鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)行為相似理論、試驗(yàn)方法及應(yīng)用研究

建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)以及建筑火災(zāi)發(fā)展是高度非線(xiàn)性過(guò)程，采用流體動(dòng)力學(xué)理論及有限元數(shù)值方法是目前可模擬此過(guò)程的有效方法，然而，由于建筑火災(zāi)自身的復(fù)雜性、火災(zāi)與結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性，以及缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，所以可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的模擬結(jié)果。另外，足尺火災(zāi)試驗(yàn)可以反映建筑結(jié)構(gòu)真實(shí)火災(zāi)行為，但其昂貴費(fèi)用以及試驗(yàn)室設(shè)備條件的限制，使得足尺試驗(yàn)方法難以普遍應(yīng)用，而采用結(jié)構(gòu)火災(zāi)縮尺模型試驗(yàn)方法可能為此提供一有效途徑。本項(xiàng)目以結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)相似理論與方法為研究目標(biāo)，以鋼結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，基于鋼結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)分析的火災(zāi)反應(yīng)相似條件及結(jié)構(gòu)幾何相似參數(shù)，研究了整體結(jié)構(gòu)以及室內(nèi)火災(zāi)相似模型與參數(shù)，建立了結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)相似理論與模型，并通過(guò)不同相似參數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)縮尺模型進(jìn)行縮尺火災(zāi)試驗(yàn)進(jìn)行分析與驗(yàn)證。 本項(xiàng)目的主要完成：1）采用場(chǎng)模型模擬軟件FDS 對(duì)不同控制參數(shù)的火災(zāi)場(chǎng)景分析統(tǒng)計(jì)不同縮尺模型的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律；2）通過(guò)對(duì)火場(chǎng)的相似理論以及結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)相似理論進(jìn)行研究，分別建立了火場(chǎng)及結(jié)構(gòu)的相似理論模型；3）采用縮尺模型試驗(yàn)驗(yàn)證了火場(chǎng)相似理論和結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)相似理論模型；4）建立了中柱初始破壞引起整體結(jié)構(gòu)倒塌的簡(jiǎn)化分析模型，并建立了基于能量的簡(jiǎn)化計(jì)算方法；5）建立了火場(chǎng)模型與結(jié)構(gòu)模型的聯(lián)合分析方法，提出了結(jié)構(gòu)火場(chǎng)的時(shí)空三維模型，并根據(jù)結(jié)構(gòu)中的梁柱構(gòu)件及樓板構(gòu)件建立了具體的溫度與熱對(duì)流邊界的時(shí)空三維模型。本項(xiàng)目的研究成果可以為研究建筑鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的縮尺試驗(yàn)方法以及結(jié)構(gòu)真實(shí)火災(zāi)反應(yīng)提供分析方法和參考依據(jù)。 2100433B

針對(duì)多高層鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全，通過(guò)整體結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)規(guī)律分析，提出了兩個(gè)能考慮整體高層結(jié)構(gòu)影響的子結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了相應(yīng)子結(jié)構(gòu)模型的耐火試驗(yàn)研究，提出了子結(jié)構(gòu)耐火極限的計(jì)算方法；結(jié)合精細(xì)化的數(shù)值方法，對(duì)考慮整體結(jié)構(gòu)影響的構(gòu)件耐火性能、局部火災(zāi)引起整體結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理及各種因素的影響規(guī)律等問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了基于子結(jié)構(gòu)模型的火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)破壞倒塌的簡(jiǎn)化分析方法。. 本項(xiàng)目擬進(jìn)一步以建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)相似理論為主要研究目標(biāo)，以鋼框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于鋼結(jié)構(gòu)幾何相似性以及結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)相似性，研究結(jié)構(gòu)模型與火災(zāi)模型的相似條件以及相關(guān)參數(shù)的相似規(guī)律，建立建筑結(jié)構(gòu)縮尺火災(zāi)試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)方法，并將相似理論與試驗(yàn)方法用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的耐火性能研究，從而推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展以及大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的耐火性能研究。

相似理論主要應(yīng)用于指導(dǎo)模型試驗(yàn)，確定“模型”與“原型”的相似程度、等級(jí)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相似理論不但成為物理模型試驗(yàn)的理論而繼續(xù)存在，而且進(jìn)一步擴(kuò)充其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，成為計(jì)算機(jī)“仿真”等領(lǐng)域的指導(dǎo)性理論之一。隨著“相似”概念日益擴(kuò)大，相似理論有從自然科學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到包括經(jīng)濟(jì)、社會(huì)科學(xué)以及思維科學(xué)和認(rèn)知哲學(xué)領(lǐng)域的趨勢(shì)。

相似理論從現(xiàn)象發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)部規(guī)律性(數(shù)理方程)和外部條件(定解條件)出發(fā)，以這些數(shù)理方程所固有的在量綱上的齊次性以及數(shù)理方程的正確性不受測(cè)量單位制選擇的影響等為大前提，通過(guò)線(xiàn)性變換等數(shù)學(xué)演繹手段而得到了自己的結(jié)論。相似理論的特點(diǎn)是高度的抽象性與寬廣的應(yīng)用性相結(jié)合，相似理論的內(nèi)容并不多，甚至不被當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的學(xué)科。相似理論是試驗(yàn)的理論，用以指導(dǎo)試驗(yàn)的根本布局問(wèn)題，它為模擬試驗(yàn)提供指導(dǎo)，尺度的縮小或放大，參數(shù)的提高或降低，介質(zhì)性能的改變等，目的在于以最低的成本和在最短的運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)摸清所研究模型的內(nèi)部規(guī)律性。相似理論在現(xiàn)代科技中的最主要價(jià)值在于它指導(dǎo)模型試驗(yàn)上。盡管相似理論本身是一個(gè)比較嚴(yán)密的數(shù)理邏輯體系，但是，一旦進(jìn)入實(shí)際的應(yīng)用課題，在很多情況下，不可能是很精確的。因?yàn)橄嗨评碚撍幚淼膯?wèn)題通常是極其復(fù)雜的。

相似第一定理：兩個(gè)相似的系統(tǒng)，單值條件相同，其相似判據(jù)的數(shù)值也相同。

相似第二定理：當(dāng)一現(xiàn)象由n個(gè)物理量的函數(shù)關(guān)系來(lái)表示，且這些物理量中含有m種基本量綱時(shí)，則能得到(n-m)個(gè)相似判據(jù)。

相似第三定理：凡具有同一特性的現(xiàn)象，當(dāng)單值條件(系統(tǒng)的幾何性質(zhì)、介質(zhì)的物理性質(zhì)、起始條件和邊界條件等)彼此相似，且由單值條件的物理量所組成的相似判據(jù)在數(shù)值上相等時(shí)，則這些現(xiàn)象必定相似。

這3條定理構(gòu)成了相似理論的核心內(nèi)容。相似第三定理明確了模型滿(mǎn)足什么條件、現(xiàn)象時(shí)才能相似，它是模型試驗(yàn)所必須遵循的法則。2100433B

(1)相似及相似常數(shù)

如果原型和模型相對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)及在時(shí)間上對(duì)應(yīng)的各瞬間的一切物理量成比例，則兩個(gè)系統(tǒng)相似。相似常數(shù)(也稱(chēng)為相似比、比尺、模擬比、相似系數(shù)等)是模型物理量同原型物理量之比。主要有幾何相似比、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、彈性模量、泊松比、邊界應(yīng)力、體積力、材料密度、容重相似比等。在這些相似常數(shù)中，長(zhǎng)度、時(shí)間、力所對(duì)應(yīng)的相似常數(shù)稱(chēng)為基本相似常數(shù)。

(2)相似指標(biāo)及相似判據(jù)

模型和原型中的相似常數(shù)之間的關(guān)系式稱(chēng)為相似指標(biāo)。若兩者相似，則相似指標(biāo)為1。由相似指標(biāo)導(dǎo)出的無(wú)量綱量群稱(chēng)為相似判據(jù)。

(3)同類(lèi)物理現(xiàn)象

具有相同的物理內(nèi)容，并能用同一微分方程描述的物理現(xiàn)象。如果兩個(gè)物理現(xiàn)象的微分方程的形式一樣，但物理內(nèi)容不同，就不是同類(lèi)物理現(xiàn)象。

(4)時(shí)間對(duì)應(yīng)點(diǎn)

是指從起始時(shí)刻起，具有 的瞬時(shí)，不是從起始時(shí)刻起具有相同時(shí)間的點(diǎn)。

(5)空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)

顯然只有幾何相似的體系才具有空間對(duì)應(yīng)點(diǎn)，它是物理現(xiàn)象相似的前提。