大空间自然火灾温度场表征及其诱发下钢结构坍塌概率不确定性研究

Large space structures are widely used in large public, plants and storehouses. Structures are prone to collapse for poor fire resistance. Theoretical studies have proved that the temperature field of large space fire performs typical non-uniform distribution. The development process of the fire will be influenced by same probabilistic factors. These two characteristics bring uncertainty to the collapse risk assessment of steel structures..The project firstly discusses the evolution and distribution of non-uniform temperature field in large space fire by experiments and theoretical research. Based on the Monte Carlo simulation method using Latin hypercube sampling, the project discusses the uncertainty in the development of natural fire in large space. So establish thermal environment model of natural fire under the coupling of stochastic factors and non-uniform temperature field which could expand ‘temperature-time’ mathematics expressions into ‘temperature-time, space and probability’ expressions. On this basis, large span space pipe truss structure is taken as an example to study the influence of the coupling effect of fire stochastic factors and non-uniform temperature field on the collapse probability of steel structure. At last, a method is proposed to analyze the collapse risk of large space steel structure in natural fire which influenced by some stochastic factors and non-uniform temperature field..The project has theoretical value and practical significance for fire disaster management and fire emergency rescue.

城市公共建筑、厂库房多采用大空间钢结构，钢结构耐火性能差，容易发生火灾坍塌事故。研究表明，大空间自然火灾温度场具有非均匀分布特征，且火灾发展过程受诸多随机性因素影响，给钢结构坍塌风险带来了不确定性。.本项目采用理论结合试验方法研究大空间自然火灾非均匀温度场演化过程和分布规律。基于LHS抽样的Monte Carlo模拟方法，探讨自然火灾发展过程中的不确定性问题，建立随机性因素与非均匀温度场耦合作用下大空间自然火灾热环境模型，以期将传统火灾热环境模型中的"温度-时间"二维函数，扩展到"温度-时间、空间、概率"四维函数。在此基础上，以大跨度空间管桁架结构为例，研究火灾随机性因素与非均匀温度场耦合作用对钢结构坍塌概率的影响，提出随机性因素与非均匀温度场耦合作用下大空间钢结构坍塌概率不确定性分析方法，以评估真实自然火灾下大空间钢结构坍塌风险。.本项目对火灾灾害管理和应急救援具有理论价值和现实意义。

钢结构具有优良的力学性能，便捷的施工工艺，是建造现代建筑的理想选择。在2016年国务院颁发的《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中再次明确要求推广钢结构建筑体系，推动化解过剩产能，倡导绿色环保建筑。钢结构建筑形式已经成为我国十三五期间重点倡导的建筑结构形式。其中，大空间、大跨度钢结构以其优秀使用空间、良好的整体性能，已成为我国建筑发展的重要趋势，也已成为建筑结构科学研究的重要课题。 .然而，钢结构耐火性能较差，火灾时给人员疏散和消防扑救带来潜在风险。理论研究与实践证明，大空间建筑真实自然火灾温度场呈现非均匀分布特征，且火灾发展过程会受诸多不确定性因素的影响。然而，传统的钢结构火灾风险分析多基于确定火灾场景进行，忽略了真实自然火灾的不确定性问题。 .本研究报告研究了大空间建筑自然火灾发生、发展过程中的随机性因素及其概率分布函数，采用拉丁超立方抽样方法探究了火灾发展过程中确定性因素与随机性因素双重耦合作用过程，探讨了大空间自然受火钢结构非均匀温度场时空演化过程与概率分布，建立了基于大空间建筑火灾确定性和随机性的真实火灾下非均匀热环境概率模型。将传统火灾热环境模型中的"温度-时间"一维参数，扩展到了"温度-空间、时间、概率"四维参数，以此研究了自然火灾温度场不确定性问题。在此基础上，以大跨度钢框架结构为例，提出了多重随机性因素耦合作用下大空间受火钢结构坍塌概率分析方法，解决了大空间真实自然火灾诱发钢结构坍塌概率不确定性问题，以定量评估了自然火灾多重随机性因素耦合作用下大空间钢框架结构坍塌风险。 .本项目对钢结构抗火设计和消防应急救援等具有理论价值和现实意义。