基于“安全性等价”概念的水喷淋作用下防火钢构件失效概率研究

摘要

防火涂料和水喷淋是常用的钢结构防火保护方法，但两者的作用机制和对火灾发展的假定都不同，一般都各自考虑如何使用，虽然保证了钢结构的足够安全，但增加了消防投入。针对建筑用途变更致使火灾危险等级变化需对建筑消防系统进行改造的情况，如何综合考虑二者的作用，优化选择经济有效的防火改造策略以达到防火安全的目标，目前还缺乏科学依据以及定量的评估方法，开展这方面的研究具有现实意义。 钢构件的耐火性能主要由该构件在火灾中的温升状况所确定，因此传热过程是结构火灾安全的重要环节。本文分析了水喷淋作用的可靠性和外部火灾扑救条件的不确定性对火灾发展特性的影响，采用事件树分析了在这两者作用下可能导致防火钢构件失效的火灾场景，结合防火钢构件在此火灾热环境的温升特性，提出了水喷淋作用下防火钢构件的失效判断流程，从而建立了基于“安全性等价”概念的水喷淋作用下防火钢构件失效概率的评估方法。 本文对于影响火灾发展特性的主要因素，如喷水强度、喷头响应时间、消防队到达现场时间等开展了重点研究。喷水强度是决定水喷淋控火性能的关键参数，其分布具有不均匀性和不确定性，受喷头压力和径向距离等因素的影响。本文以喷水强度分布实验为基础，建立了包含径向距离和喷头工作压力等参数的喷水强度分布模型，从模型参数的随机性分析入手，获得了喷水强度的概率分布特性。结合不同危险等级场所控火所需的喷水强度参数和不同喷头开启个数下的有效控火百分比，分析了喷水强度概率分布特性对控火性能的影响。研究结果表明，喷水强度概率分布特性对控火性能有重要影响，随径向距离的增加，喷水强度出现较小值的概率增大，控火性能下降，在某些危险较大的场所不能达到控火作用。 喷头响应时间具有不确定性。本文通过对喷头响应时间的模拟数据的统计分析，建立了包含火灾增长因子、径向距离和喷头响应时间指数等参数的喷头响应时间模型。考虑火灾增长因子和径向距离的随机性，获得了喷头响应时间的概率分布特性。研究结果表明，喷头响应时间的概率分布特性受喷头离火源中心的距离和火灾增长因子影响显著。随着火灾增长因子的增大和径向距离的减小，喷头在较短时间内响应的概率增大。随着径向距离的缩小，喷头响应时间指数对喷头响应时间分布的影响变小。 消防队到达现场时间具有不确定性，本文通过对2009年来部分火灾事故资料的搜集整理，利用统计软件SPSS对消防队行车到场时间进行统计分析，获得了消防队到达现场时间的概率分布特性，及其对火灾发展特性的影响。 最后，本文以某3层3跨连续钢框架结构为例运用基于“安全性等价”概念的水喷淋作用下防火钢构件失效概率的评估方法，研究了不同厚度防火涂层钢构件的火灾安全性，获得了一系列经济有效的钢构件防火保护策略。 本文研究可为评价真实环境下钢构件的火灾安全性，制定优化的防火策略提供有效的方法和工具。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3研究内容与目标

1.4本文章节安排

第2章 基于"安全性等价"概念的水喷淋作用下防火钢构件火灾安全评估方法

2.1引言

2.2水喷淋系统对火灾热环境的影响

2.2.1水喷淋系统简介

2.2.2喷水强度对火灾热释放速率的影响

2.3钢构件的耐火保护方法

2.4基于"安全性等价"概念的水喷淋作用下防火钢构件失效概率评估方法

2.4.1防火安全策略的"等价性"理论基础

2.4.2水喷淋作用下防火钢构件失效概率评估方法

2.5本章小结

第3章 水喷淋系统喷水强度分布特性及其控火性能研究

3.1引言

3.2研究方法

3.3喷水强度分布特性研究

3.3.1实验方法

3.3.2喷水强度分布模型

3.3.3喷水强度分布的随机性

3.4喷水强度分布特性对控火性能的影响

3.5本章小结

第4章 若干影响火灾扑救因素分析

4.1引言

4.2闭式喷头响应时间分布特性研究

4.2.1模型建立与计算原理

4.2.3喷头响应时间的随机性

4.3消防队到达时间概率分布特性研究

4.4本章小结

第5章 案例分析

5.1引言

5.2研究对象

5.3防火钢构件温升计算

5.3.1水喷淋作用下的烟气层温度计算

5.3.2不同防火涂层厚度下的钢构件温升计算

5.4防火钢构件的失效概率与防火策略

5.4.1防火钢构件的失效概率

5.4.2防火策略的优化选择

5.5本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2主要创新点

6.3进一步工作展望

参考文献

附表

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文