基于多参数耦合模型的梁柱式木结构框架抗火数值模拟

发布时间：2017-07-14 15:01

  本文关键词：基于多参数耦合模型的梁柱式木结构框架抗火数值模拟

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【摘要】：木结构建筑有着悠久的历史,当前我国拥有大量的古木建筑。随着社会的发展,木结构建筑的需求越来越大,现代木结构在我国拥有广阔的前景。火灾是对木结构建筑具破坏性的危害之一,由于自身可燃,木结构建筑抗火问题一直是研究的重点。为了研究火灾与结构的相互作用机理,国内外学者已经从火灾发展规律、木材炭化机理、木结构力学性能及结构破坏过程等方面进行了相关研究。当前已有的数值模拟手段实现火灾与结构的相互作用过程是比较困难的,通常研究人员将结构对火灾的影响和火灾对结构的影响两个过程单独分析。本文综合考虑建筑火灾的多种因素,提出自然火灾下梁柱式木结构数值模拟方法,通过集成火灾模拟、有限元基础分析软件,开发相应的数值模拟系统,重点解决火灾发展过程中火灾与结构的相互作用。主要内容包括以下几个部分：(1)编写符合木材正交各向异性特点的用户材料子程序UMAT,同时总结木材炭化机理,以Spearpoint的炭化材料一维积分模型为基础,建立木材炭化模型公式。对用户材料子程序及炭化模型分别进行了数值验证。(2)提出“多参数耦合模型”,将火灾作用、火灾削弱后的木材构件有效截面、结构有限元计算结果等信息进行关联和建模,使不同模拟环境的数据联系起来,反映梁柱式木结构在火灾破坏过程中的物理意义。(3)提出多参数耦合模拟框架,解决火灾对结构破坏的影响、结构破坏对结构自身的影响及结构破坏对火灾发展的影响三个方面问题。(4)本文以上述“多参数耦合模型”与多参数耦合模拟框架为基础,使用Python集成火灾模拟软件与有限元计算软件,编制木材炭化深度、结构破坏检测计算模块,开发建模、数值模拟、数据处理及可视化等控制模块,研制自然火灾下梁柱式木结构框架破坏过程数值模拟系统,对火灾中的木结构破坏过程进行推演。(5)本文使用开发的数值模拟系统对三种构造形式的梁柱式木结构框架进行算例分析,研究不同构造形式及不同墙体材料对梁柱式木结构框架火灾破坏过程的影响。
【关键词】：梁柱式 木结构框架 建筑火灾 耦合模拟 系统集成 数据库管理
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU366.2;TU352.5
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 木结构抗火研究背景11-13
• 1.3 木结构抗火试验研究13-15
• 1.3.1 标准火灾下木结构抗火试验研究13-15
• 1.3.2 自然火灾下木结构抗火试验研究15
• 1.4 木结构抗火数值模拟研究15-17
• 1.4.1 标准火灾下木结构抗火数值模拟16
• 1.4.2 自然火灾下木结构抗火数值模拟16-17
• 1.5 本文研究意义及主要内容17-21
• 1.5.1 研究意义17-18
• 1.5.2 主要研究内容18-21
• 第二章 建筑火灾理论基础21-33
• 2.1 建筑火灾类型21
• 2.2 建筑火灾发展过程21-22
• 2.3 建筑火灾特性22-27
• 2.3.1 火灾荷载22-25
• 2.3.2 热释放速率25-26
• 2.3.3 火灾持续时间26-27
• 2.4 建筑火灾的燃烧模型27
• 2.5 火灾数值模型27-28
• 2.5.1 区域模拟28
• 2.5.2 网格模拟28
• 2.5.3 场模拟28
• 2.6 火灾模拟软件FDS28-31
• 2.6.1 FDS火灾数值模拟环境29-31
• 2.6.2 FDS模型和数据结果特点31
• 2.7 本章小结31-33
• 第三章 木材本构模型与炭化模型33-47
• 3.1 引言33
• 3.2 木材常温下的力学性能33
• 3.3 木材弹性本构模型33-35
• 3.4 木材用户材料子程序35-40
• 3.4.1 UMAT概述35-36
• 3.4.2 编程流程36-37
• 3.4.3 UMAT子程序验证37-40
• 3.5 木材炭化模型40-45
• 3.5.1 木材炭化机理40-41
• 3.5.2 炭化模型分类与选取41-42
• 3.5.3 炭化模型数值验证42-45
• 3.6 本章小结45-47
• 第四章 多参数耦合模拟系统47-81
• 4.1 多参数耦合模型48-49
• 4.2 多参数耦合模拟框架构成49-50
• 4.3 自然火灾下梁柱式木结构框架结构破坏过程数值模拟系统50-54
• 4.3.1 Python简介50-51
• 4.3.2 设计流程51-54
• 4.4 主要功能模块的实现方法54-79
• 4.4.1 结构形式及编号54-56
• 4.4.2 数据库结构设计56-64
• 4.4.3 参数输入功能64-66
• 4.4.4 火灾模拟66-70
• 4.4.5 炭化深度计算70-71
• 4.4.6 结构分析71-78
• 4.4.7 后处理可视化78-79
• 4.5 模块循环调用79-80
• 4.6 本章小结80-81
• 第五章 算例分析81-113
• 5.1 算例分析目的81
• 5.2 系统自动分析过程81-85
• 5.3 火灾场景设定85-86
• 5.4 数值模拟86-110
• 5.4.1 无外墙框架数值模拟分析86-95
• 5.4.2 木质外墙框架数值模拟分析95-105
• 5.4.3 石膏板外墙框架数值模拟分析105-110
• 5.5 结论110-113
• 第六章 总结与展望113-117
• 6.1 总结113-114
• 6.2 展望114-117
• 参考文献117-121
• 致谢121

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：541501