[發(fā)明專利]一種模擬高層建筑火災(zāi)的方法

在審

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• 申請日: 2015-07-21
• 公開（公告）號: CN105095579A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張媛;梁冰;吳作啟;劉文生;邵軍;楊逾;杜東寧;崔鐵軍
• 申請（專利權(quán)）人: 遼寧工程技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及建筑工程，特別是涉及核心筒-框架結(jié)構(gòu)超高層建筑發(fā)生火災(zāi)后倒塌過程分析。

背景技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大量人口涌入城市，為解決人口的容納問題，各城市爭相新建高層建筑，甚至超高層建筑用于居住和辦公。特別是在城市核心區(qū)域，超高層建筑比比皆是，且建筑樓距很近，一旦發(fā)生如地震等災(zāi)害，超高層建筑坍塌后果不堪設(shè)想。不幸的是，除自然災(zāi)害外，人為因素也可能造成超高層建筑的坍塌。眾所周知的如911事件的世貿(mào)大樓雙塔，其坍塌后除自身結(jié)構(gòu)完全破壞外，還對周圍建筑造成了嚴重影響。但究其世貿(mào)雙塔的坍塌原因發(fā)現(xiàn)，其最終坐塌是由于飛機攜帶大量航空燃油。油料在撞擊后殘留于建筑內(nèi)并燃燒，燃燒溫度達到1000℃以上(爆炸瞬間溫度為2500℃)，并維持了相當(dāng)長的時間。這種溫度可使混凝土碳化，強度和變形能力急劇下降。同時鋼結(jié)構(gòu)對于高溫的承受能力也較差，英國規(guī)范BS:5950Part8采用的對應(yīng)于不同溫度和應(yīng)變值的強度折減系數(shù)表明，在950℃，變形0.5％，折減系數(shù)僅為0.024。所以火災(zāi)對于建筑，特別是超高層建筑的影響是致命的。所以研究在某些情況下(如受到大型高速飛行物撞擊)，超高層建筑發(fā)生火災(zāi)后所表現(xiàn)的變形和非連續(xù)性坍塌以成為一個熱點問題。

目前對于建筑火災(zāi)模擬及建筑坍塌的研究主要有兩種方式，一是相似模擬，一是計算機模擬。相關(guān)的主要研究有：葉建的大空間鋼結(jié)構(gòu)整體抗火性能的數(shù)值研究；劉剛剛的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌破壞機理研究；朱杭的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)性能化防火設(shè)計方法與應(yīng)用；劉迎利等的數(shù)值模擬在建筑防火工程中的應(yīng)用；江曉峰等對建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌及其控制設(shè)計的研究現(xiàn)狀進行了綜述；顏敬等做了建筑結(jié)構(gòu)倒塌破壞的數(shù)值模擬方法綜述；陸新征等詳細的研究了高層建筑火災(zāi)倒塌過程，并取得了較大進展。Foster等采用數(shù)值方法研究了鋼筋混凝土局部受火子結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為；AliHM等以鋼結(jié)構(gòu)為主體的組合結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下進行了數(shù)值模擬。

上述研究在理論和實際應(yīng)用上取得了一些成績，但是相似實驗和基于連續(xù)性理論的火災(zāi)中超高層建筑坍塌模擬也存在著先天不足，特別是對于非連續(xù)性坍塌的研究。對于相似實驗，首先其實驗尺度對結(jié)果有著不可忽略的影響，模型不可能1:1建立。另外，模型的制作都相當(dāng)耗費人力、資金和時間。實際上為解決實驗問題，才使用模擬對難以制作的模型及難以模擬的現(xiàn)象(特別是火災(zāi))進行分析。對于計算機模擬，基于連續(xù)性的超高層建筑物坍塌研究在一定程度上不符合實際。對地震引起建筑物坍塌的研究，其TECS模擬是基于連續(xù)性理論的，只能模擬結(jié)構(gòu)失效后的變形破壞，即只能連續(xù)性倒伏，不能模擬實際中超高層建筑構(gòu)件的斷裂，破碎。另一方面火災(zāi)本身的模擬也值得研究，超高層建筑一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)。模擬火災(zāi)應(yīng)同時考慮混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的共同作用。綜上兩點，其得到的火災(zāi)中破壞坍塌過程一定程度上不符合實際的超高層建筑坍塌過程。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出使用基于顆粒流的PFC3D作為模擬平臺，建立超高層建筑核心筒-框架結(jié)構(gòu)。制定了考慮鋼筋和混凝土共同作用下的火災(zāi)區(qū)域結(jié)構(gòu)性質(zhì)設(shè)置方法和模擬步驟。設(shè)置了兩個火災(zāi)區(qū)域并進行了500℃～1600℃的火災(zāi)模擬。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種模擬高層建筑火災(zāi)的方法，其特征在于，為了解超高層建筑發(fā)生火災(zāi)后變形特征及失穩(wěn)后的非連續(xù)坍塌過程，了解其中影響變形和坍塌的原因，使用基于顆粒流的PFC3D作為模擬平臺，設(shè)置火災(zāi)區(qū)域并模擬坍塌過程，所構(gòu)建的超高層建筑為核心筒-框架結(jié)構(gòu)，提出火災(zāi)區(qū)域中構(gòu)件屬性設(shè)置方法及模擬步驟，其中考慮了鋼筋和混凝土共同作用的結(jié)果；其包括如下步驟：建筑基本模型構(gòu)建、火災(zāi)中混凝土結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建、火災(zāi)中鋼筋模型構(gòu)建、火災(zāi)溫場設(shè)置及模擬步驟；本發(fā)明可用于核心筒-框架結(jié)構(gòu)超高層建筑發(fā)生火災(zāi)后倒塌過程分析。

建筑基本模型構(gòu)建的原理是基于顆粒流理論，基于PFC3D的該超高層建筑構(gòu)造，設(shè)基本單元顆粒半徑R＝1m。

在建筑基本模型構(gòu)建時，核心筒在某種意義上是存在于建筑物中的增強體，其為建筑物整體提供了較大的強度和剛度，可以說是建筑物的支柱，為了體現(xiàn)其作用，增強空間剛度，將核心筒構(gòu)造成凈空和梁厚均為2m的單元，這樣設(shè)置的原因在于可體現(xiàn)空間剛度的增強，另一方面也減少了顆粒數(shù)量便于計算機模擬，與此同時將標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置為凈空4m，梁厚2m的單元，在滿足實際尺寸的同時也表示了標(biāo)準(zhǔn)層剛度相對較弱的特點。