建筑物火灾数值再现及其损伤评估研究NumericalRec

6thOAPSWorkingPaperSeriesPaperNo.2009-003Website:，尤鑫，秦宝星，翁仁荣，宋琳ShaoXiaolin,YouXin,QinBaoxing,WengRenrong,SongLin机械与动力工程学院SchoolofMechanicalandPowerEngineering摘要火灾是发生频率昀高的灾害之一，给社会造成了巨大损失，特别是造成了人员的重大伤亡。关于火灾的调查研究也越来越受到社会的关注。目前国内外的火灾调查分析方法不胜枚举。本文以洗衣店火灾的实际案例为对象，通过现场调查获取的信息建立模型，分别以电视机、沙发和电瓶车为火源，运用FDS软件进行火灾过程的模拟仿真，并通过设置相关的测量平面和测量点，对火灾过程数据采样，并利用输出的结果和现场情况比对分析，判断模拟的真实程度和昀可能的起火点。昀后以此起火点为基础，试探性地使用有限元分析软件ANSYS对火灾现场承重结构进行热-应力耦合场分析，以此作为损伤评估的重要参考标准。关键词：火灾模拟，对比分析，损伤评估AbstractFireisoneofthemostfrequentlyhappeningaccidents,whichusuallyresultsintremendousdamagetothewholesociety,especiallythegreatlossoflives.Thereforethereisanincreasingconcernabouttheinvestigationoffire.Variousmethodsoffireinvestigationandanalysishavebeendevelopedindomesticandinternationalrelatedarea.Thisdisquisitionfocusesonanfireoccurringintheclotheswashingshop.Withtheinformationgatheredinthelocaleafterfire,buildthemodeloftheshop.Onbasethatthefirestartedfromthetelevision,sofa,andelectricbicycle,usethesoftwareFDStosimulatetheprocessofthefirerespectively,andwiththehelpofthetemperaturecontouringplaneandthemeasuringpointssampling,itispossibletocontrasttheoutputofthesimulationwiththerealcasetojudgetherealityofthesimulationandthemostpossibleoriginoffire.UsefiniteelementanalysissoftwareANSYStoanalyzeloadbearingstructureatfiresiteunderthermal-stresscoupledfieldaccordingtothismostpossibleoriginoffire.Thefinalresultcanbeanimportantcriterionofdamageassessment.Keywords:FireSimulation,ContrastandAnalysis,DamageAssessment6thOAPSWorkingPaperSeries建筑物火灾数值再现及其损伤评估研究(NumericalReconstructionofTheBuildingFireandItsDamageAssessment)上海交通大学SJTU21引言1.1研究背景“钻木取火”使人类告别了茹毛饮血的时代，是人类文明史上一次划时代的飞跃。正是由于对火的掌握，人类文明才得以发展到今天的水平；然而，同样是由于对火的掌握，却也给人类历史留下无数惨痛的记忆。火灾是昀具毁灭性且发生昀频繁的灾害之一,其直接损失仅次于干旱和洪涝,而发生的频度则居各灾种之首。与此同时，火灾对国民经济和生态环境造成更为巨大的间接影响。随着人类社会的发展，火灾造成的损失和火灾影响的范围都呈上升趋势[1]。据联合国“世界火灾统计中心”有关资料显示，全世界每天发生火灾1万多起，造成数百人死亡。近几年来，我国每年发生火灾约4万起，死2000多人，伤3000—4000人，每年火灾造成直接财产损失10多亿元[2]。其中，建筑物火灾占很大比例。据我国公安部消防局2009年1月份发布的《2008年全国火灾统计情况》，2008年农村和县城集镇共发生火灾7.5万起，死亡923人，受伤349人，直接财产损失7.4亿元，与上年相比，直接财产损失上升22%，其中火灾起数和死亡人数分别占城乡火灾总数的57%和67%。城市共发生火灾4.9万起，死亡433人，受伤317人，直接财产损失5.8亿元，与上年相比，直接财产损失上升81%。从城乡火灾的场所分布情况看，住宅和人员密集场所火灾亡人相对集中。其中，村民、居民住宅共发生火灾5.2万起，死亡968人，受伤325人，直接财产损失2.4亿元，虽然火灾起数仅占总数的39%，但亡人占总数的70%。商场市场、宾馆饭店、娱乐场所、交通枢纽、学校医院、养老敬老院等人员密集场所共发生火灾15831起，死亡238人，受伤176人，直接财产损失5.2亿元，火灾起数和死亡人数分别占总数的12%和17%。其中，商场市场和仓储场所等建筑物火灾损失增加，是我国全年火灾损失上升的主要原因。商场市场火灾损失大、增幅高，损失总数为4.5亿元，同比增加了2.8亿元，上升172%；库房堆场仓储场所火灾损失2.2亿元，同比增加7711万元，上升53%；此外，居民住宅火灾损失增加2334万元[3]。这些触目惊心的数据表明我国的火灾形势越来越严峻，而这也正是促进火灾相关科学研究蓬勃发展的主要原因。在这些研究中，火灾调查研究已经成为火灾研究领域里一个不可或缺的环节。随着人民群众法律意识的提高和自我保护意识的增强,社会各界对火灾原因调查越来越关注,要求也越来越高[4]1.2国内外建筑物火灾事故调查研究现状火灾事故调查的目的就是要调查、认定火灾发生的原因，核定火灾损失，查明火灾事故责任，依法处理责任者；并总结消防工作中的经验教训，提出预防对策，减少和避免同类火灾事故重复发生[5]。火灾调查研究一般分为四个方面，即调查询问，现场勘查，技术鉴定和模拟实验[4]。邵骁麟等（ShaoXiaolinetc.）机械与动力工程学院(SchoolofMechanicalandPowerEngineering)火灾过程的模拟研究通常使用区域模拟，在一定程度上兼顾了可靠性和经济性。但由于区域模拟的局限性，从中发展出另一种模拟方法，即场模拟。场模拟是利用计算机求解火灾过程中状态参数的空间分布及其随时间变化的模拟方式。场是指状态参数速度、温度等随时间变化的空间分布。场模拟的理论依据是自然界普遍成立的质量守恒、能量守恒以及化学反应定律等。火灾过程中状态参数的变化也遵循这些规律。场模拟可以给出火灾过程变化的细节[6]。目前，火灾事故调查基本上采用经验、半经验的方法。为了获得火灾过程当中的相关实验参数,传统实验方法是采用实体的尺寸实验来对火灾特点进行研究和预测,得到的数据一般比较准确。但由于现代建筑的大型化,如果采用此类方法显然不实际和不经济,实用性不强。随着计算机硬件的发展和相关学科的进步，应用计算机技术模拟火灾并做相关设计得到了较快的发展。由于它具有投入小、周期短的特点,可以和比例模型实验互为补充,目前被越来越多地应用于实际工程中[7]。计算机模拟技术作为一种先进的手段可以较为真实地重现火灾过程，正在逐步成为火灾调查的一种有力工具[8]。例如运用计算机的虚拟现实技术，生成逼真的建筑三维实景图，生动再现建筑物整体概貌和一些基本的数据，从而进行更合理的逃生系统设计[9]。现在应用到火灾模拟的软件主要有PHOENICS、FLUENT以及FDS[10]。.其中，FDS（FireDynamicsSimulator）是美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的一种火灾动力学场模拟软件。该软件用于预测在拟定的昀不利因素下所导致的火灾环境。它包含FDS和SomkerView两部分。FDS是软件的主体部分,主要完成模拟场景的构建和计算,而SomkerView是FDS计算结果后处理程序,它既能处理动态数据也能显示静态数据,并将这些数据以二维或三维形式显现出来。FDS的参数输入包括:建筑物尺寸、空间环境温度、建筑物内物品的燃烧特性及其尺寸、烟气的特性、搜集数据所需的时间、模拟时空间网格划分;设计火灾等[11]。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。FDS旨在解决消防工作中的实际问题，同时也可以为火灾科学的理论研究作指导。进行FDS模拟是为了得到一系列有关烟雾、温度、毒气等相关参数，它的计算结果二维数据随时间变化的数据输出格式为OfficeExcel程序格式,可以通过各种数据处理软件进行处理。三维图形直接通过SomkerView的程序进行处理,并可得到动画效果短片[12]。另外，一些新颖的理论也在不断出现。例如，借助火灾发生、发展和蔓延在行为人大脑中留下的信息展开心里痕迹分析从而辅助火灾调查研究的理论[13]。利用具有离散数学模型框架特征的元胞自动机作为逃生模型，并以计算机虚拟可视技术设计逃生系统[14]。总之，建筑物火灾的调查研究是一个值得探索的广阔领域，与之相关的技术方法必将随着时间的推移和科学的进步得到更深更广的拓展。另一个值得关注的领域便是关于火灾建筑物损伤的评估。火灾后的建筑物是否还有6thOAPSWorkingPaperSeries建筑物火灾数值再现及其损伤评估研究(NumericalReconstructionofTheBuildingFireandItsDamageAssessment)上海交通大学SJTU4修复价值以及如何修复,是灾后人们昀关注的问题[15]。众所周知,火灾对建筑结构的破坏是极其严重的，即使在火灾中，结构没有失效、倒塌，但肯定要受到损伤，承载力有不同程度的降低。火灾后如何准确而迅速地鉴定评估其损伤程度，并据此确保修复工程的可靠性和经济性，使之尽可能降低损失，尽快恢复使用，是工程实践中亟待解决的首要任务，也是防灾减灾的重要组成部分[16]。火灾建筑物损伤评估研究始于20世纪50年代。随着现代建筑的发展，建筑物发生火灾后的损伤评估与修复显得越来越重要。建筑结构遭受火灾后，除查明起火原因外，还必须对结构的受损情况进行详细的检查、分析和研究，弄清火灾规模的大小和范围，结构受损部位和损伤程度，推定火灾温度和持续时间，根据火场各处温度，分析火灾时和火灾后结构的状况，对结构损伤程度提出正确评估，以便确定结构的修复加固方案，保证结构的安全和正常使用[16]。由于现今大多数建筑都采用钢筋混凝土结构，因此对钢筋混凝土的损伤评估变得尤为重要。迄今国际范围内关于钢筋混凝土结构火灾损伤的鉴定和评估尚缺乏科学的理论体系指导，混凝土结构物火灾损伤程度鉴定基本是依据工程技术人员现场考察，根据经验评判。这不仅缺乏严格的科学依据，而且可能由于经验的局限性导致在修复工程中造成浪费。另外，准确迅速地检测评估结构损伤程度是目前急待解决的实际问题，开发和应用适合现场使用的快速而又准确的检测设备，探索和研究火灾混凝土结构无损检测的新方法，研究并建立科学系统的损伤评估理论和方法,使损伤诊断和评估逐渐从定性判别向定量分析发展，使损伤科学，是火灾混凝土结构损伤检测与评估的重