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火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 摘要 海洋平台是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地。基 于海洋平台整体的抗火研究，能够有效地利用结构构件间的联系，分析平台结构的抗 火能力，最终达到节约钢材，节省建设成本的目的。本文以平台结构的抗火性能为研 究目标，以c i i 海洋平台为研究对象，较为系统地对油罐火灾和波浪力联合作用下平 台的整体响应过程及响应机理进行了分析和研究。 火灾燃烧研究是结构抗火的前提。本文介绍了火灾燃烧的特性以及海洋平台的火 灾特点，分析火灾发生时钢结构海洋平台的温度场和结构响应。根据油罐火灾的燃烧 特点，以油品表面热反馈的能量平衡为依据，建立油罐火灾燃烧过程的通用模型，通 过迭代方法，计算得到质量燃烧速度。在m u d a n 模型的基础上，建立着火油罐稳定燃 烧时的热辐射模型，基于能量守恒原理，计算油罐周围辐射热流的水平和垂直分布， 得到平台结构温度随时间的变化模型，分析得到受火区域构件的温度场。根据c u 海 洋平台的有限元模型，应用温度升高时钢材的非线性应力一应变关系，通 过a n s y s 有 限元模拟，计算海洋平台结构在温度、波浪力和风荷载作用下的响应。火灾发生时， 平台结构构件的温度逐渐升高，由于钢材的弹性模量和屈服强度都急剧下降，使平台 结构的承载能力下降。研究表明，对于a ) 畦腿附近着火的c i i 平台，东北方向波浪力 比西南方向波浪力具有更大的破坏作用，考虑方向周期改变的波浪力比恒定的波浪力 更有破坏性。本文的研究方法和技术路线对海洋平台结构的抗火研究具有实际参考价 值。 关键词：火灾载荷；海洋平台；结构响应；着火油罐；火焰辐射 s t u d yo nc a r r y in gc a p a cit ya s s e s s m e n tf o rci i o f f s h o r epla t f o r ms u b je c t e dt ofir e a b s t r a c t a st h eb a s i ce q u i p m e n to ft h ee x p l o i t a t i o no fo f f s h o r eo i l ，g a sr e s o u r c e sa n dt h eb a s e o ft h ew o r ka n dl i v i n ga tt h es e a , a no f f s h o r ep l a t f o r mi sp l a y i n ga l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t r o l ei np e t r o l e u mi n d u s t r i e s a s s e s s m e n t - b a s e do ng l o b a lo f f s h o r ep l a t f o r ms t r u c t u r eu n d e r f i r eh a z a r dc a nh e l pu st os a v em u c hm o r es t e e lm a t e r i a la n dc o n s t r u c t i o nc o s tb yu t i l i z i n g t h es t r u c t u r a li n t e r a c t i o ne f f e c tb e t w e e nm e m b e r sm o r ee f f e c t i v e l y , a n da n a l y z i n g f i r e r e s i s t a n c ea b i l i t yo fs t e e lp l a t f o r m i n0 r d e rt oi n v e s t i g a t et h et o t a lf i r e - r e s i s t a n c e c a p a b i l i t yo fp l a t f o r ms t r u c t u r e ，c i io f f s h o r ep l a t f o r mi sa p p l i e dt oc a l t yo u tg l o b a l s t r u c t u r a lr e s p o n s ea n a l y s i su n d e ri r r e g u l a rw a v ea n do i lt a n kf i r ei nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ef i r ec o m b u s t i o na n a l y s i si s p r e c o n d i t i o nf o rg l o b a ls t r u c t u r e f i r er e s i s t a n c e r e s e a r c h f i r ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef i r et r a i to fo f f s h o r ep l a t f o r ma r ei l l u s t r a t e d ，a n dt h e 酉o b a ls t r u c t u r a lt e m p e r a t u r ea n dr e s p o n s eo fo f f s h o r ep l a t f o r mu n d e rf i r ea r ea n a l y z e d b a s e do nt h eb u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo i lt a n kf i r e sa n dt h ee n e r g yb a l a n c eo fh e a t f e e d b a c ko nt h eo i ls u r f a c e ，ag l o b a lm o d e li sb u i l ta n dt h eb u r n i n gr a t ei sc a l c u l a t e d i t e r a t i v e l y b a s e do nt h em u d a nm o d e l ，t h er a d i a t i o nm o d e li sd e v e l o p e df o rt h es t e a d y b u r n i n go i lt a n k b a s e do ne n e r g yc o n s e r v a t i o nt h e o r y ，t h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a l d i s t r i b u t i o n so fr a d i a t i o na r o u n dt h eb u r n i n gt a n ka lec a l c u l a t e d t h et e m p e r a t u r ef i e l do f m e m b e r ss u b j e c t e dt of i r ei sc a l c u l a t e db ye s t a b l i s h i n gt h et e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o nm o d e l o ff i r e t h en o n l i n e a rs t r e s s - s t r a i nr e l a t i o no fs t e e la l o n gt e m p e r a t u r ei sa p p l i e dt ot h e s t r u c t u r a la n a l y s i s ，a n dat r a n s i e n tc a l c u l a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s ep l a t f o r mi sg o t t e n o u ti no r d e rt og e tv f i r i a b l es t r e s s e sa n dd i s p l a c e m e n t su n d e rw a v e ，t e m p e r a t u r ea n dw i n d l o a d s t h et e m p e r a t u r eo fm e m b e r si sr i s i n gb e c a u s eo ff i r e ，a n dt h eb e a r i n gc a p a c i t yo f s t r u c t u r ed e s c e n d so b v i o u s l yb e c a u s eo ft h ed r o po fy o u n g sm o d u l u sa n dy i e l ds t r e n g t h w a v ef o r c ei nn o r t h e a s ti sm o r ed e s t r u c t i v et h a nw a v ef o r c ei ns o u t h w e s tf o rc 珏o f f s h o r e p l a t f o r mw h o s ep e ga i sb u r n i n g b a s e do nt h eo b t a i n e ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ta p p e a r st h a t t h i sn e wm e t h o dc a np r o v i d ea l la d v a n t a g e o u sr e f e r e n c e f o ru s e r se n g a g e di n f i r e r e s i s t a n c er e s e a r c ho fo f f s h o r ep l a t f o r m ； k e y w o r d s ：f i r ee f f e c t ；o f f s h o r ep l a t f o r m ；s t r u c t u r a lr e s p o n s e ；b u r n i n go i lt a n k ； f l a m er a d i a t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：狲辜签字日期：知。g , - g , - 年厂月岁日 学位论文作者签名：僻亍 签字日期：知 年月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：习酷亭 签字日期：2 9 。9 年厂月岁日 导师签字： 氍建揖 l 签字日期：游1 ) 月弓日 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 1 绪论 1 1 工程背景与研究意义 1 1 1 概述 火灾是常遇的灾害之一，据统计，全国每年因火灾造成的损失达十余亿元。 火灾对建筑物的损害尤为严重，大火烧毁建筑物内一切可燃物质，产生的高温对 建筑物结构构件及建筑材料造成严重损伤，轻则降低材料强度，重则使结构构件 失去承载能力，引起建筑物倒塌。对于遭受火灾的建筑物，要恢复其设计承载能 力和使用功能，在修复加固前，必须对受火灾损伤的建筑物进行勘察、检测、鉴 定，从而评定建筑物的结构材料、结构构件的损伤程度，为建筑物的修复加固提 供可靠依据。由于我国绝大部分建筑物是钢筋混凝土结构及砌体结构，建筑物火 灾后鉴定方法也主要是针对这类结构【1 】o 随着钢结构房屋增多，其受火灾损伤的 可能性也相对增多，有必要总结和研究钢结构火灾后的勘察、分析和鉴定方法， 为火灾后的钢结构鉴定做好前瞻性工作。 作为建筑物常用的材料，钢以其强度高、抗震性能好和可靠性高等众多突出 的优点而在工程实际中得到了广泛应用，但是钢的耐火性能较差。当温度为4 0 0 时，屈服强度下降6 0 ；温度达到6 0 0 时，屈服强度下降8 0 ，基本丧失了承载 能力。钢的屈服强度和杨氏模量随温度的增高变化很大，当钢的温度在2 5 0 以下 时，钢的弹性模量和强度变化不大；当温度超过2 5 0 时，即发生所谓的“塑性流 动 ，超过3 0 0 后弹性模量和强度明显减小，由此可见钢结构建筑面临的最大问 题之一就是其物理特性和机械性能对高温很敏感，一旦发生火灾，钢结构的承载 能力将降低，变形增加，并在较短时间内就可能达到极限状态甚至发生结构倒坍。 1 9 6 7 年美国蒙哥马利市某饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌；1 9 7 0 年美国纽 约第一贸易办公大楼( 5 0 层) 发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲l o o m 左右；1 9 9 0 年英国 一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的严重 破坏；1 9 9 3 年我国福建省泉州市一座钢结构冷库发生火灾，造成3 6 0 0 m2 的库房倒 塌；1 9 9 6 年江苏省昆山市一轻钢结构厂房发生火灾，4 3 2 0m 2 的厂房烧塌；1 9 9 8 年 北京市某家具城发生火灾，造成该建筑( 钢结构) 整体倒塌【1 1 】。震惊世界的钢结构 火灾最典型的莫过于2 0 0 1 年9 月1 1 日，美国纽约世界贸易大厦双塔遭恐怖分子飞机 1 撞击，爆炸后航空油料引发高温燃烧，两幢4 2 0 m 高的钢结构摩天建筑在遭到袭击 后一个半小时内先后轰然坍塌，造成近4 0 0 0 人死亡和1 0 0 0 多亿美元的经济损失。 日前，美国公布了“9 1 1 事件的最新调查报告，专家认为，单纯的撞击和大火 并不足以使双塔倒塌，真正的原因是由于撞击使钢结构上的防火涂料破碎脱落， 使钢结构直接裸露于随后爆炸引发的大火中，很快达到了其耐火极限，从而使钢 结构丧失了承载能力，引发了这场灾难【2 】。 作为一种特殊钢结构一海洋平台的工作条件不同，火灾环境也各异。采油与井 口平台可能发生的火险是井喷火、井喷流淌火( 石油与天然气) 以及人为性火灾。 贮油平台火灾有油罐火、流淌火、设备爆炸火、输油泵站火。钻井火灾分有石油 火( 石油量大于5 0 ) 、石油天然气火( 石油量占1 0 - 5 0 ) 和天然气火( 天然气量 大于9 0 ) 。 1 1 2 钢结构抗火研究的意义 钢结构因火灾等偶发因素严重影响着人民的生命财产安全。当人口密集的钢 结构建筑一旦发生火灾，极易由于疏散不利导致群死群伤。当海洋平台上的油气 泄露遇明火燃烧、爆炸，则很有可能对人、设施、设备、环境造成极为严重的伤 害及损失。如果我们掌握了钢结构的抗火方法，那么会大大保障人民的生命财产 安全。 进行钢结构抗火研究在工程和理论方面的意义有： 1 ) 减轻或避免结构在火灾中的破坏，或者使结构具有一定的耐火的期限，保障生 命安全； 2 ) 减少火灾后结构的修复费用，缩短火灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损 失； 3 ) 在建造钢结构中节省材料、同时提高钢结构的安全性； 4 ) 通过对结构热力耦合作用的全过程分析，揭示火灾下钢结构基本的力学行为， 准确描述温度变化时结构破坏的机理和准则。 1 1 3 s k 7 型钢结构的火灾特点 海洋平台作为钢结构的一种，两者的火灾特点具有许多共同之处。钢材虽为 非燃烧材料，但不耐火，随着钢材温度的升高，其力学性能，诸如屈服点、抗压 强度、弹性模量以及承载能力和钢度都迅速降低，所以对单层钢框架在火灾下的 试验研究显得尤为重要。国外对钢结构的抗火性能的研究开展的较早，从单一构 2 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 件到子结构直至整个结构都进行了大量的工作，试验研究和理论分析得到不断发 展。大型钢结构火灾的特点有以下几方面： 1 ) 火场升温快，钢构件强度减弱快，易倒塌。钢材在常温下是非燃烧材料，但钢 材的导热系数是混凝土的4 0 倍，并且由于钢构件材质单一，所以在火灾中升温极 快。钢构件在火场温度超过3 0 0 后强度减弱，当温度达到5 0 0 时，其强度仅为 常温下的一半，当温度超过6 0 0 时强度几乎为零，所以钢结构建筑，尤其是大跨 度的钢结构建筑发生火灾时，钢构件极易受高温作用后发生扭曲、变形，进而导 致整个结构的倒塌，救援难度大； 2 ) 空间大，火势蔓延快。大型钢结构厂房占地面积大，一般高度均大于7 米，内 部具有较大的空间，空气流通好。其生产使用的原料和成品大多属可燃物，以转 椅厂为例，内有木材、海绵、皮革等可燃物品和胶水等易燃易爆品，并且在生产 中大量使用电气设备和多道加温工序。厂房多数没有明显的防火分隔或防火分隔 设旆在使用中因为人为作用而失去分隔作用，一旦失火，火势可向任何方向蔓延， 猛烈的燃烧极易产生强大的热气流，形成更大面积的燃烧； 3 ) 设备、人员密集，疏散困难。大型钢结构建筑规模大，办公设备密集，人员和 物品高度集中，活动空间小，疏散途径少；火灾现场烟雾大，极易因紧张而形成 趋众行为，不利于人员的撤离疏散，从而造成群死群伤事故【粥】。 1 2 国内外的研究现状 从上世纪9 0 年代以来，钢结构的抗火研究一直是建筑安全领域的研究重点， 吸引了各国学者的广泛关注和深入研究，并取得了大量成果。 钢结构抗火研究是一个非常复杂的过程，需要考虑诸多因素，涉及许多变量， 如火灾的发生和发展、烟气蔓延流动、燃烧升温曲线、结构内瞬态温度场分布、 各构件的相互约束影响、材料性质和力学性能随着温度的变化等。根据当前国际 上先进的抗火研究过程，以室内火灾升温曲线研究为界限可将整个结构抗火研究 分为两大部分，即对火灾的研究( 室内火灾模型研究) 和对结构的抗火反应研究( 结 构热力耦合分析) 9 , 1 0 1 ，大多数的研究都是利用现有模型，以标准室内升温曲线为 基础，采用数值模拟或者进行实验的方法来进行的。 1 2 1 钢结构的结构响应研究 火灾中结构的响应主要是指钢构件或钢结构在高温下内应力的动态响应( 重 分布) 以及变形的发展【4 1 。通常，数值分析中结构高温下的热力耦合研究可以通过 三圣 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 其总应变和分应变关系计入，再代入材料的应力一应变关系，最终可利用与常温下 结构分析相同的理论和方法计算所得【1 1 】。通常火灾下的结构响应研究主要从实验 研究和数值分析两个方面入手。 1 实验研究 国外学者在受约束钢体的结构响应方面做了许多实验研究。f a d s 趾i 等【1 2 】得到 了转动约束钢柱在火作用下的实验研究的参数结果，实验对象是在火作用下作为 钢结构组成部分的半圆柱钢体，在施加不同转动约束的情况下，每一个转动约束 的测量都又同时作用五中不同载荷，同时与只有轴向约束时的实验进行对比，提 出一种估算在火作用下固定一端的钢圆柱的有效长度的方法。t c h h u 等【”】制造 了一个可以对未加保护层或者有部分保护层的钢梁进行实验的实验炉，当钢结构 受到各种不同的载荷时测量两种不同的钢梁与拄体的连接体，为了模拟相邻部分 对研究对象的约束，对其旋加了水平方向的约束。此实验特别关注轴向约束对悬 链线的作用，因为它可以阻止高温下粱的滑移。d o n e g o n t l 4 】进行了火荷载作用下 平台结构的分析对于某几类易引起误解的分析类型，进行了构件火灾试验。通过 研究表明在火荷载作用下，平台结构响应随材料性能的不同而发生变化，温度应 变是引起结构不稳定、结构倒塌的主要原因。w a l k e r 和h u 1 5 】描述了海洋平台结构 构件的防火防爆能力的评估方法，重点开展了结构评估，包括整体结构，构件， 承重墙，地板和顶板，并且提供了确定设备和基本钢架的动压反应方法，进行了特 定压力时间曲线下的结构动力性能分析，响应分析包括弹性、弹塑性、纯塑性变 形情况。a n d e r b e r g 1 6 】健立了被动防火保护的分析程序，通过风险分析和定义热荷 载。进行了整体结构的极限分析和平台倒塌研究t o l l o c z k o 1 7 】提出了适用于海洋平 台结构的爆炸和火灾工程研究概况，依据科学和工程准则建立一个可供分析的防 爆和防火结构。对爆炸荷载、火灾荷载、爆炸响应、火灾响应等方面进行分析研 究。s h e t t y f r - i s o a r e s 1 8 】提出联合概率方法进行平台上部结构的火灾安全评估和最佳 被动肪火保护设计。这个方法综合了定量风险分析技术、结构系统可靠度分析和 基于可靠度的设计优化。 国内学者在火灾结构响应的实验研究方面做了许多工作。范明瑞等【1 9 j 对单层 足尺钢框架进行恒载下受火的试验研究，实验采用了燃油试验炉，按照i s o 标准升 温曲线，炉内温度采用n 型热电偶测量，用千斤顶对钢框架试件施加集中力，然后 用热电偶测量钢梁和钢柱截面的温度场分布和火灾炉内的温度，并且测量了试件 4 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 的平面内变形。通过试验得出了单层钢框架在受火过程中梁、板及柱的温度场分 布规律和变形情况，分析了钢框架在恒载和火荷载共同作用下的破坏特征、耐火 极限以及影响它们的各种因素。试验结果表明钢框架在火火灾行为下的破坏特征 与单个构件在火灾行为下的破坏特征有所不同。李国强等 2 0 - 2 1 】做了一个受约束钢 梁的抗火试验，将试件放入实验炉按i s 0 8 3 4 标准升温曲线进行升温，同时对梁和 拉杆的温度、轴向变形、梁的挠度进行了测量，然后由得到的实验数据画出梁和 拉杆温度实测曲线、拉杆温度实测曲线和梁挠度实测曲线，并进行了抗火计算， 并将试验结果与利用上海钢结构防火技术规程中的有关公式计算结果进行了 对比，最后验证了规程中关于钢构件温度计算公式的准确性，温度内力和其 它外荷载一样对梁承载力有较大影响。同时他们分析了温度梯度对约束钢梁的影 响，研究了在确定的温度分布下梁截面内的应变应力分布，并且求出梁的轴力及 弯矩随温度的变化。一些学者在火灾理论方面也进行了实验研究，高洪菊【2 2 】对建 筑火灾中影响烟气流动过程的基本要素以及每个要素影响烟气流动过程的机理进 行了分析和介绍，为建筑火灾烟气控制以及烟控系统设计提供必要的依据。张青 剧2 3 】对几种典型的火灾烟气流速测试方法进行比较，提出采取双向式流速探头测 试是目前较为理想的火灾烟气流速的测试方法，并对其测试原理、修正方法、误 差分析等作了具体介绍。中国科学技术大学，火灾科学国家重点实验室的范维澄、 卢平、林其钊【矧等人建立了描述浮力、炭烟、流动、传热与燃烧相互作用的数学 物理模型，发展了受限火灾场区网复合模型、森林火灾多维模型和非线性火灾动 力学。清华大学热能工程系的李先庭、彦启森【2 5 】建立了在逆流风情况下，火焰沿 柱状物燃料传播的数学模型，可用于预测火焰的传播速度和火焰结构。该模型包 括气相部分的二维稳态动量、能量和组分方程以及固相部分的质量和能量守恒方 程。 2 数值分析 虽然实验研究得到的结果与实际比较符合，但是大部分实验条件要求比较苛 刻，而且大型实验耗资巨大。由于数值模拟研究条件相对宽松，而且花费资金较 少，所以国内外在建筑结构抗火数值模拟领域的研究范围很广，在构件层次和结 构整体方面，既有精细的数值方法又有简单实用的拟合公式计算，还有经典的解 析分析方法等。一般认为由火灾引发的构件非均匀瞬态温度场和高温下的力学计 算模型是影响钢结构抗火数值模拟成功的两大关键和主要影响因素，因此无论构 5 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 件层次还是结构整体层次，温度场的分布模型和高温下的各种非线性影响因素是 结构数值模拟研究的热点和难点问趔2 6 。 国外学者在结构响应的数值分析方面也取得了许多成果。r b e c k e r 【冽主要研 究了火作用下纵向温度分布不均的粱和柱以及有保护层的钢结构的响应，并且说 明了温度纵向分布的变化取决于结构内在的连续性，采用s a f i r 程序对单独的粱 和柱、简单的钢结构进行了分析，实验结果表明纵向的温度分布不均影响了结构 响应，从而引起塑性铰链形成的转变和延迟，并且使得结构的稳定性增加，增加 的程度比用高级软件工具的分析要大。最后还得出结论：钢梁抗火性能的提高一 般要大于钢柱。t h o z j a n 等【2 9 】介绍了一种模拟钢结构暴露于大火高温中的机械的 结构响应的方法，基于一组在各种不同的温度下得到的应力一应变曲线，人工中枢 网络( a n n ) 被应用于研究钢结构，并且采用f e m 来进行简易支撑梁分析和采用 a n n 分析进行了比较，尽管温度一位移曲线不是很一致，但是结果比较符合，所以 认为a n n 可以作为模拟钢结构在火作用下的材料性质的一种有效工具。 国内学者在结构响应研究的数值分析方面取得了一定的成果。刘开国【3 0 】采用 三角形方程法，运用子结构计算模型，将钢结构中的各柱逐层割离，其柱端按连 续考虑，从而分析某层梁的温度内力，再将梁端固定求出梁的固端弯矩，然后用 人们熟知的力矩分配法进行分层计算梁产生弯曲温度变形和弯曲温度应力。陈玲 等【3 1 】对钢结构火灾下的热机耦合响应进行了非线性有限元分析，研究对象为主梁、 边梁、次梁和其上相应的楼板，楼板按温度梯度施加温度载荷，并且对其施加均 匀的面载荷，梁和楼板的温度随时间的变化采用c a r d i n g t o n 火灾试验的数据分析了 前9 0 分钟的升温过程，从而得到了次梁轴力和挠度随温度变化的曲线，最后得到 实验结论：1 ) 高温下组合结构中约束对热膨胀的影响起主导作用，对热膨胀的约 束既来自于结构的内部也来自于结构的外部。在起火初期，内部约束主要由混凝 土楼板提供，因钢梁有较高的热传导系数，梁的温度升高比混凝土楼板快，这种 受热不均使得钢梁的膨胀受到冷的楼板的限制而产生弯曲；2 ) 由于混凝土楼板产 生的巨大约束使梁在轴向压力作用下屈服，在火灾后期钢梁的材料特性在高温下 逐渐衰减，即使是防火保护的主梁其变形也是很显著的；3 ) 在高温下钢梁丧失 了它的强度，这时沿楼板厚度方向的热梯度就起到了关键的作用，因为热梯度使 楼板产生了拱膜效应，加大了整体的挠度。张玉春【3 2 】利用火灾结构性能分析软件 o z o n e 的钢结构抗火分析功能来模拟火灾确定性发展过程及火对钢结构的破坏作 6 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 用，结合了结构热分析和结构力学分析模型，来进行钢结构抗火性能的确定性分 析，基于这一模型，分析了单室住宅火灾下钢梁在不同防火涂料厚度下的失效概 ； 率，为定量分析建筑结构火灾风险提供了新的方法和思路，其中在火灾场景设定 中用欧洲规范e c l 和国外实验统计得出的住宅火灾随机参数分布。对于火灾荷载 密度的分布，许多国家做过相应的统计，其中欧洲规范e c l 对火灾荷载密概率分布 的设定，其分布服从g u m b e l 分布，热释放速率和火灾增长时间服从均匀分布，利 用混合同余法和反函数法，通过计算机编程，可以实现火灾随机性参数抽样样本。 其它确定性参数，如房间开口和围护热惯性等参数值按照o z o n e 软件与欧洲规范 e c l 提出的相关参考值设定，然后利用蒙特卡洛法和o z o n e 软件相结合对室内火灾 场景随机样本进行抽样模拟，得到单室住宅火灾时室内上热烟气层的温度一时间变 化曲线以及钢梁三面受火未施加防火涂层时的温度一时间变化曲线，然后利用钢结 构抗火临界温度法，分别计算了施加0 ，2 ，4 ，6 ，8 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ，1 8 ，2 0 m m 防火涂层厚度的钢梁破坏情况。这一模型为定量分析火灾下结构失效概率，为指 导建筑火灾中人员及时疏散、有效的灭火方式、合理的结构抗火设计提供了新的 方法和思路。计琳【3 3 】采用大型有限元软件m s c m a r c m e n t a t 对具有轴向约束 且无保护层的钢结构柱进行了非线性有限元分析，研究了不同轴向约束对钢结构 柱抗火能力的影响，给出了典型约束钢结构柱的有限元网格划分和受压后的变形 图，以及不同温度、不同约束刚度情况下的荷载一位移曲线，有限元数值模拟结果 与试验进行对比，吻合较好。在室温下，轴向约束有利于提高柱子的极限承载能 力，但在高温情况下，约束刚度的大小对柱子的抗火承载力却具有负面影响，轴 向约束的提高降低了高温下柱子的极限承载力，并降低了柱子的极限温度承载力。 在温度达到4 5 0 。c 之前，由于钢材的弹性模量改变与构件热膨胀而导致承载力的降 低，温度超过4 5 0 * 0 之后，弹性模量与屈服极限的折减、以及构件热膨胀所导致的 约束反力共同作用使得构件更早失效。宋剑等【3 4 】结合b z 2 8 - 1 南井口平台导管架， 建立了海洋平台结构有限元计算模型。采用弹塑性分析方法，并应用温度升高时 钢材的非线性应力一应变关系，采用火灾的标准温度一时间曲线建立平台结构温度 随时间的变化模型，基于能量守恒原理建立热传导微分方程，计算热传导和对流 对结构温度的影响，分析得到受火区域构件的温度场，并且依据钢材性能随温度 升高的变化，分析了火灾荷载下平台结构的响应。火灾发生时，平台结构中的构 7 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 件在火温的作用下温度逐渐升高，虽然作用在结构上的荷载不变，但由于钢材的 弹性模量和屈服强度都急剧下降，使平台结构的承载能力下降；当温度上升到 6 0 0 以上时，平台结构就形成足够数目的塑性铰，使结构达到极限破坏状态。郝 淑英等【”】根据火灾实验数据对结构的连续性、荷载大小及不同的连接结构下的结 构响应。进行了仿真计算，发现数值模拟得出的梁挠度一温度响应曲线与实验结果 有较好的相关性，数值模拟能准确地预测结构出现急速变形的温度及时间，文中 分析了连接结构的类型、轴向约束的强弱及载荷大小对结构抗火性能的影响。浙 江大学的金伟良【3 6 】教授在结构可靠度数值模拟、结构体系可靠度及海洋平台结构 的超载可靠性、动力可靠性、时变可靠性等方面均进行了研究。这包括：1 ) 在结 构可靠度分析方面，对复合重要抽样方法、v 空间重要抽样方法、结构体系可靠度 的实用分析方法、改进的一次二阶矩分析方法以及非高斯分布变量的高精度结构 可靠度概率积分方法等进行了深入的研究；2 ) 开发编制了基于或独立于软件s a c s 的结构可靠度分析系统s t r a s 和结构非线性极限承载力分析程序；3 ) 进行了海洋 平台结构可靠度参数不确定性研究，提出了海洋平台设计的不确定性参数和结构 体系模型与荷载不确定性分析方法；4 ) 渤海湾海洋平台结构设计目标可靠指标的 标定，极端环境荷载作用下海洋平台结构体系可靠性研究。韩圣章m 等将喷射火 焰能量与钢材的性能相结合，采用简化处理的办法，建立在火灾荷载作用下海洋 平台立管温度的变化模型，将分析结果与有关试验结果做了对比，吻合较好。分 析了立管随温度变化破坏的可能性，为平台立管的防护提供了依据。倪伟建【3 8 j 以 钢结构的整体抗火性能为研究对象，以b z 2 8 1 钢质海洋平台为研究手段，较为系 统的对单室火灾作用下海洋平台的整体响应过程及响应机理进行了分析和研究。 此外，由于美国的“9 1 1 事件，国内外的一些学者也开始研究被撞击后的钢 结构的结构响应。陆新征等【3 9 】利用动力有限元分析软件i s 一- d y n a 雕j t 约世界贸 易中心受飞机撞击后的倒塌，进行了力学分析和仿真，并根据计算结果进行了参 数讨论。仿真计算的结果与真实倒塌过程非常接近，说明通过适当的选取计算参 数和计算模型，可以对这种特殊的复杂破坏过程进行模拟分析和仿真。计算结果 说明，世界贸易中心倒塌的直接原因是火灾导致的钢材软化和楼板塌落时冲击载 荷引起的连锁反应，如果能够提高结构的抗火能力或者提高结构的延性，将有可 能避免结构倒塌。赵振东等【4 0 】结合对美国世贸中心大楼被撞击破坏效应的分析从 局部破坏效应、整体冲击振动破坏效应、搭载燃料的火灾破坏效应三方面研究了 8 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 钢混结构物受外来飞射体撞击产生的结构构件的剥离与贯通，得出了飞机类飞行 物搭载燃料在撞击时发生火灾对结构材料强度的弱化作用与结构局部破坏塌落造 成的局部冲击效应的联合作用，是导致被撞结构物破坏倒塌的根本原因。 结构的数值模拟分析，根据所取结构形式的不同，可以分三类【4 1 】：1 ) 构件分 析模型；2 ) 子结构分析模型；3 ) 整体结构分析模型。根据所选择的室内火灾升温 曲线和不同的结构分析类型，结构抗火研究的难易程度也不同。目前，考虑子结 构或者整体结构在实际火灾下的全过程反应分析正成为各国研究者研究的重点。 1 2 2 结构抗火设计方法的进展 随着人们对钢结构抗火分析与计算研究的不断深入，钢结构抗火分析和设计 的方法也在不断发展。回顾国内外有关钢结构火灾安全的研究，大致经历了基于 试验的构件抗火研究、基于计算的构件抗火研究和结构抗火研究以及考虑火灾随 机性的结构抗火研究等四个阶段【4 2 1 。近二十年来，性能化的结构抗火设计方法逐 渐成为国外钢结构抗火设计的新的主流，该方法不仅给设计者提供了很大的灵活 性，而且为客户提供多种方案选择，满足其各方面的具体要求，因而比传统规范 设计理念更加科学和合理【4 3 1 。 英国的设计方法有试验的方法和计算的方法，这两种方法划分的比较明确， 只要满足规范要求，可以采用任一方法。此外还规定：根据试验确定保护层厚度 时要依照b s 4 7 6 的有关规定，试验荷载要等于构件承载值乘以1 4 1 7 的系数；当构 件在火灾下的荷载和试验荷载不同时，试验条件要满足规定，并且试验结果要经 过合格人员的检查】。澳大利亚的设计方法同样有试验的方法和计算的方法，但 两种设计方法没有明确的界限，基本上是综合利用这两种方法，如在采用计算的 方法时还需要利用试验来确定一些参数以计算结构的极限温度。澳大利亚规范还 规定设计构件和试验构件要满足以下要求：二者防火保护方法相同；二者受热情 况相同；设计构件的保护层厚度要大于或等于试验构件的厚度；设计构件的面积 质量比要小于或等于试验构件；二者支撑条件相同或设计构件的约束不少于试验 构件；设计构件的承载比要小于或等于试验构件【4 5 l 。在欧洲方面，推荐在一般情 况下采用计算的方法，只有在一些特殊情况下才采用试验的方法【矧。 我国第一部钢结构抗火设计标准上海市钢结构防火技术规程中采用了基 于计算的钢结构抗火设计方法，它解决了基于试验的钢结构抗火设计方法存在的 问题其计算过程大致为：1 ) 采用确定的防火措施设定一定的防火被覆厚度；2 ) 9 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度；3 ) 采用确定高温下钢 的材料参数，计算结构中该构件在外荷载和温度作用下的内力；4 ) 进行荷载效应 组合；5 ) 根据构件和受载的类型，进行构件抗火承载力极限状态验算；6 ) 当设定 的防火被覆厚度不合适时可调整防火被覆厚度m 。 1 3 火灾的研究方法与技术路线 1 3 1 火灾的研究方法 因为火灾是一种灾害性的现象，火灾的发生和发展规律具有随机性和确定性 双重特点。随机性是指火灾发生在何时、何地都是不确定的，要受到多重因素的 影响，但是其遵循一定的统计规律。确定性是指如果在某一特定场合发生了火灾， 火灾会按照确定的过程发展，经历火灾燃烧的初燃阶段、发展阶段和衰减阶段。 同时在火灾燃烧、火灾流动都遵循确定的流体流动、传热传质物质守恒定律。火 灾科学主要采用统计分析研究和定量化工程学研究两种基本方法。 火灾的随机性规律用火灾统计分析的方式进行研究，通过总结、整理和分析 大量的火灾资料，归纳出火灾发生的统计规律，找出各种因素对火灾发生的影响 程度及其相互间的关系。 近3 0 年来，国内外学者从实验测试和计算机数值模拟两个方面对此进行了大 量的研究。火灾的确定性采用定量化工程研究，实验模拟研究围绕着火灾防治的 基本目的，通过各种仪器、仪表和装置，定量测量有关区域或部分的温度、速度、 压力、流量、气体组分、烟气浓度等参数的空间分布或随时间的变化。计算模拟 研究则是基于火灾发展所遵循的质量、动量、能量、组分等基本守恒定律，用一 定的数学方法将这些定律表达出来，通过计算揭示火灾过程的规律性。目前的火 灾模拟研究主要分三个层次： 1 ) 经验模拟：通过收集实际火场或模拟实验所测量得到的数据，用多种方法进行 分析，得到一些经验公式； 2 ) 半物理模拟：从质量、动量、能量和组分的守恒方程出发，借助经验和认识， 对方程进行适当而合理的简化，用若干常微分方程和代数方程描述火灾过程； 3 ) 物理模型：这种模拟完全根据基本方程和模型进行计算，为此需要建立描述火 灾发展的二阶偏微分方程组，通过联立计算，从整体上求解火灾过程，为使方程 组达到数学上的封闭，必须引入和建立火灾各主要分过程的变化，但是计算量比 较大，尤其是按三维、非定常方式计算时，必须使用高速计算机【鹌】。 1 0 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 1 3 2 k 灾燃烧模型 可燃物引燃后，在火灾初期增长阶段，可燃物释放热能速率一般随时间不断 ； 增大，可采用t 2 增长模型，即火灾释热率q 为 q = 口f 2 ( i - i ) 式中，q 一火灾释放热量速率( m w ) ；f 一时间( s ) ；口一常数，与火灾增长类 型有关。 通常火灾释热速率增长到一定值q p 后，会基本保持该值不变，直止可燃物燃 尽，利用这一火灾燃烧模型，可近似估计火灾持续时间。 设可燃物的总热能值为e ( m j ) ，则火灾持续时间t 。为 + 等 ( 1 - 2 ) 式中，为火灾释热率达到峰值q p 所需时间( s ) ；置为火灾释热率达到q p 时可燃物的热能值( 埘) 。 1 3 3 火作用下钢结构的温度响应 研究表明，钢结构能否达到抗火设计的要求很大程度上取决于火灾下材料的 物理性质和力学性能【4 9 】。 钢的应力一应变关系的模型很多，一般采用分段模型。其中最简单的是直线模 型，即给出一定温度下各控制应力点的应变值，在相邻点之间连成直线【5 0 5 1 1 ，这 种类型的模型简单且精度较高，因此应用也较广。连续光滑的模型【5 2 贝w j 相对比较 少，表达式也较复杂，但更接近于真实材料的本构特性。在实际应用中，d o u n a s ， a c h i mr u b e r t 和p e t e rs c h a u m a n n 5 2 】分别基于r a m b e r g - o s 9 0 0 d 光滑模型各自提出了 考虑强化和不考虑强化的不同表达形式。a n d yb u c h a n a n 等【5 3 】对在火作用下普通钢 梁和三面温度均匀升高的钢筋混凝土梁的应力一应变关系进行了详细的实验观察 和分析，此文对于钢梁和混合梁的结构响应有了新的认识：在温度降低时产生的 应力作用下钢梁的结构响应变化很大；在火直接作用下的钢梁比放在高温环境中 的结构响应更加复杂；在火作用下的轴向约束钢梁会产生非常大的轴力，当其达 到极限时结构会产生变形和偏移；无轴向约束的钢梁在产生塑性铰前只会产生很 小变形；有轴向约束的钢梁不如自由钢梁的抗火性能好；无防火层的钢梁和混凝 火灾作用下c i i 海洋平台的承载能力分析 土钢梁在火作用下有着相似的结构响应。 国内学者在钢材的高温性能方面也作了一定的研究，提出了一些理论成果。 张辉【5 4 】对建筑工程常用的1 6 m n 钢在火灾条件下的力学性能进行了测试，试件通过 电阻炉加热，试验分为1 2 组，每组3 根试件，试验温度依次为2 0 ( 常温) 、1 0 0 、 1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 、5 5 0 和6 0 0 。 其中试件加载都按照有关高温和室温拉伸实验方法进行，除了第一组的常温加载 实验外，第2 - 1 2 组中先把试件升温到指定温度，保持5 分钟再开始加载，由万能材 料实验机自动记录单向拉伸的应力一应变关系、屈服强度、极限强度、弹性模量和 伸长率。实验得到了1 6 m n 钢在不同试验温度与常温下各项力学性能对应比值和屈 服强度、极限强度、弹性模量和伸长率随火灾温度变化的曲线，最后得到了1 6 m n 钢力学性能方面的一些结论： 1 ) 1 6 m n 钢的屈服强度随火灾温度的升高而显著降低。在3 0 0 以下时，下降较慢； 在3 0 0 以上时，下降较快； 2 ) 在低于3 0 0 c 时，1 6 m n 钢的极限强度随火灾温度的升高而缓慢升高；高于3 0 0 时，其极限强度随火灾温度的升高而快速降低； 3 ) 1 6 m n 钢的弹性模量随火灾温度的升高而降低。在5 0 0 c 以下时，下降较慢；在 5 0 0 以上时，下降较快； 4 ) 在低于2 0 0 时，1 6 m n 钢的伸长率随火灾温度的升高而降低：高于2 0 0 时，其 伸长率随火灾温度的升高而升高。 李天祺等【5 5 】论述了油气储运系统的地震火灾特征及防火要求，对钢结构的防 火涂料在遭破坏和未遭破坏情况下的抗火性能进行了对比分析，并应用有限元法 对油气储运系统中典型钢结构设备在地震火灾荷载作用下的抗火性能进行了数值 模拟。研究结果表明，防火涂料遭到强地震荷载破坏后，钢结构的抗火性能大大 降低。 需要指出的是，上述钢的热工性能和力学参数研究中大多仅考虑了材料在升 温过程中的情况，而未考虑材料在降温情况下的变化，降温情况下材料参数的变 化研究对于结构灭火和灾后拆卸、加固补强等有重要关系。因此，降温下的材料 性能研究在当前和今后一段时间内将成为研究的热点。 清楚了解构件内部各点的温度变化过程是计算火灾中构件及结构反