鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)的全過程分析及其模擬系統(tǒng)

火災(zāi)全過程中鋼結(jié)構(gòu)的反應(yīng)受多種因素的影響不斷隨時(shí)間發(fā)生變化。由于實(shí)際火燃燒過程中肯定包括至少一次的升溫和降溫過程，同時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力也可能出現(xiàn)增加、減小的反復(fù)變化，而不同的溫度和內(nèi)力變化組合中即不同的溫度-荷載路徑下鋼材表現(xiàn)出的力學(xué)性能是不同的，因此結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析中必須將這些因素考慮進(jìn)去。本申請(qǐng)項(xiàng)目擬對(duì)空間鋼框架結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)進(jìn)行全過程分析，包括理論分析和計(jì)算機(jī)模擬。通過大量的高溫材性試驗(yàn)，得到全 2100433B

1）反應(yīng)失控引起火災(zāi)爆炸

許多化學(xué)反應(yīng)如硝化、磺化、氧化、氯化、聚合等反應(yīng)都是放熱量較大的反應(yīng)。在反應(yīng)容器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，若正常的反應(yīng)過程失控，反應(yīng)熱蓄積，反應(yīng)體系的溫度隨之升高，反應(yīng)速度加快.體系內(nèi)壓力增大，當(dāng)內(nèi)壓急劇上升超過容器的耐壓能力時(shí)，容器破裂，高壓物料從破裂處噴出。由于溫度的升高，反應(yīng)物料還可能發(fā)生分解、燃燒，引發(fā)反應(yīng)失控火災(zāi)爆炸事故。導(dǎo)致反應(yīng)失控的原因有：反應(yīng)熱未能及時(shí)移出，反應(yīng)物不能均勻分散和操作失誤等。冷卻劑選擇不當(dāng)，換熱設(shè)備不能及時(shí)導(dǎo)出反應(yīng)器中過多的熱量，因器壁結(jié)垢傳熱效果變差，冷卻劑供給設(shè)備發(fā)生故障、換熱系統(tǒng)堵塞等原因，都可能導(dǎo)致反應(yīng)熱未能及時(shí)移出。停電、攪拌系統(tǒng)故障、槳葉損壞、轉(zhuǎn)速不夠、槳葉形式不當(dāng)、物料粉碎度不夠等則會(huì)使反應(yīng)物料在器內(nèi)分散不均勻，造成散熱不良或局部反應(yīng)過于劇烈而發(fā)生危險(xiǎn)。違反生產(chǎn)操作規(guī)程，物料超裝，催化劑加入過多，原料配比，投料次序和時(shí)間不當(dāng)，冷卻劑閥門開關(guān)失誤，升溫速度過快，溫度壓力讀錯(cuò)，計(jì)量儀器儀表有故障等原因均可引起物料化學(xué)反應(yīng)的異常。許多化學(xué)反應(yīng)，還會(huì)因物料中存在危險(xiǎn)雜質(zhì)而導(dǎo)致劇烈的副反應(yīng)、過反應(yīng)，甚至使反應(yīng)異乎尋常加快導(dǎo)致反應(yīng)失控。

2）反應(yīng)容器內(nèi)形成爆炸性混合物

有些氣態(tài)反應(yīng)的原料混合氣，其原料配比處在爆炸極限范圍之內(nèi)而具有爆炸性。例如：丙烯氨氧化反應(yīng)的丙烯與空氣在原料總體積中分別占6.16%和677%，丙烯濃度已在爆炸極限之內(nèi)（其爆炸極限為2%一11%）；苯醉生產(chǎn)中蔡與空氣的重量比為1：9左右，萘蒸氣在空氣中的體積濃度為2.25%（蔡蒸氣爆炸極限為0.88%-5.9%）。反應(yīng)容器內(nèi)可燃?xì)怏w或易燃液體蒸氣未置換或置換不徹底，也是形成爆炸性混合物的重要原因。

3）反應(yīng)容器密封不嚴(yán)，物料泄漏引起燃燒爆炸

反應(yīng)容器密封不嚴(yán)，物料沖出，遇明火燃燒爆炸。

4）反應(yīng)容器因設(shè)計(jì)制造缺陷引起爆炸

反應(yīng)容器設(shè)計(jì)不合理，結(jié)構(gòu)形狀不連續(xù)，焊縫布置不當(dāng)?shù)纫饝?yīng)力集中；設(shè)備材質(zhì)選擇不當(dāng)，制造容器時(shí)焊接質(zhì)量不合要求及熱處理不當(dāng)?shù)仁共牧享g性降低；容器殼體受到腐蝕介質(zhì)的腐蝕，強(qiáng)度降低等可能使容器在生產(chǎn)過程中發(fā)生爆炸。

5）反應(yīng)容器中高壓物料竄入低壓系統(tǒng)

與反應(yīng)容器相連的常壓或低壓容器、儲(chǔ)柜，由于反應(yīng)容器中高壓物料的竄入，發(fā)生爆炸。

6）水蒸氣或水漏入反應(yīng)容器發(fā)生危險(xiǎn)

采用水蒸汽加熱或水冷卻的反應(yīng)容器，若水蒸汽或冷卻水漏入容器內(nèi)，容器內(nèi)物料遇水分解放熱，溫度、壓力急劇上升，造成沖料，發(fā)生火災(zāi)。如硝化反應(yīng)，當(dāng)硝化劑中進(jìn)有水會(huì)促使其大量分解和蒸發(fā)，強(qiáng)烈腐蝕設(shè)備，還會(huì)造成爆炸。水通過設(shè)備蛇管和殼體不嚴(yán)密處滲進(jìn)硝化物料時(shí)，會(huì)引起液態(tài)物料溫度和氣壓上升。

7）反應(yīng)容器泄放系統(tǒng)不合理引起事故

在物料泄放時(shí)，泄放口位置、高度未按要求設(shè)置，排出的物料飄散流入室內(nèi)，遇明火燃燒爆炸。

8）反應(yīng)容器進(jìn)出物料不當(dāng)引起事故

大多數(shù)烴類物料屬絕緣物質(zhì)，其導(dǎo)電性較差，進(jìn)出反應(yīng)容器時(shí)，物料高速流動(dòng)，靜電積累放電引起燃燒爆炸。反應(yīng)容器采用加壓卸料，易使容器內(nèi)氣體或蒸氣逸出泄入廠房，形成爆炸性混合氣體

9）反應(yīng)容器受熱引起爆炸

由于外部可燃物起火，輻射熱引起反應(yīng)容器內(nèi)溫度急劇上升，蒸氣壓增大，發(fā)生沖料或爆炸

10）火災(zāi)爆炸事故連續(xù)發(fā)生

反應(yīng)容器由于反應(yīng)失控，外部火焰作用或設(shè)備缺陷發(fā)生泄漏破壞時(shí)，因其內(nèi)部壓力往往高于大氣壓，有的可達(dá)3.0MPa-10.0MPa或更高，器內(nèi)液體呈過熱狀態(tài)，容器爆裂導(dǎo)致物料蒸氣壓的平衡狀態(tài)被破壞，發(fā)生不穩(wěn)定的過熱液體而引起的二次爆炸（稱為蒸氣爆炸）；噴出來的反應(yīng)物料迅速擴(kuò)散，容器周圍空間則被可燃液體的霧滴或蒸氣所籠罩，如遇火源，會(huì)發(fā)生第三次爆炸（混合氣體爆炸）。這三次爆炸往往在瞬間即可完成，但卻是性質(zhì)有所不同的相繼出現(xiàn)的三種爆炸。

本項(xiàng)目首先通過文獻(xiàn)調(diào)研、疏散實(shí)驗(yàn)和實(shí)際火災(zāi)案例分析，獲得疏散反應(yīng)時(shí)間的監(jiān)控視頻和調(diào)查問卷，采用動(dòng)態(tài)圖像分析方法從疏散演習(xí)和實(shí)際火災(zāi)案例的監(jiān)控視頻中提取疏散反應(yīng)時(shí)間特征參數(shù)（包括察覺、求證、確認(rèn)、疏散準(zhǔn)備等特征時(shí)間參數(shù)），并用調(diào)查問卷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正完善。然后，基于多尺度時(shí)間序列分析方法建立火災(zāi)情況下人員疏散反應(yīng)時(shí)間的時(shí)序模型，系統(tǒng)地研究疏散反應(yīng)時(shí)間范圍及其時(shí)序特征，并結(jié)合申請(qǐng)者開發(fā)的建筑人員疏散模型（CFE），構(gòu)建包含火災(zāi)察覺、求證、確認(rèn)、行動(dòng)準(zhǔn)備、疏散運(yùn)動(dòng)等多個(gè)特征階段的全過程疏散模型。最后，以公共娛樂場所、辦公樓、住宅建筑三類典型建筑為例進(jìn)行精細(xì)模擬，并通過與實(shí)際案例和疏散演習(xí)的對(duì)比分析，進(jìn)一步改進(jìn)和完善模型，具體研究人員疏散反應(yīng)與火災(zāi)發(fā)生發(fā)展、建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境、人員特征等典型要素之間的關(guān)系，探索縮短人員反應(yīng)時(shí)間的技術(shù)和方法，提高疏散效率，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)情況下的安全、快速疏散。

本項(xiàng)目針對(duì)爆炸沖擊荷載造成的結(jié)構(gòu)局部損傷與破壞將顯著降低鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的現(xiàn)象，擬采取理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)開展爆炸與其次生災(zāi)害-火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼結(jié)構(gòu)的損傷破壞與連續(xù)倒塌分析研究，以鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件和典型鋼結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過研究爆炸與火災(zāi)作用下鋼結(jié)構(gòu)損傷破壞的相關(guān)性，建立爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷破壞分析方法；通過研究爆炸后火災(zāi)作用下鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷破壞規(guī)律，建立爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度評(píng)估方法；通過研究爆炸后火災(zāi)作用下溫度環(huán)境的時(shí)空變化規(guī)律，建立爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析與倒塌時(shí)間預(yù)測方法。為日益廣泛應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)和分析手段，因而具有重要的理論意義和工程價(jià)值。