为您解读平面三角形桁架和Warren平行弦桁架结构火灾下倒塌预警方法

建筑火灾是最常发生的火灾类型之一，会造成重大人员伤亡和财产损失，而建筑在火灾下的倒塌将严重威胁消防救援人员和建筑内部被困人员的生命安全。因此，对受火建筑的倒塌进行实时预警，并对倒塌剩余时间进行预报，已成为建筑火灾消防救援的重大需求。特别是钢结构建筑，由于钢材传热快、高温下力学性能退化幅度大等原因更易在火灾下发生倒塌，应作为重要对象开展研究。

实际受火建筑的倒塌行为及倒塌剩余时间与实际火灾场景、荷载分布及结构的承载能力等状态参量密切相关。然而，上述参量在火灾救援现场往往未知，且难以快速、准确确定。因此，建筑火灾倒塌预警相较于采用确定设计参量的结构防火设计面临更大理论挑战，必须借助火场实时感知技术以突破该瓶颈。由此，复杂火灾环境下建筑状态的实时感知也成为了建筑火灾倒塌预警理论应用的技术难题。

为克服以上理论和技术瓶颈，课题组前期针对冗余度较低的门式钢刚架结构 ^[1-2] 与平面梯形钢桁架结构 ^[3] 开展系统研究，分别提出了其火灾倒塌预警方法，并基于变形重构 ^[4] 和深度学习算法 ^[5-6] 提出了火灾下建筑变形的实时高精度感知方法。为深入研究火灾下结构倒塌预警方法，本文中以平面三角形钢桁架和Warren平行弦钢桁架为研究对象，开展系统参数分析，总结两类钢桁架的所有潜在倒塌模式，并提出基于位移、位移速率以及受火杆件温度的三级倒塌预警方法和倒塌时间预报方法；通过引入可靠度理论，综合考虑建筑及火场状态参量对倒塌剩余时间的影响；结合火灾试验和数值算例，对所提出的预警理论与方法进行了验证。

2.1  倒塌模式分析

实际建筑火灾场景复杂多变，且实际结构材料强度、荷载大小等状态参量未知。然而，对于某一确定的钢结构建筑，其在实际未知状态参量下的倒塌模式虽未知但是确定的，且可能发生的倒塌模式数量有限。火灾下钢结构的实际倒塌虽然有多种可能模式，但实际倒塌演化最终只会指向其中一种特定模式。因此，确定受火建筑的倒塌模式数量并识别其真实倒塌模式是开展火灾倒塌预警的重要基础。

基于试验验证的有限元模型，系统分析了荷载比和截面类型、桁架跨度与间距、火灾工况、支座约束和防护保护条件对平面三角形桁架和Warren平行弦桁架倒塌机理的影响，总结出了两类桁架在任意火灾工况下可能的倒塌模式，包括转铰型、滑移型、屈曲后转铰型、屈曲后滑移型以及再平衡等。以平面三角形桁架为例，其倒塌模式见图1。

2.2  预警方法及机制

结构火致倒塌的预警参数需满足以下两个条件：一是在火场条件下易于量测或推算；二是可以实时反映实际受火结构荷载、材性等不确定性参数。在此背景下，受火结构的变形和变形速率是最能表征结构实际状态的物理量。

通过深入分析所得到的有限元结果，基于受火时变形大、变形特征有代表性的原则确定了平面三角形桁架关键节点（图2中节点L、P、R），并以其位移和位移速率作为关键物理量，对桁架的倒塌进行预警。经系统参数分析可知，每一种特定倒塌模式下关键物理量的变化规律具有明确、唯一的特征。该理论背景是形成建筑火灾倒塌预警机制的重要基础——可基于预先总结的实际倒塌模式判别方法，通过分析实测关键物理量在火灾倒塌全过程中的变化规律识别建筑的实际倒塌模式，并进一步基于关键物理量-时间曲线上的峰值点、拐点和阈值点等特征点提出分级倒塌预警方法。

以平面三角形桁架屈曲后倒塌模式（SB类）为例，其关键物理量变化规律见图3。通过分析图3中各特征点出现的数量和顺序，可归纳表1所示的分级预警方法。在实际应用时，若判定结构即将发生SB类倒塌模式，则可基于实测关键物理量，并以表1中的准则判定是否应发出各级预警。

2.3  预警方法可靠度

为准确预测结构的倒塌剩余时间同时消除实际受火结构倒塌绝对时长对预警结果的影响，定义无量纲预警时间比 τ _{i ,E} 和倒塌剩余时间比 τ _{i ,R} 如下：

其中， t _total 为预警系统从激活到桁架倒塌的时间， t _{i ,E} 为第 i 级预警发出的时间， t _{i ,R} 为第 i 级预警发出时的倒塌剩余时间。

在真实火灾场景下，预警时间比 τ _{i ,E} 和倒塌剩余时间比 τ _{i ,R} 受实际火灾工况、桁架的几何参数和荷载条件等因素的综合影响，而这些参数在火灾场景下难以准确快速确定。因此，采用蒙特卡洛采样法，以可靠度理论考虑支座约束、火灾工况、桁架跨度、桁架间距、防火保护条件、截面类型和荷载比等各随机参数对预警时间比的影响。在图4所示方法流程基础上，可得到不同置信度水平下预警时间比和倒塌剩余时间比的取值，供火场直接使用以预测建筑的倒塌剩余时间。值得注意的是，预警时间比选用的可靠度等级与预测的倒塌剩余时间密切相关，可靠度越高，所预测的倒塌剩余时间越少，反之亦然。

采用已有的Warren平行弦桁架火灾试验和热力耦合分析，分别对Warren平行弦桁架（图5）和平面三角形桁架的火灾倒塌预警方法进行验证。在可靠度等级为80%时，Warren平行弦桁架预测的倒塌剩余时间和真实时间的对比见表2。可见，一级与二级预警结果偏于保守，而三级预警发出时预测的倒塌剩余时间与真实值基本一致。这是因为一级预警的发出与桁架受火杆件的温度直接相关，而不同的火灾场景会导致升温历程不同，因此一级预警结果与真实值相差较大；随着预警点出现数量的增加，桁架倒塌趋势愈发明显，所预测的倒塌剩余时间也在不断调整；当三级预警信号发出时，所预测的倒塌剩余时间与真实值最为接近。

以上述研究为基础，结合物联网等技术开发了以“实时量测感知-在线数据分析-即时智能研判”为核心的钢结构建筑火灾倒塌实时预警系统，其基本框架见图6。其中，所预埋的热电偶与耐高温倾角仪分别对建筑内部空气温度和关键节点转角实时量测并发送到智能预警平台，并通过深度学习模型实时推算关键节点位移 ^[5] 。随后，调用预警算法综合分析转角、温度和位移等数据依次发出预警级别并预报具有可靠度意义的倒塌剩余时间。最后，救援现场指挥员根据预警级别与倒塌剩余时间科学决策，避免结构倒塌带来的二次伤亡。

所开发的智能预警系统用户界面见图7，包括预警信息平台、火灾现场实况与数据监测平台等三部分。预警信息平台根据监测数据实时发出预警级别并预报倒塌剩余时间，火灾现场实况部分提供了被监测结构的三维模型与监测点信息，同时对火灾现场实时直播，数据监测平台实时呈现被监测结构的变形和温度信息。以上三类信息可为消防指战员科学决策提供重要参考依据。

1) 平面三角形桁架和Warren平行弦桁架根据支座约束位置和最先失效杆件位置的不同，呈现出转铰型、滑移型、屈曲后转铰型、屈曲后滑移型以及再平衡等多种倒塌模式。

2) 对于某一特定倒塌模式，平面三角形和Warren平行弦桁架关键节点的位移和位移速率呈现不随结构几何特征、火源参数等影响的特定演化规律。因此，可通过在火场对关键节点的位移和位移速率进行实测，以实时判定结构即将发生的倒塌模式，并对倒塌进行预警。

3) 可靠度越高，预测的倒塌剩余时间越少；可靠度越低，则预测的倒塌剩余时间越多。火灾倒塌试验和数值算例表明，当可靠度为70% ~ 80%时，可以较为准确地预测Warren平行弦和平面三角形桁架的实际倒塌剩余时间。