火灾下匀质防火保护钢构件温度计算(I)：理论与公式

介绍了火灾下有匀质防火层保护的钢构件温度计算的一维传热模型。给出了求解该模型的相关边界条件和假定,并给出求解该一维传热模型在不同边界条件下的解。通过分析三种典型防火材料保护下、截面系数不同的三种截面的升温,比较了由我国规范CECS200、欧洲规范、欧钢协标准、美国规范及其他学者推荐的方法得到的结果,并对照有限元结果,考察了不同计算方法的有效性。结果表明,CECS200与国外规范给出的结果符合良好且略微偏高。通过计算典型截面在不同耐火极限要求下的最小保护层厚度,比较了各国规范的设计结果。结果显示,由不同规范推荐的公式计算得到的最小保护层厚度相差不大。CECS200计算的最小保护层厚度与国外规范一致,与欧洲规范得到的结果基本相同。研究表明,在标准火灾环境中我国规范给出的方法合理有效且形式简单便于工程运用。     

火灾下匀质防火保护钢构件温度计算(II)：实际火灾环境计算

目前各国规范给出的计算火灾下有匀质防火保护的钢构件温度的公式都是基于标准火灾环境得到。标准火灾只包含升温段而实际火灾包括升温段和降温段。考察了将现有公式用于实际火灾环境计算的有效性。通过工况分析,考察了不同火灾、不同厚度、不同截面和不同防火涂料情形下的钢材温度。通过与有限元分析的结果比较,我国规范推荐的公式给出的钢材温度与有限元结果符合最好。研究同时表明欧洲规范中使用的避免升温早期负钢材温度增量的方法,即升温段当计算得到的钢材温度为负值时取增量为0,会引起最高钢材温度和降温段钢材温度的偏高,不适用于实际火灾环境计算。综合而言,我国规范最适用于实际火灾环境计算。     

钢筋混凝土梁桥火灾高温安全评价

综合考虑火灾高温下影响钢筋混凝土结构性能的参数,利用数值模拟程序分析火灾高温下钢筋混凝土矩形截面梁的温度分布,研究了保护层厚度对ISO 834标准火灾升温过程中钢筋混凝土矩形截面梁极限弯矩的时变效应规律.在此基础上,建立了钢筋混凝土梁桥火灾高温安全评价模型,提供了相应的计算方法,分析了不同温度下钢筋和混凝土的弹性模量损伤度及强度损伤度,对火灾高温下不同时间钢筋混凝土梁桥安全指标实现了量化归类.结果表明:在火灾高温作用下混凝土弹性模量比其相应强度更容易损伤,损伤速率大;火灾时间和保护层厚度对钢筋混凝土梁极限弯矩和安全等级有较大影响;火灾高温超过40 min后,梁的极限弯矩直线下降,100 min左右,可达严重损伤;钢筋混凝土梁极限弯矩随保护层厚度的增加呈线性递增关系;提高混凝土保护层厚度,可有效提高火灾场钢筋混凝土梁的耐火极限和安全等级.     

火灾下钢管混凝土柱的耐火极限有限元分析

为研究将轻骨料混凝土作为防火保护层对钢管混凝土柱耐火极限的影响以及保护层厚度实用计算方法,采用有限元方法确定高温下钢管混凝土柱的温度场,通过ABAQUS有限元软件建立钢管混凝土柱的耐火极限模型,分析各参数对构件耐火极限的影响程度,基于数值模拟计算结果,给出在火灾下钢管混凝土柱在工程常用范围内的抗火实用计算公式,将计算结...     

传热子模型对火灾网络模型的求解精度与速度的影响研究

分析半无限大物体的传热过程,提出线性化的传热计算方法并编制了计算子程序,将子程序嵌入传热子模型为有限厚墙体的《高层建筑火灾烟流运动特性预测软件》,利用实例分析比较了两种传热计算方法对火灾网络模型求解精度和求解速度的影响。计算结果表明对3个节点的简单建筑,半无限大传热子模型与有限厚模型的室温计算最大偏差不超过5%,而计算机耗时约减少了1/3。该研究的结论对《高层建筑火灾烟流运动特性预测软件》的进一步完善和成熟及其市场化具有重要的推动作用。     

预应力预制叠合楼板耐火性能参数分析

在合理选择混凝土和预应力筋材料的热工参数、高温力学参数的基础上,采用有限元分析软件ABAQUS建立底面受火的预应力预制叠合楼板的高温热力学模型,计算结果得到已有试验结果的验证。对影响预应力预制叠合楼板高温力学性能的各参数进行有限元分析,结果表明:荷载水平和耐火保护层厚度对叠合楼板耐火性能的影响显著,混凝土强度、预应力筋截面配筋率等参数对叠合楼板的耐火性能影响较小,可以忽略不计;耐火保护层厚度一定时,叠合楼板的耐火极限随荷载水平的提高而降低;荷载水平一定时,叠合楼板的耐火极限随耐火保护层厚度的增加呈非线性提高。在ISO-834标准火灾作用下,叠合楼板跨中挠度变化率速率大于L2/(9000d)可作为其达到耐火极限的判别标准。选取荷载水平、混凝土保护层厚度两个重要影响参数进行分析,提出了叠合楼板的耐火极限取值建议,为预应力预制叠合楼板的抗火设计提供技术参考。     

扬沸火灾发生时间预测模型的建立与应用分析

原油储罐扬沸火灾由池火灾发展而成,是一种危害性极大的事故.准确预测扬沸事故发生的时间,是扬沸机理研究中的难题之一.现有扬沸时间计算的通用模型由于没有考虑油品的粘性作用,计算结果误差较大.把扬沸火灾简化为无内热源的非稳态传热问题,在此基础上进行传热分析,进而推导出扬沸事故时间计算模型.设定了6组不同尺寸和不同充装水平的原油储罐池火灾,利用推导模型计算出了相应的扬沸事故发生时间.将计算结果与通用模型计算结果以及实验结果进行对比:该模型的准确性由于通用模型,计算结果与实验值误差较小,较为合理.研究结果对于扬沸火灾事故下消防人员的灭火救援的安全保障具有重要意义.     

火灾下大空间结构温度场的数值模拟分析

大空间结构近年来在我国得到了迅速的发展,然而,我国原有防火规范常常无法满足该类结构防火设计的需要。目前性能化设计方法是防火研究领域的发展趋势,而结构内部温度场的准确计算与否是其中非常关键的重要环节。笔者利用流体动力学计算软件FLUENT对不同火灾曲线和火源功率下,典型尺寸模型的温度场随时间与空间的分布情况进行了计算模拟,并与我国《钢结构防火技术规程》(征求意见稿)中近似公式计算结果相对比,同时对规范中未规定的火源功率可否使用已知值采用线性插值方法求解进行了讨论,并深入分析了此简化计算公式存在的局限性。     

建筑火灾场模拟计算中的求解区域的确定——建筑防火性能化设计的若干问题探讨

建筑火灾的计算机模拟是建筑防火性能化设计的重要组成部分,场模拟是建筑火灾计算机模拟的主要方法之一。在建筑火灾计算机模拟过程中求解区域的取法将直接影响计算结果的合理性,求解区域的选择涉及边界条件的处理,本文通过对求解区域选取的举例说明和探讨,以求科学地认识和理解其在火灾计算机模拟过程中的重要性。     

基于模糊保护层的池火灾事故风险分析

为计算引发池火灾事故的风险值,提高事故风险的量化水平,判断现有风险控制措施是否满足风险容忍度的要求,为制定减缓风险措施提供依据,给出了新的池火灾风险评估模型。基于传统的保护层分析模型(LOPA),结合模糊集合理论,引入模糊风险矩阵进行风险评估,构建适用于引发池火灾事故的模糊保护层(fL OPA)风险分析模型。该模型的特点是将模糊逻辑和保护层分析结合,减少了传统保护层分析方法计算过程中的不确定性因素,引入严重度减少指数(SRI)概念,使严重度计算、风险评估更加准确。运用该模型对原油储罐泄漏池火灾事故风险进行分析,给出风险决策方案,判断现有保护措施是否能控制风险在可容忍范围内,实例验证了模型的可行性。     

钢筋混凝土构件的最小隔火厚度

为了正确评估钢筋混凝土构件在实际火灾中的隔火作用,以一般室内火灾轰燃后的房间平均温度-时间曲线为升温曲线,以热传导理论为基础,以钢筋混凝土隔火构件的背火面的最高温度恰好达到220℃为判定准则,用数值计算方法给出钢筋混凝土隔火构件的最小厚度,并用最小二乘法导出其计算公式.火灾房间火灾荷载越大,开口因子越小,最小隔火厚度越大;反之越小.该文所给最小厚度可用于钢筋混凝土分隔构件的性能化耐火设计与评估:当火灾荷载密度较大,开口因子较小时加大构件的厚度以获得安全性,反之,减小厚度以获得经济性.     

比较FDS和FLUENT在池火灾模拟中的应用

热辐射是池火灾燃烧的主要危害之一,可能导致人员伤亡或设备设施损坏。油罐火灾是典型的池火灾。本文通过对无风情况下油罐火灾火焰形状进行理论模型分析,建立了各自的物理模型和几何模型。应用计算流体动力学软件Fluent和火灾动力学模拟软件FDS,对无风情况下池火灾对周围大气环境的热辐射强度进行模拟,得到了火焰周围入射热流密度分布图,运用软件Statistica拟合得出热辐射强度与距离火焰中心的水平距离的对应关系,分别计算出轻伤半径区域下的最小安全距离。数值模型模拟结果与池火灾经验模型进行比较,发现FDS辐射强度结果与经验模型结果吻合较好。分析了利用这两种模型模拟油罐火灾各自的优点和缺点,最后提出了运用FDS软件模型模拟油罐火灾时的优势。     

池火灾热辐射的数值研究

通过列举储罐火灾事故,提出对池火灾进行研究的重要性。介绍目前池火灾国内外的研究现状及发展情况,描述池火灾燃烧特征和模型。应用化学流体力学基本定律,建立了描述池火灾过程的基本控制方程组,并根据适当的条件选择辐射模型。建立物理模型,做出合理假设,确定初始和边界条件,对池火灾热辐射过程进行数值模拟,得出火焰周围入射热流密度分布图,计算出相邻两罐之间的最小安全距离,应用于工程实际中,给防火间距的制定提供理论依据,计算结果定性合理。     

建筑大空间火灾模拟及升温计算简单公式

钢结构经常用于建筑大空间环境。因为使用和功能要求,建筑大空间内通常无法设置防火墙来阻止火灾的水平传播,而是通过设置燃烧岛、防火舱及防火隔离带等措施将可燃物限制在一定区域内。大空间内可能的火灾为区域火灾。给出了模拟大空间火灾的理论模型和升温计算简单公式。公式基于火羽流相关理论,并引入工程相关常数得到。通过工况分析,考察了两种不同火灾场景,公式的计算结果与场模拟软件FDS结果进行了比较,二者符合良好。所给出的公式形式简单,式中参数的物理意义明确,推荐用于实际工程计算。     

中庭火灾烟气流动数值模拟

根据中庭火灾特点 提出了考虑辐射换热损失和壁面传热损失、不考虑燃烧过程、视火焰为体积热源,浮升力作用下火灾烟气湍流流动的场模型,并将辐射换热损失计人壁面传热损失,简化辐射换热模型计算,运用该场模型对中庭模型实验装置火灾烟气流动进行了数值模拟,采用通用软件PHOENICS进行数值计算,研究表明,数值模拟结果与中庭模型实验装置火灾试验结果吻合;以热源模拟火焰的方法对分析中庭火灾烟流发展规律可行。     

原油储罐火灾扬沸形成时间预测模型研究

扬沸火灾是一种突变性火害现象,其发生能导致巨大的人员伤亡和财产损失,其形成时间预测问题一直备受关注。根据能量守恒定律,把原油层内的热量传递看作无内热源、常物性的非稳态传热问题,建晓热量传递模型,通过预测油层内的温度分布,结合小尺度油罐扬沸火灾实验结果,推导出扬沸形成时间预测模型。并对其可靠性进行了案例验证,结果表明模型准确,误筹较小。实验发现随着罐径的增大,水层厚度对扬沸形成时间的影响逐渐减小。通过预测模型计算得到：扬沸形成时间与初始油层厚度和罐径的比值存在正比例关系。     

化工园区保护层研究

基于保护层分析(LOPA)的理论,对原油储罐一典型的独立保护层进行了分析,计算了保护层下油罐事故概率。分析现有保护层的效果,为构建化工园区典型危险源消防能力的保护层设施提供优化决策模型,给出化工园区消防安全的风险决策过程及相关改进建议。     

森林火灾地面扑救的最佳路线的计算

建立了森林火灾地面扑救方式(直接扑救、间接扑救和平行扑救)的最佳扑救路线的数学模型,设计了模型的计算机数值求解算法。给出了匀速扩张的椭圆形火场的一个算例,从其计算结果中导出的一些实用的结论与以往用解析方法得到的结论是一致的,以此初步验证了模型的有效性。     

油罐火灾沸溢发生时间预测模型

油罐火灾发生沸溢具有很大的危险性,而沸溢时间的准确预测是目前的一个技术难题。笔者结合宽沸程油品油罐火灾沸溢实验,对油层内部传热过程进行详细分析,认为油罐火灾沸溢事故可近似地看作一无内热源、常物性的非稳态传热问题,其过程包含油水界面不参与换热和参与换热的两个阶段。建立了油罐火灾沸溢发生时间预测模型,对两个不同阶段,分别进行理论分析和数值方法进行求解,并同实验数据对比。结论可信,误差较小,为沸溢机理探讨研究和油罐沸溢火灾的扑救提供了参考依据。计算表明:燃烧速度和油罐底部水层厚度对沸溢时间的影响很大,而降低罐壁温度并不能有效地延迟沸溢的发生。     

近距离上保护层开采最小安全岩柱厚度研究

运用岩石力学知识和数值模拟方法,分析近距离保护层矩形掘进巷道周边的应力分布规律以及巷道塑性区范围的确定方法,并结合平煤集团五矿的保护层开采条件,利用FLAC数值计算程序对该矿近距离上保护层掘进期间不同岩柱厚度条件下的保护层底板塑性破坏范围进行数值模拟,在此基础上,提出合理确定保护层底板安全岩柱厚度的方法,现场观测结果表明,理论计算与数值模拟结果比较吻合,符合生产实际。