某钢桁架桥火损后的评估研究及处治措施.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：沈国烯（1990），男，汉族，江西九江人，大学本科，中级职称，研究方向为桥梁检测与维修加固研究。-62-某钢桁架桥火损后的评估研究及处治措施 沈国烯1,2 齐 秦1,2 邱忠南1,2 1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉 430034 2.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034 摘要：摘要：某连续钢桁架管道桥因桥上高压电缆起火导致主桁架过火，为了解钢桁架桥火灾后的结构状况，分析火灾对桥梁结构的影响，为后期桥梁维修、处治提供科学依据。以火灾后的钢桁架桥进行现场检测为基础、推算主桁架受火时的温度场，并对桁架在火灾温度场下的热应力耦合效应进行仿真分析，最终对火灾后的桥梁安全性进行综合评估。关键词：关键词：火灾；有限元分析；热敏感性；温度场；热应力耦合分析；承载能力 中图分类号：中图分类号：U291 0 引言 随着我国经济的发展，钢结构因其自重轻、强度高、施工工期短等优势在桥梁建设中得到广泛应用。但是钢材耐火性差，钢结构发生火灾后强度迅速降低导致承载能力下降。因此，对于火损后钢结构桥梁进行合理的检测评估和安全性鉴定具有重要意义3-5。火灾事故是影响桥梁安全运营的重大风险之一，一旦发生火灾，轻则损毁构件，严重则导致桥梁垮塌事故。本文以火灾后某连续钢桁架管道桥为例，通过火灾温度场仿真模拟，对桥梁在火灾作用下的热应力耦合效应进行分析；结合火灾后桥梁受损情况的初步鉴定结果、详细调查结果及结构有限元计算结果，为桥梁维修、处治提供科学的依据。1 工程概况 某电力管道桥采用三跨连续钢桁架结构，跨径布置为（40+60+40）m=140m，主桁上部结构采用连续钢桁架结构，桁高 4.0m，桁架全宽 4.0m，其中通行净宽3.6m。主桁采用全焊连接方式，节点间距为 5.0m。桁架采用上、下弦杆+斜腹杆体系，下平联采用斜撑、纵、横梁加钢桥面板体系，上平联采用一字型横撑体系。主体结构板材采用 Q345C，顶棚采用 4mm 铝塑板顶棚。某桁架桥第 1 跨 10kV 高压过桥电缆着火形成火情，起火 1 小时后供电站跳闸断电后采用高压水枪洒水的方式进行灭火，大火持续 1 小时 15 分钟左右。图 2 桥梁火灾现场照 2 检测结果 2.1 火作用调查分析结果 火灾影响区调查结果：本桥火灾影响区整体纵向 图 1 桥梁立面布置图（尺寸单位：mm、高程单位：m）中国科技期刊数据库 工业 A-63-受火范围约 50m。火烧严重区域主要集中在第 1 跨左桁片、上横梁、桥面板及小纵梁。火场残留物调查结果：1#18#上横梁处钢桁梁顶棚铝板基本被烧光，现场遗留大量铝板局部融化残留物；顶棚 1#11#上纵梁表面涂层均已烧光，且相邻节段焊缝均脱开；桥面板与小纵梁焊缝脱开，5 处上拱变形严重；桥面板小纵梁严重错位变形，最大变形达0.65m；39 处腹杆贴角焊缝开裂。第 1 跨左侧斜腹杆四周表面涂层烧光，金属表面局部外露呈深蓝、灰黑及黑色等不同颜色；左侧腹杆表面涂层均被烧光，钢结构外露呈黑色、灰黑色及深蓝色；右侧腹杆外侧面表面未见明显火烧痕迹，局部存在熏黑现象；右侧腹杆内侧表面涂层局部烧光，外侧表面涂层局部变色；左侧主桁片火烧程度整体明显比右侧主桁片严重。火场温度推断结果：根据火灾后工程结构鉴定标准（T/CECS 252-2019）2附录 B.0.1 条和附录B.0.3 条推断。本桥为非密闭空间，空气流动性好，具备充分燃烧的条件，顶棚铝板火烧后发生局部融化现象，可判断火场最高温度大于铝的熔点温度（660.4），但高压电缆铜芯线火烧后未发现黄铜锐边变圆、滴状物形成现象，可判断结构的火场温度位于 660.4950之间，但更接近铝的熔点温度，与钢构件表面涂层油漆烧损状况（烧光）推断钢结构表面最高温度基本吻合。2.2 结构专项检测结果 焊缝探伤检测结果：第 1 跨左侧 1#斜腹杆外侧面顶部 1 条组合焊缝和左侧 2#斜腹杆外侧面顶、底部各1 条组合焊缝内部均存在气孔和未焊满缺陷，评定为不合格焊缝，其余其余8条焊缝质量等级满足规范要求。结构整体线形及局部变形测量结果：第 1 跨左侧下弦杆火烧后跨中下挠 96.6mm，但未超过钢结构设计标准（GB 50017-2017）附录 A 中表 A.0.1 主梁或桁架挠度允许值 100mm（L/400）。左侧 L2#斜腹杆小里程面存在较为明显弯曲变形，最大变形量为 22.5mm，其余腹杆弯曲变形量均较小。钢结构力学性能试验结果：火烧严重的钢结构样品屈服强度分别为 260MPa、290MPa，抗拉强度分别为360MPa、375MPa；均不满足低合金高强度结构钢（GB/T 1591-2008）第 6.4 节中 Q345 材质钢结构最低屈服强度 345MPa，最低抗拉强度 470MPa 的规范要求。动力性能测试结果：主梁实测自振频率 3.398Hz，大于计算值 2.839Hz，表明桥梁结构实际动力刚度大于理论刚度，满足设计及规范要求。3 结构计算分析 结构计算分析主要包括以下两个方面：1）受火时温度场计算分析；2）在火灾温度场下热应力耦合分析。3.1 计算模型参数 3.1.1 火场温度确定 桥梁火灾现场温度一般可采用火灾温度公式法推定。该方法是以国际标准化组织（ISO）采用的火灾升温曲线1-2为计算依据。标准升温曲线为：TT0345log（8t+1）式中：t 为升温持续时间(min)；T 为升温后温度()；T0 为初始温度()。根据现场调查结果，火灾燃烧约为 60min（时长为3600s）。发生火灾时桥梁环境温度约为 30，升温结束时火灾温度 TT0+345log（8t+1）=955。根据火灾情况调查，起火一小时后供电站跳闸断电后采用高压水枪洒水的方式进行灭火，1 小时 15 分钟左右明火基本扑灭。故本计算假设起火前一小时遵循标准升温曲线持续升温，最后 15 分钟温度线性下降至 30，如图 3 所示。图 3 火场升降温度曲线 3.1.2 热工参数选取 钢材热传导系数、比热容系数参考 钢结构设计（欧洲规范 EC3）6。3.1.3 对流换热系数选取 考虑到火灾时候桥面有风，故空气对流换热系数取值 70 W/（m2K）。火灾发生一小时后消防开始喷水灭火，故取水的对流换热系数为 1000 W/（m2K）。3.1.4 材料特性参数 中国科技期刊数据库 工业 A-64-高温下，钢材的屈服强度和弹性模量均会发生显著的变化，钢结构的材料特性参数参考建筑钢结构防火技术规范（GB51249-2017）8相关规定。3.1.5 有限元模型 建立全桥 ANSYS 有限元模型，如图 4 所示，按照支座实际位置布置边界采用壳单元模拟桥梁结构，单元共 283178 个，节点共 281588 个。考虑到高温下钢材弹性模量及屈服强度的变化，本模型采用多线性随动强化模型 KINH 模拟高温下钢材的非线性应力-应变关系，出于简化计算的目的，假设钢材应力达到抗拉强度后应力水平维持不变。图 4 ANSYS 有限元模型 3.1.6 火场温度及区域设置 根据火作用调查分析结果，本桥不同位置钢结构的温度不一致，故需根据实际调研设置火场区域。根据钢构件表面涂层油漆烧损状况将火场温度分为三组：大于 600、大于 300且小于 600、小于 300。本计算也将火场分为对应的三个区域，三个区域施加不同的火场温度，如下所示。（1）大于 600的火场：火场温度设置为火作用调查所确定的温度，火场最高温度 955；（2）大于 300且小于 600的火场：火场温度设置为大于 600的火场温度的 0.6 倍，火场最高温度573；（3）小于 300的火场：火场温度设置为大于 600的火场温度的 0.2 倍，火场最高温度 191。3.2 原设计验算 3.2.1 位移计算 设计状态下，本桥在自重作用下最大竖向变形为21.2mm，最大横向变形为0.7mm，最大纵向变形为2.5mm，均未超过钢结构设计标准GB 50017 规定的变形允许值。3.2.2 应力计算结果 由于本桥为对称设计，故选取半联桥梁进行分析，原设计状态下桁架的最高应力为 126MPa，均小于钢结构设计规范（GB50017-2003）中 Q345C 的抗拉压强度设计值 295MPa，满足规范要求。3.3 受火时温度场分析 受火时温度场分析主要采用 ANSYS 热分析模块，考虑热传递、热对流和热辐射等三种热量转换方式作用下结构的温度场分布。根据火场调查的结果施加火场，进行 ANSYS 热瞬态分析。3600s 时本桥的温度达到最高 763.7，位于桥面系温度场，然后开始温度开始下降，5400s 时冷却回温至环境温度 30。桥梁从火灾发生至熄火冷却全过程中的典型温度场结果如图5图 8 所示。图 5 900S 时梁体的温度场 图 6 3600S 时梁体的温度场 图 7 5400S 时梁体的温度场 3.4 火损作用下热应力耦合分析 11jieliuhe bridge 29.0853100200300400500600700NODAL SOLUTIONSTEP=3SUB=1TIME=900BFETEMP (AVG)RSYS=0DMX=.133526SMN=29.0853SMX=500.5651jieliuhe bridge 30100200300400500600700NODAL SOLUTIONSTEP=6SUB=4TIME=3600BFETEMP (AVG)RSYS=0DMX=.285023SMN=30SMX=763.6551jieliuhe bridge 3033363942454851NODAL SOLUTIONSTEP=8SUB=5TIME=5400BFETEMP (AVG)RSYS=0DMX=.029432SMN=30SMX=30.0019中国科技期刊数据库 工业 A-65-将最不利条件下温度场分布作为温度荷载施加到桥面系结构计算模型中，分析其热应力耦合作用下的受力性能，位移和应力分析结果见下章节所示。3.4.1 位移计算结果 本桥在最不利温度场工况下（3600s 时）的结构变形如图 8 所示。图 8 最不利温度场（3600s 时）桥梁的竖向、横向变形（单位：m）本桥在最不利温度场（3600s 时）下的起火边跨发生上挠变形。最大竖向理论变形为 195mm，最大横向理论变形为 119mm。火灾过程中钢结构的弹性模量和屈服强度受到高温影响而降低，高温下钢结构的温度应力可能超过屈服强度而发生较大的塑性变形，同时高温本身也会使得钢材发生膨胀变形，二者相叠加导致桥梁出现较大的变形。桥梁熄火冷却后，桥梁的变形相比较最不利温度场时的变形有了较大的回缩，但仍有残余部分塑性变形。3.4.2 应力应变计算结果 本桥主体结构采用的钢材为 Q345C，根据 桥梁用结构钢（GB/T 714-2008），常温下其下屈服强度为345MPa，抗拉强度为 490MPa，其强度随着温度的升高而降低。故仅根据应力无法反应钢结构的屈服情况，因此本节也对钢结构的塑性应变进行分析。由于火灾主要发生在第 1 跨，故选取发生火灾的半联桥梁分析其应力应变。本桁架构件的最高应力约为 427MPa，位于起火跨的下平联端部。由于钢材的屈服应力随温度的升高而降低，故塑性应变更能说明钢结构的屈服情况。根据计算结果，过火较轻的下横梁、上横梁的塑性应变较小，受力状况良好；过火较为严重的下弦杆、下平联的斜撑以及节点板的部分区域存在塑性变形，可能存在局部变形和焊缝损伤，冷却回温后仍存有较大的残余变形和应力，但未见明显的全截面屈服，后期可进行补强修复；过火最为严重的桥面系存在大面积屈服变形的问题，应当进行拆除更换。最不利温度场桥梁结构及桥面系的塑性应变结果见图 9、图 10 所示。图 9 最不利温度场桥梁的塑性应变 图 10 最不利温度场桥面系塑性应变 4 桥梁火灾后鉴定评级结果 受到火灾场的影响，主桁架整体存在较大的变形；根据有限元仿真结果，主桁架存在局部屈服、残余应力过大的的问题，与现场实际检测结果基本一致。根据火灾后桥梁结构火作用调查、专项检测及结构计算分析结果，参考火灾后工程结构鉴定标准（T/CECS 252-2019）2的相关要求进行结构鉴定评级。（1）根据火灾后工程结构鉴定标准（T/CECS 252-2019）2第 6.1.3 条：“对初步鉴定等级为 IV级的结构构件，详细鉴定应直接评为 d 级”。桥面板小纵梁详细鉴定等级评为d级，应立即进行拆除更换。1-.17498-.133868-.092756-.051645-.010533.030579.071691.112803.153915.195027NODAL SOLUTIONSTEP=6SUB=7TIME=3600UY (AVG)RSYS=0DMX=.284057SMN=-.17498SMX=.1950271-.067369-.046661-.025952-.005243.015466.036175.056884.077592.098301.11901NODAL SOLUTIONSTEP=6SUB=7TIME=3600UX (AVG)RSYS=0DMX=.284057SMN=-.067369SMX=.119011XYZ0.0015.003.0045.006.0075.009.01NODAL SOLUTIONSTEP=6SUB=7TIME=3600NLEPEQ (AVG)RSYS=0DMX=.284169SMX=.0467481XYZ0.0015.003.0045.006.0075.009.01NODAL SOLUTIONSTEP=6SUB=7TIME=3600NLEPEQ (AVG)RSYS=0DMX=.245063SMX=.046748中国科技期刊数据库 工业 A-66-其余受力构件详细鉴定等级评为 c 级，应采取加固或局部更换措施。5 结语（1）根据火灾后工程结构鉴定标准（T/CECS 252-2019）附录 B.0.1 条可知：黄铜锐边变圆，有滴状物形成时的变态温度为 950。顶棚铝板火烧后发生局部融化现象，可判断火场最高温度大于铝的熔点温度（660.4），但高压电缆铜芯线火烧后未发现黄铜锐边变圆、滴状物形成现象，可判断结构的火场温度位于 660.4950之间，与钢构件表面涂层油漆烧损状况（烧光）推断钢结构表面最高温度基本吻合。（2）桥梁起火过程中，3600s 时达到最不利温度场，桥梁结构达到的最高温度为 763.7。在最不利温度场（3600s 时）下的起火边跨发生上挠和向左侧的横向变形。最大竖向理论变形为 195mm；最大理论横向变形为 119mm。火灾过程中钢结构的弹性模量和屈服强度受到高温影响而降低，高温下钢结构的温度应力可能超过屈服强度而发生较大的塑性变形，同时高温本身也会使得钢材发生膨胀变形，二者相叠加导致桥梁出现较大的变形。（3）桥梁熄火冷却后，桥梁的变形相比较最不利温度场时的变形有了较大的回缩，但仍残有部分塑性变形。（4）在火损作用下，桥梁钢结构部分区域发生屈服进入塑性状态，因此在冷却回温后，仍存在残余应力、局部应力过大、残存扭曲变形的问题，尤其是上下弦杆及下平联部分区域的应力超过规范限值，最大应力达到 363MPa，不满足规范要求。（5）据现场检测结果以及火灾场下的主桁架热应力耦合分析，桥梁的上下弦杆、下平联存在局部屈服、局部变形、扭曲或者焊缝受损，部分构件局部残余应力较大，对承载能力有一定的影响，详细鉴定等级为 c级，可通过外包钢筋混凝土或者局部切割更换的方式对结构进行补强；桥面系存在大面积构件屈服，变形较为严重，桥面板详细鉴定等级为 d 级，应立即进行更换。参考文献 1张志猛.钢结构火灾损伤识别及安全性鉴定研究(硕士学位论文)D.西安:西安工业大学,2016.2T/CECS 252-2019,火灾后工程结构鉴定标准S.北京:中国建筑工业出版社,2019.3蔡正东,叶敏.某钢结构桥梁火灾后检测评估与安全鉴定J.桥梁建设,2019,49(S1):62-67.4苏国明.杭绍台铁路椒江特大桥主桥钢桁梁设计J.桥梁建设,2018,48(6):99-103.5侯满,王茂强.毕都北盘江大桥钢桁梁设计关键技术J.世界桥梁,2018,46(3):1-6.6 prEN 1993-2:2003,EUrocode3:Design of Steel Structures Part2:Steel Bridges S.European Committee for Standardisation,2003.7刘华,高宗余,刘其伟,等.某预应力混凝土连续梁桥火损评估与加固J.桥梁建设,2015,45(4):81-87.8GB51249-2017,建筑钢结构防火技术规范S,北京.中华人民共和国住房和城乡建设部,2017.