用于計算下一時刻的變形結果。

所述結構有限元分析計算模塊中，模擬梁柱式木結構框架的梁單元為梁和柱，殼單元為樓板。

實際火災模擬模塊采用火災模擬軟件FDS。

結構有限元分析計算模塊采用有限元分析軟件ABAQUS。

一種基于綜合模型的自然火災下梁柱式木結構框架整體抗火性能的分析方法，其特征在于，包括：

步驟一、將火災作用下結構破壞過程進行時間和空間離散化，將火災模擬計算時間分隔成有限個時間間隔，在每個時間間隔中，又將木結構框架各個構件劃分為若干數量的離散單元；

步驟二、根據梁柱式木結構框架結構形式，在火災模擬軟件FDS中建立火場幾何模型；根據實際火災熱源的空間位置、熱釋放率以及開洞通風條件，設定火災工況；

步驟三、根據設定的火災工況，計算得到火災區域內結構表面時變空間的溫度場分布結果；

步驟四、根據上述步驟三獲取結構各個時刻表面火災荷載數據，根據炭化深度計算公式獲取各個時刻下，結構各構件炭化深度及有效截面數據；

步驟五、在有限元分析軟件ABAQUS中，根據有限元理論建立梁柱式木結構框架結構場模型，根據步驟四各個時刻的有效截面數據，建立各個時刻各構件單元截面及有限元模型；

步驟六、對各個時刻相應的結構有限元模型進行計算：施加常規荷載及邊界條件，計算得到梁柱式木結構框架在實際火災受火過程中梁柱式木結構框架的結構場響應；

步驟七、對各個時刻的有限元模型計算結果進行分析，判斷該時刻結構的破壞情況；如果結構沒有發生破壞，則模擬系統在完成既定計算時間后終止；如果結構發生破壞，則需要更新破壞后的火場模型并重新進行火災模擬、炭化深度計算、有限元計算及破壞檢測過程，如此反復計算，直至結構完全失效或者完成數值模擬計算時間。

所述梁柱式木結構框架有限元模型在有限元軟件ABAQUS中梁、柱使用梁單元，樓板使用殼單元模擬木框架結構。

本發明提出的分析系統及分析方法是一個循環計算過程，根據火災模擬時長劃分的各個離散時刻，在各個時刻進行火災模擬、炭化深度計算、削弱后結構有限元計算，并根據計算結果判斷結構是否發生破壞；如果發生破壞則需要更新此時刻破壞后的火場模型，重新進行火災模擬、炭化深度計算、削弱后有限元計算過程。如此反復，最終反映梁柱式木結構在自然火災下破壞過程。

基本思想是：作用-系統-反應。為了實現這一過程的模擬，需要將各個模塊模擬集成起來，并建立統一的數據環境，圍繞火災、結構和材料三個主要問題，重點解決火災對結構的影響，結構破壞對結構自身的影響以及結構破壞對火災發展的影響三個方面。

有益結果：

與當前木框架抗火分析技術相比，本發明提出了一種梁柱式木結構框架抗火分析方法，模擬火災發展過程中的結構破壞過程，實現火災與結構的完全耦合，重點解決了火災對結構的影響，結構破壞對結構自身的影響以及結構破壞對火災發展的影響三個方面。本發明為建筑火災研究提供了數值模擬方法，具有快速、廉價、簡潔的特點，對于木結構火災性能化設計和火災風險評估提供實用價值。

自然火災下梁柱式木結構數值模擬方法尚需深入研究。首先火災模擬與結構有限元模擬，是兩個分離的過程，其分別屬于火災科學和結構分析研究范疇。火災作用下，木結構自身會因為炭化過程而削弱自身截面，進而影響結構分析結果；同時結構自身的破壞也會影響火場的通風條件和空間分隔，進而影響火災發展過程。本發明考慮實際火災發展的影響，以整體結構為對象，實現火災和結構相互作用的過程，提出經濟可靠的木結構防火設計分析方法。該發明可以減少足尺試驗的高成本，提高分析效率。

附圖說明

圖1本發明分析系統框圖；

圖2本發明分析方法框架；

圖3為構件離散化示意圖；

圖4火災發展對結構計算的影響；

圖5結構破壞對自身的影響；

圖6結構破壞對火災模擬的影響；

圖7自然火災下梁柱式木結構抗火計算流程圖。

具體實施方式

下面介紹本發明的具體實施過程。

如圖1所示，本發明一種基于綜合模型的梁柱式木結構框架抗火分析系統，包括：

實際火災模擬模塊、炭化模型模塊和結構有限元分析計算模塊三個模塊，首先在火災模擬模塊建模進行溫度場計算，得出表面火災荷載數據，其次在炭化模型模塊中計算各個時刻結構炭化深度及有效截面，其次在結構有限元分析模塊建立框架結構模型，進行結構場分析計算，其次判斷該時刻結構的破壞情況，對火災模擬模塊的模型進行更新，循環計算直至結構破壞。

如圖2所示，本發明一種基于綜合模型的梁柱式木結構框架抗火分析方法，包括：

建立一種綜合模型用于自然火災下梁柱式木結構框架整體抗火性能計算，將火災作用、削弱后的構件截面及有限元計算結果等信息關聯和建模，重建結構數據模型和關系，使得不同模擬環境的數據聯系起來，反映木結構在火災破壞過程中的物理意義。

本發明提出的綜合模型主要由火場模型空間信息、火災荷載結果和炭化深度、有限元模型尺寸三個主要參數確定。

將火災作用下結構破壞過程進行時間和空間離散化，確定離散單元的初始尺寸；

在有限元分析軟件ABAQUS中，建立各個時刻有限元模型，確定離散單元長度；

在火災模擬軟件FDS中建立火場實體模型，輸出離散單元空間單元坐標信息，計算并獲取結構各個時刻表面火災荷載數據；

根據火災數值結果獲得火災荷載數據，通過炭化模型模塊計算獲取各個時刻結構各構件炭化深度及有效截面數據；

根據有限元模型確定的離散單元長度、火場模型輸出離散空間單元坐標信息以及炭化模型得出的炭化深度和有效截面，建立火災作用下多參數耦合模型，計算得到梁柱式木結構框架在實際火災受火過程中梁柱式木結構框架的結構響應；

如圖3所示，本發明提出的分析方法首先將火災作用下結構破壞過程進行時間和空間離散化，將火災模擬計算時間分隔成有限個時間間隔，在每個時間間隔中，又將木結構框架各個構件劃分為若干數量的離散單元；

本發明基本思想是：作用-系統-反應。為了實現這一過程的模擬，需要將各個模塊模擬集成起來，并建立統一的數據環境，圍繞火災、結構和材料三個主要問題，重點解決火災對結構的影響，結構破壞對結構自身的影響以及結構破壞對火災發展的影響三個方面。

考慮火災發展對結構計算的影響，結合梁柱式木結構框架在高溫下性能退化過程，木材在火災作用下發生的炭化作用最終表現為截面尺寸的削弱，削弱后導致構件強度降低。如圖4所示，本發明根據獲得的火災荷載數據，通過炭化模型計算各構件表面的炭化深度，進而計算構件的有效截面尺寸，并更新結構有限元模型。

考慮結構破壞對結構自身的影響。本發明的結構分析以ABAQUS有限元模型為基礎，更新結構火災削弱后的有效截面，通過有限元計算得到結構的變形及應力結果。通過獲取有限元計算數據庫結果，獲取單元內力，節點位移，對該結構進行破壞檢測。如果結構發生破壞，則更新結構破壞后的有限元模型，通過計算分析新的結構模型破壞情況。圖5表示結構破壞對自身的影響。

考慮結構破壞對火災模擬的影響。結構破壞后，破壞的木構件會引起空間和通風條件的改變等，進而影響火災在結構破壞后的發展情況。本發明假定結構破壞后火場在很短的時間內穩定，主要研究結構破壞后引起的結構空間和通風條件的改變對火災模擬的影響。本發明建立的系統將根據破壞信息更新火場模型，并進行破壞后的火災數值模擬，進而反映結構破壞對火災模擬發展的影響。圖6為結構破壞對火災模擬的影響示意圖。

本發明一種基于綜合模型的自然火災下梁柱式木結構框架整體抗火性能的計算過程，包括以下步驟：

步驟一、將火災作用下結構破壞過程進行時間和空間離散化，將火災模擬計算時間分隔成有限個時間間隔，在每個時間間隔中，又將木結構框架各個構件劃分為若干數量的離散單元；

步驟二、根據梁柱式木結構框架結構形式，在火災模擬軟件FDS中建立火場幾何模型；根據實際火災熱源的空間位置、熱釋放率以及開洞通風條件，設定火災工況；

步驟三、根據設定的火災工況，計算得到火災區域內結構表面時變空間的溫度場分布結果；

步驟四、根據綜合模型獲取結構各個時刻表面火災荷載數據，根據炭化深度計算公式獲取各個時刻下，結構各構件炭化深度及有效截面數據；

木材在高溫下性能的退化是連接火災發展和結構破壞的關鍵過程。木材作為一種可燃物，在高溫作用下表面會發生炭化和燃燒，炭化會導致截面削弱，未炭化部分的承載能力也會受高溫影響產生顯著變化，同時由于木材是熱的不良導體，溫度在截面處的分布情況對木材的力學性能同樣具有較大影響。

木材因內部組成成分較多，而且每種組分具有不同的熱解性能，因此其炭化過程及炭化速率規律非常復雜。當前，國內外究人員對木材的炭化過程進行了大量試驗研究，并提出了多種炭化速率模型。

木材因內部組成成分較多，而且每種組分具有不同的熱解性能，因此其炭化過程及炭化速率規律非常復雜。當前，國內外究人員對木材的炭化過程進行了大量試驗研究，并提出了多種炭化速率模型。

(1)以“常速率模型”為代表，通過炭化速率模型反應材料屬性對炭化速率的影響。這類模型可用下式表示：

t＝Cx_c (3-4)

其中t是時間，單位為分鐘，C是炭化速率，單位為分鐘/毫米，x_c是炭化深度，單位為毫米。其中C一般可取為0.6毫米/分鐘。

(2)通過火災荷載對炭化速率的影響，建立炭化速率模型。在已有的實驗研究中發現，炭化程度和吸收熱量大致成正比關系。此外，還有一些專用的炭化模型，如Hadvig假定室內燃料全部燃燒，減去通風熱量損失，剩余熱量用于室內木材表面吸收，通過計算得到炭化深度，這種也可稱為經驗模型。

(3)為了描述整個火災發展過程中木材炭化的情況，出現了以固體熱解積分為基礎建立的炭化模型。這種模型是基于試驗得到的結果，以動量、質量、能量守恒為理論基礎，根據火災荷載數據，預測木材的炭化速率及炭化深度。本文以Spearpoint的炭化材料一維積分模型為基礎，結合高作人博士關于木材炭化模型相關工作，對該類炭化模型作簡要介紹。

Spearpoint的基本假設是木材滿足“半平板無限構件”條件，試樣厚度保證木材在炭化過程中不因內側木材溫度的升高而影響炭化速率。木材的炭化層為惰性，火焰放熱恒定，并且材料在溫度區間內保持密度恒定。

Spearpoint的炭化材料一維積分模型計算公式如下：

式中，m是燃燒率，t是時間，ρ_w是木材炭化前密度，φ是炭化比，定義：

其中，ρ_φ是炭化層密度，ω是收縮比。其中φ由如下公式定義：

其中，β定義為：

式中，qⁿ(t)、分別為木材表面吸收的凈熱流強度和到達木材表面的熱流強度。

其中T_s、T₀、α、ε、σ、h_c分別為炭化表面溫度、初始溫度、吸收系數、輻射系數、波爾茨曼常數以及熱傳導系數。由于炭化表面是黑色，因此假設輻射系數和吸收系數均為1，則公式可簡化為

由此可得：

根據實驗獲得的各物理量，可以推導出炭化深度的計算公式為：

上述公式可根據燃燒率、到達熱流強度和吸收熱流強度三個參數得到木材表面t時刻的炭化深度。在FDS中通過“DEVC”字串布置測量設備，可輸出上述火災荷載數據，具體內容如下表1所示：

表1 FDS提取的火災荷載數據

步驟五、在有限元分析軟件ABAQUS中，根據有限元理論建立梁柱式木結構框架結構場模型，根據步驟四各個時刻的有效截面數據，建立各個時刻各構件單元截面及有限元模型；

步驟六、對各個時刻相應的結構有限元模型進行計算：施加常規荷載及邊界條件，計算得到梁柱式木結構框架在實際火災受火過程中結構變形等結構場響應。

步驟七、對各個時刻的有限元模型計算結果進行分析，判斷該時刻結構的破壞情況；如果沒有發生破壞，則模擬系統在完成既定計算時間后終止；如果發生破壞，則需要更新破壞后的火場模型并重新進行火災模擬、炭化深度計算、有限元計算及破壞檢測過程，如此反復計算，直至結構完全失效或者完成數值模擬計算時間。

所述梁柱式木結構框架有限元模型在有限元軟件ABAQUS中主要以梁、殼單元為主，梁、柱使用梁單元，樓板使用殼單元模擬木框架結構。

如圖7所示，本發明提出的計算過程是一個循環計算過程，根據火災模擬時長劃分的各個離散時刻，在各個時刻進行火災模擬、炭化深度計算、削弱后結構有限元計算，并根據計算結果判斷結構是否發生破壞；如果發生破壞則需要更新此時刻破壞后的火場模型，重新進行火災模擬、炭化深度計算、削弱后有限元計算過程。如此反復，最終反映梁柱式木結構在自然火災下破壞過程。

以上是對本發明具體實施方法的描述。本發明并不局限于上述特定情景的實施方式，本領域技術人員可以根據實際火災情況及結構類型在權利要求的范圍內進行調整和改進，這并不影響本發明的實質內容。