建筑結構火災反應以及建筑火災發展是高度非線性過程，采用流體動力學理論及有限元數值方法是目前可模擬此過程的有效方法，然而，由于建筑火災自身的復雜性、火災與結構相互作用的復雜性，以及缺少試驗數據的驗證，所以可能導致錯誤的模擬結果。另外，足尺火災試驗可以反映建筑結構真實火災行為，但其昂貴費用以及試驗室設備條件的限制，使得足尺試驗方法難以普遍應用，而采用結構火災縮尺模型試驗方法可能為此提供一有效途徑。本項目以結構火災反應相似理論與方法為研究目標，以鋼結構為分析對象，基于鋼結構熱傳導分析的火災反應相似條件及結構幾何相似參數，研究了整體結構以及室內火災相似模型與參數，建立了結構火災反應相似理論與模型，并通過不同相似參數的鋼結構縮尺模型進行縮尺火災試驗進行分析與驗證。 本項目的主要完成：1）采用場模型模擬軟件FDS 對不同控制參數的火災場景分析統計不同縮尺模型的火災發展規律；2）通過對火場的相似理論以及結構的火災反應相似理論進行研究，分別建立了火場及結構的相似理論模型；3）采用縮尺模型試驗驗證了火場相似理論和結構火災反應相似理論模型；4）建立了中柱初始破壞引起整體結構倒塌的簡化分析模型，并建立了基于能量的簡化計算方法；5）建立了火場模型與結構模型的聯合分析方法，提出了結構火場的時空三維模型，并根據結構中的梁柱構件及樓板構件建立了具體的溫度與熱對流邊界的時空三維模型。本項目的研究成果可以為研究建筑鋼結構耐火性能的縮尺試驗方法以及結構真實火災反應提供分析方法和參考依據。 2100433B

針對多高層鋼結構的火災安全，通過整體結構的火災反應規律分析，提出了兩個能考慮整體高層結構影響的子結構模型，并進行了相應子結構模型的耐火試驗研究，提出了子結構耐火極限的計算方法；結合精細化的數值方法，對考慮整體結構影響的構件耐火性能、局部火災引起整體結構的破壞機理及各種因素的影響規律等問題進行了研究，提出了基于子結構模型的火災下鋼結構破壞倒塌的簡化分析方法。. 本項目擬進一步以建筑結構火災反應相似理論為主要研究目標，以鋼框架結構為研究對象，基于鋼結構幾何相似性以及結構火災反應相似性，研究結構模型與火災模型的相似條件以及相關參數的相似規律，建立建筑結構縮尺火災試驗方法與評價方法，并將相似理論與試驗方法用于大型復雜結構的耐火性能研究，從而推動建筑結構火災試驗技術的發展以及大型復雜結構的耐火性能研究。

相似理論主要應用于指導模型試驗，確定“模型”與“原型”的相似程度、等級等。隨著計算機技術的不斷進步，相似理論不但成為物理模型試驗的理論而繼續存在，而且進一步擴充其應用范圍和領域，成為計算機“仿真”等領域的指導性理論之一。隨著“相似”概念日益擴大，相似理論有從自然科學領域擴展到包括經濟、社會科學以及思維科學和認知哲學領域的趨勢。

相似理論從現象發生和發展的內部規律性(數理方程)和外部條件(定解條件)出發，以這些數理方程所固有的在量綱上的齊次性以及數理方程的正確性不受測量單位制選擇的影響等為大前提，通過線性變換等數學演繹手段而得到了自己的結論。相似理論的特點是高度的抽象性與寬廣的應用性相結合，相似理論的內容并不多，甚至不被當作一個單獨的學科。相似理論是試驗的理論，用以指導試驗的根本布局問題，它為模擬試驗提供指導，尺度的縮小或放大，參數的提高或降低，介質性能的改變等，目的在于以最低的成本和在最短的運轉周期內摸清所研究模型的內部規律性。相似理論在現代科技中的最主要價值在于它指導模型試驗上。盡管相似理論本身是一個比較嚴密的數理邏輯體系，但是，一旦進入實際的應用課題，在很多情況下，不可能是很精確的。因為相似理論所處理的問題通常是極其復雜的。

相似第一定理：兩個相似的系統，單值條件相同，其相似判據的數值也相同。

相似第二定理：當一現象由n個物理量的函數關系來表示，且這些物理量中含有m種基本量綱時，則能得到(n-m)個相似判據。

相似第三定理：凡具有同一特性的現象，當單值條件(系統的幾何性質、介質的物理性質、起始條件和邊界條件等)彼此相似，且由單值條件的物理量所組成的相似判據在數值上相等時，則這些現象必定相似。

這3條定理構成了相似理論的核心內容。相似第三定理明確了模型滿足什么條件、現象時才能相似，它是模型試驗所必須遵循的法則。2100433B

(1)相似及相似常數

如果原型和模型相對應的各點及在時間上對應的各瞬間的一切物理量成比例，則兩個系統相似。相似常數(也稱為相似比、比尺、模擬比、相似系數等)是模型物理量同原型物理量之比。主要有幾何相似比、應力、應變、位移、彈性模量、泊松比、邊界應力、體積力、材料密度、容重相似比等。在這些相似常數中，長度、時間、力所對應的相似常數稱為基本相似常數。

(2)相似指標及相似判據

模型和原型中的相似常數之間的關系式稱為相似指標。若兩者相似，則相似指標為1。由相似指標導出的無量綱量群稱為相似判據。

(3)同類物理現象

具有相同的物理內容，并能用同一微分方程描述的物理現象。如果兩個物理現象的微分方程的形式一樣，但物理內容不同，就不是同類物理現象。

(4)時間對應點

是指從起始時刻起，具有 的瞬時，不是從起始時刻起具有相同時間的點。

(5)空間對應點

顯然只有幾何相似的體系才具有空間對應點，它是物理現象相似的前提。