钢结构火灾反应的全过程分析及其模拟系统

火灾全过程中钢结构的反应受多种因素的影响不断随时间发生变化。由于实际火燃烧过程中肯定包括至少一次的升温和降温过程，同时结构构件内力也可能出现增加、减小的反复变化，而不同的温度和内力变化组合中即不同的温度-荷载路径下钢材表现出的力学性能是不同的，因此结构火灾反应分析中必须将这些因素考虑进去。本申请项目拟对空间钢框架结构的火灾反应进行全过程分析，包括理论分析和计算机模拟。通过大量的高温材性试验，得到全 2100433B

1）反应失控引起火灾爆炸

许多化学反应如硝化、磺化、氧化、氯化、聚合等反应都是放热量较大的反应。在反应容器内进行反应时，若正常的反应过程失控，反应热蓄积，反应体系的温度随之升高，反应速度加快.体系内压力增大，当内压急剧上升超过容器的耐压能力时，容器破裂，高压物料从破裂处喷出。由于温度的升高，反应物料还可能发生分解、燃烧，引发反应失控火灾爆炸事故。导致反应失控的原因有：反应热未能及时移出，反应物不能均匀分散和操作失误等。冷却剂选择不当，换热设备不能及时导出反应器中过多的热量，因器壁结垢传热效果变差，冷却剂供给设备发生故障、换热系统堵塞等原因，都可能导致反应热未能及时移出。停电、搅拌系统故障、桨叶损坏、转速不够、桨叶形式不当、物料粉碎度不够等则会使反应物料在器内分散不均匀，造成散热不良或局部反应过于剧烈而发生危险。违反生产操作规程，物料超装，催化剂加入过多，原料配比，投料次序和时间不当，冷却剂阀门开关失误，升温速度过快，温度压力读错，计量仪器仪表有故障等原因均可引起物料化学反应的异常。许多化学反应，还会因物料中存在危险杂质而导致剧烈的副反应、过反应，甚至使反应异乎寻常加快导致反应失控。

2）反应容器内形成爆炸性混合物

有些气态反应的原料混合气，其原料配比处在爆炸极限范围之内而具有爆炸性。例如：丙烯氨氧化反应的丙烯与空气在原料总体积中分别占6.16%和677%，丙烯浓度已在爆炸极限之内（其爆炸极限为2%一11%）；苯醉生产中蔡与空气的重量比为1：9左右，萘蒸气在空气中的体积浓度为2.25%（蔡蒸气爆炸极限为0.88%-5.9%）。反应容器内可燃气体或易燃液体蒸气未置换或置换不彻底，也是形成爆炸性混合物的重要原因。

3）反应容器密封不严，物料泄漏引起燃烧爆炸

反应容器密封不严，物料冲出，遇明火燃烧爆炸。

4）反应容器因设计制造缺陷引起爆炸

反应容器设计不合理，结构形状不连续，焊缝布置不当等引起应力集中；设备材质选择不当，制造容器时焊接质量不合要求及热处理不当等使材料韧性降低；容器壳体受到腐蚀介质的腐蚀，强度降低等可能使容器在生产过程中发生爆炸。

5）反应容器中高压物料窜入低压系统

与反应容器相连的常压或低压容器、储柜，由于反应容器中高压物料的窜入，发生爆炸。

6）水蒸气或水漏入反应容器发生危险

采用水蒸汽加热或水冷却的反应容器，若水蒸汽或冷却水漏入容器内，容器内物料遇水分解放热，温度、压力急剧上升，造成冲料，发生火灾。如硝化反应，当硝化剂中进有水会促使其大量分解和蒸发，强烈腐蚀设备，还会造成爆炸。水通过设备蛇管和壳体不严密处渗进硝化物料时，会引起液态物料温度和气压上升。

7）反应容器泄放系统不合理引起事故

在物料泄放时，泄放口位置、高度未按要求设置，排出的物料飘散流入室内，遇明火燃烧爆炸。

8）反应容器进出物料不当引起事故

大多数烃类物料属绝缘物质，其导电性较差，进出反应容器时，物料高速流动，静电积累放电引起燃烧爆炸。反应容器采用加压卸料，易使容器内气体或蒸气逸出泄入厂房，形成爆炸性混合气体

9）反应容器受热引起爆炸

由于外部可燃物起火，辐射热引起反应容器内温度急剧上升，蒸气压增大，发生冲料或爆炸

10）火灾爆炸事故连续发生

反应容器由于反应失控，外部火焰作用或设备缺陷发生泄漏破坏时，因其内部压力往往高于大气压，有的可达3.0MPa-10.0MPa或更高，器内液体呈过热状态，容器爆裂导致物料蒸气压的平衡状态被破坏，发生不稳定的过热液体而引起的二次爆炸（称为蒸气爆炸）；喷出来的反应物料迅速扩散，容器周围空间则被可燃液体的雾滴或蒸气所笼罩，如遇火源，会发生第三次爆炸（混合气体爆炸）。这三次爆炸往往在瞬间即可完成，但却是性质有所不同的相继出现的三种爆炸。

本项目首先通过文献调研、疏散实验和实际火灾案例分析，获得疏散反应时间的监控视频和调查问卷，采用动态图像分析方法从疏散演习和实际火灾案例的监控视频中提取疏散反应时间特征参数（包括察觉、求证、确认、疏散准备等特征时间参数），并用调查问卷的统计结果进行修正完善。然后，基于多尺度时间序列分析方法建立火灾情况下人员疏散反应时间的时序模型，系统地研究疏散反应时间范围及其时序特征，并结合申请者开发的建筑人员疏散模型（CFE），构建包含火灾察觉、求证、确认、行动准备、疏散运动等多个特征阶段的全过程疏散模型。最后，以公共娱乐场所、办公楼、住宅建筑三类典型建筑为例进行精细模拟，并通过与实际案例和疏散演习的对比分析，进一步改进和完善模型，具体研究人员疏散反应与火灾发生发展、建筑结构与环境、人员特征等典型要素之间的关系，探索缩短人员反应时间的技术和方法，提高疏散效率，实现火灾情况下的安全、快速疏散。

本项目针对爆炸冲击荷载造成的结构局部损伤与破坏将显著降低钢结构抗火性能的现象，拟采取理论分析与数值模拟相结合的研究方法，系统开展爆炸与其次生灾害-火灾联合作用下钢结构的损伤破坏与连续倒塌分析研究，以钢梁、钢柱等结构构件和典型钢结构为研究对象，通过研究爆炸与火灾作用下钢结构损伤破坏的相关性，建立爆炸与火灾联合作用下钢梁、钢柱等结构构件的损伤破坏分析方法；通过研究爆炸后火灾作用下钢梁、钢柱等结构构件的损伤破坏规律，建立爆炸与火灾联合作用下钢梁、钢柱等结构构件的损伤程度评估方法；通过研究爆炸后火灾作用下温度环境的时空变化规律，建立爆炸与火灾联合作用下钢结构连续倒塌分析与倒塌时间预测方法。为日益广泛应用的钢结构的安全设计提供可靠的理论依据和分析手段，因而具有重要的理论意义和工程价值。