火災(zāi)安全設(shè)計(jì)中參數(shù)不確定性分析及耦合風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、在火災(zāi)安全設(shè)計(jì)中，通常利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模型、探測模型和人員疏散模型來計(jì)算得到合理的火災(zāi)安全設(shè)計(jì)方案。由于火災(zāi)動(dòng)力學(xué)和疏散過程的高度復(fù)雜性，這些模型的輸入?yún)?shù)往往具有一定的不確定性。對火災(zāi)安全設(shè)計(jì)中的參數(shù)不確定性進(jìn)行科學(xué)有效地量化對于保證火災(zāi)安全設(shè)計(jì)結(jié)果的科學(xué)性、可信性具有重要意義。在目前的火災(zāi)安全設(shè)計(jì)中，經(jīng)常忽視這些參數(shù)的不確定性，將這些參數(shù)視為定值或者通過設(shè)定安全系數(shù)來表示這些不確定性。這樣的處理方法很難對參數(shù)不確定性進(jìn)行有效處理，因而

2、所得到設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性缺乏有效驗(yàn)證。針對這一問題，本論文提出了定量分析參數(shù)不確定性影響的方法以及考慮參數(shù)不確定性的火災(zāi)安全設(shè)計(jì)方法，主要研究工作與成果如下:
　　 基于拉丁超立方抽樣(LHS)的Monte Carlo模擬建立了分析熱釋放速率不確定性對可用安全疏散時(shí)間(ASET)影響的方法。根據(jù)t2火假設(shè)，分析了火災(zāi)增長系數(shù)和最大熱釋放速率的不確定性，并采用概率方法來表征其不確定性。在分析了確定性火災(zāi)增長系數(shù)和最大熱釋放速

3、率對ASET的影響基礎(chǔ)上，利用基于拉丁超立方抽樣(Latin Hypercube Sampling，LHS)的Monte Carlo模擬分析了當(dāng)分別考慮火災(zāi)增長系數(shù)和最大熱釋放速率的不確定性時(shí)對ASET的影響，最后討論了二者均為不確定性參數(shù)時(shí)對ASET的影響。此外，本部分還給出了如何利用概率信息如累積概率函數(shù)和補(bǔ)充累積概率函數(shù)來幫助火災(zāi)安全設(shè)計(jì)人員設(shè)定合理的火災(zāi)規(guī)模。
　　 提出了RSET相關(guān)計(jì)算模型的全局參數(shù)敏感性分析方法。為

4、減少參數(shù)不確定性分析的計(jì)算量并保證計(jì)算的精度，需要利用參數(shù)敏感性分析方法確定各輸入?yún)?shù)對結(jié)果的影響程度。由于RSET計(jì)算所涉及模型的復(fù)雜性，模型的輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果之間往往是非線性的且輸入?yún)?shù)之間的交互作用也會(huì)對模型輸出產(chǎn)生影響。因此，傳統(tǒng)的局部參數(shù)敏感性分析方法不適合RSET相關(guān)計(jì)算模型的參數(shù)敏感性分析。為此，本研究提出了適用于RSET計(jì)算模型的全局參數(shù)敏感性分析方法，包括輸入?yún)?shù)不確定性的表征、基于散點(diǎn)圖的初步敏感性分析以及傅里葉譜

5、敏感性測試(Fourier amplitude sensitivity test，F(xiàn)AST)和Sobol指數(shù)法的全局參數(shù)敏感性分析方法。在給定參數(shù)取值范圍和分布的情況下，對感溫探測模型和人員疏散模型進(jìn)行了全局參數(shù)敏感性分析。首先利用散點(diǎn)圖來檢驗(yàn)輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果之間是否存在線性關(guān)系?；谏Ⅻc(diǎn)圖的分析結(jié)果，利用FAST和Sobol一階指數(shù)對感溫探測模型和疏散模型進(jìn)行了全局參數(shù)敏感性分析;以Sobol二階指數(shù)為指標(biāo)定量分析了輸入?yún)?shù)的交互作

6、用對探測時(shí)間和疏散時(shí)間的影響;通過將某一不確定性參數(shù)取做定值時(shí)的累積概率曲線與考慮所有參數(shù)不確定性時(shí)的累積概率曲線比較，驗(yàn)證了本研究中參數(shù)敏感性分析方法的有效性。
　　 在分析了熱釋放速率不確定性對ASET影響的基礎(chǔ)上，提出了一種火災(zāi)安全設(shè)計(jì)中火災(zāi)規(guī)模的定量計(jì)算方法。該方法將可接受風(fēng)險(xiǎn)水平的概念引入到了目標(biāo)失效概率的設(shè)定中，在考慮熱釋放速率不確定性的前提下，提出利用可靠性理論和全局優(yōu)化算法來計(jì)算不同火災(zāi)場景下所需要設(shè)定的火災(zāi)規(guī)模

7、。工程算例分析結(jié)果表明該方法可以用于火災(zāi)安全設(shè)計(jì)中火災(zāi)規(guī)模的定量計(jì)算。
　　 提出了將安全系數(shù)與目標(biāo)失效概率聯(lián)系起來的計(jì)算方法。由于目前安全系數(shù)取值依賴設(shè)計(jì)人員的主觀判斷且設(shè)計(jì)人員無法確定所選定的安全系數(shù)對應(yīng)多大的失效概率，在考慮ASET和RSET計(jì)算過程中參數(shù)不確定性的前提下，將傳統(tǒng)的安全系數(shù)概念進(jìn)行了拓展，提出了隨機(jī)安全系數(shù)的概念?；陔S機(jī)安全系數(shù)的概率分布，建立了安全系數(shù)與失效概率之間的關(guān)系。針對ASET和RSET的概率分