一種梁柱式木結構框架整體抗火性能的分析系統及分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明是一種土木工程技術領域的梁柱式木結構框架抗火的設計方法，具體來 說，是以數值模擬手段，解決梁柱式木結構框架受火問題，為實際木結構防火設計提供幫 助。
【背景技術】
[0002] 隨著近來林業資源的發展和廣泛應用，國內學者開始對我國常用樹種的抗火性能 進行研究探索。木材是纖維素、半纖維素和木質素等多種高分子有機物、水和無機鹽等無機 物組成的混合物，其與其他建筑材料相比，最主要的缺點是易燃，木材一旦燃燒，釋放出大 量的熱量加速火災的發展，造成更大的人員傷亡和財產損失。
[0003] 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，因而不能準確模擬分析結構的火災反應。
[0004] 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.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，該方法與本發明方法技術要點 比較不同之處在于：
[0005] (1H03886161A所述發明主要是針對鋼結構抗火設計，本發明主要著重于解決梁 柱式木結構框架整體抗火性能的計算和分析，其目標、流程和性能均不同。
[0006] (2H03886161A所述發明主要是采用面向對象式高級語言Visual Basic開發了一 套鋼結構抗火專家系統(ESSFF)，本發明主要采用Python語言將火災計算、傳熱分析和結構 計算集成于統一計算環境，針對梁柱式木結構框架抗火進行研究分析，整個計算分析過程 簡潔便利。
【發明內容】
[0007] 發明目的：針對現有研究技術的缺陷，本發明提供一種梁柱式木結構框架整體抗 火性能分析的分析系統及分析方法。考慮實際火災發展的影響，以整體結構為對象，采用標 準化設計流程，實現經濟可靠的木結構防火設計方案。該發明可以減少足尺試驗的高成本， 提高分析效率。
[0008] 技術方案：
[0009] -種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：
[0010] 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；
[0011] 結構內部有限元傳熱分析模塊，用于獲取在所述實際火災模擬模塊生成的模擬火 災工況下木結構的內部溫度分布；
[0012] 結構場有限元分析計算模塊，用于對所述木結構進行加載從而獲得結構變形及損 傷。
[0013] 本發明分析系統還包括：
[0014] 可視化模塊，用于將所述結構場有限元分析計算模塊獲得的結構變形及損傷可視 化。
[0015] -種梁柱式木結構框架整體抗火性能的分析方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0016] 步驟一、在有限元分析軟件ABAQUS中建立梁柱式木結構框架溫度場和結構場模 型，其中溫度場根據傳熱學原理和木材熱傳導率、密度和比熱隨著溫度升高而減小的熱工 性能建立相關材料屬性，確定受火面，設定相關熱輻射系數;結構場根據有限元理論建立有 限元模型；
[0017] 步驟二、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；
[0018] 步驟三、根據設定的火災工況，結合已建立的梁柱式木結構框架溫度場模型，采用 火災模擬軟件建立火災模擬模型，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；
[0019] 步驟四、對木結構進行熱-結構耦合有限元分析:將上述時變空間的溫度場計算結 果作為熱邊界條件代入到溫度場計算中，通過有限元模擬軟件的傳熱分析，得到梁柱式木 結構框架內部溫度場分布結果以及各有限元單元節點的溫度結果；
[0020] 步驟五、將已獲得的梁柱式木結構框架內部溫度場計算結果代入到結構場模型 中，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 形及損傷的結構場響應。
[0021] 還包括步驟六、實現結構變形及損傷的可視化:在有限元分析軟件ABAQUS中編制 可視化程序，并導入步驟五計算出的結構場計算結果，實現火災過程中梁柱式木結構框架 的變形及損傷可視化過程。
[0022]所述梁柱式木結構框架溫度場模型在有限元軟件ABAQUS中使用DC3D8單元;所述 梁柱式木結構框架溫度場模型在有限元軟件ABAQUS中選用實體單元C3D8R建立。
[0023]可視化程序根據有限元計算結果實現:有限元軟件ABAQUS提供Python接口，通過 編制的Python程序，導入odbAccess模塊提取出有限元結構分析中指定迭代步的計算結果， 將結果導出為TXT文檔格式后，再編制讀取該數據的Python程序將其導入到寫好的基于 0PENGL可視化程序中，即可實現梁柱式木結構框架受火過程中的變形及損傷可視化。
[0024]本發明梁柱式木結構框架整體抗火性能分析的研究分析方法，包括以下部分： [0025] 一、在有限元分析軟件ABAQUS中建立梁柱式木結構框架溫度場和結構場模型，其 中溫度場根據傳熱學原理和木材熱傳導率、密度和比熱隨著溫度升高而減小的熱工性能建 立相關材料屬性，確定受火面，設定相關熱輻射系數;結構場根據有限元理論建立有限元模 型，并使用FORTRAN編譯的木材本構模型子程序；
[0026]二、根據實際情況設定火源位置、可燃物數量、熱釋放速率、開洞數量及大小，確定 火災工況；
[0027]三、根據一中有限元模型，使用Python程序生成火災模擬軟件FDS輸入文件，建立 火災實體模擬模型，并調用ros求解器計算火災區域內結構表面時變空間溫度場，得到結果 表面升溫曲線；
[0028]四、進行熱-結構耦合計算:首先在Python程序中調用已計算求得的時變空間溫度 場結果數據并將其設為熱邊界條件，生成ABAQUS熱分析初始文件，調用ABAQUS求解器計算 梁柱式木結構框架內部溫度場分布結果;根據已獲得的結構體系有限元溫度場數據生成結 構分析初始文件，調用ABAQUS求解器計算梁柱式木結構框架在常規荷載和溫度荷載作用下 的結構響應。
[0029]五、進行火災作用下結構變形過程的可視化：依然在已編譯的Python程序中讀取 結構響應結果數據，將指定分析步的結構變形和單元損傷數據以文檔格式保存，通過 Python中的0PENGL程序讀取相應數據，使用雙緩沖技術實現結構變形及損傷單元從初始化 到最終結果的可視化過程。
[0030] 六、進行結構抗火的力學性能檢驗:根據可視化變形過程結構變形及損傷失效單 元的數量判斷結構梁柱式木結構框架破壞部位及是否倒塌。
[0031] 以下是對本發明具體實施步驟作進一步詳細說明：
[0032] (1)本發明使用Python編制的程序執行結構抗火分析，有限元模型、火災模擬模型 及其運算求解，分析數據處理及可視化實現