火荷载下混凝土箱梁温度场分布与变形分析.pdf

3 2 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g J u l y， 2 01l 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 3 2 0 4 火荷载下混凝土箱梁温度场分布与变形分析 张 岗， 王翠娟 ( 长安大学 交通 行业 旧桥 检测与加 固重点试验室 ， 西安7 1 0 0 6 4 ) 摘要： 混凝土箱形截面梁随火灾场温度的升 高， 高温度区会 穿透混凝土薄壁层， 致使 箱梁的有效区域完 全破 坏， 混凝土箱形截面的等温线分布比实心截面等温线偏高； 整跨 受热模式下钢筋混凝土简支箱梁跨 中挠度 时程 曲线随荷栽等级的增加呈非线性变化趋势 ， 挠度 时程曲线增大的程度随保护层厚度增加而 减 小 ， 延 火时 间对钢 筋 混凝 土 简支 梁跨 中挠 度 有较 大影 响 。 因此 ， 控制 火 灾 时间或者提 高混凝 土保护 层 厚度 ， 可 有效控 制 火 灾高温 场钢 筋混 凝 土桥 梁的挠 度值 。 关键 词 ： 桥 梁工程 混 凝土 箱 梁 火荷栽 中 图分类 号 ： T U 3 7 5 1 ； T U 3 5 2 5文献标 识 码 ： A 目前 ， 各种结构火灾时有发生 ， 铁路桥梁火灾也不 可忽 视 ， 受 到 了设 计 维 护 及研 究 人 员 的广 泛 关 注 。火 灾后桥梁结构 承载力降低主要有两方 面原 因 。 ： 火 灾荷载作用下混凝土和钢筋材料性能 、 工作性能劣化 ； 铁路桥梁结构承载重量大 ， 发生火灾后 ， 在重载作用下 容易坍塌 。著名学者对火灾下各种形式的柱以及多种 组合结构做了深刻的研究 ， 进行 了大量的试验， 并提出 了火 灾后 昆 凝 土 结构 的加 固方 案及 安全评 价 方法 。钢 筋混 凝 土 T梁 承载 能 力强 ， 应 用 广 泛 ， 然 而 一 旦 发 生 火灾 ， 在重荷载作用下非常危险。本文在各国试 验的 基础上 ， 引入 Wi l l i a m Wa r n k e r 五参数强度模型和非 线 性本构关系， 分析了钢筋混凝土 T梁火灾下的截面温 3 20 度分布， 研究了高温下的挠度时变效应及破坏形式 。 1 工程背景 图 1为箱梁结构截面尺寸及构造 。由图 1 ( a ) 可 知， 某混凝土箱形截面简支梁 ， 跨长均为 1 6 0 m， 截面 顶板宽度为 3 2 m， 底板宽度为 1 7 m， 梁截面高度为 1 7 m， 腹板高度为 1 3 m， 悬臂板端部厚度 为 0 3 m， 悬臂 板根 部厚 度 为 0 4 m， 顶板 厚度 为 0 1 5 m， 底 板 厚 度为 0 2 8 m， 上部倒角为 3 0 e m2 0 c m， 下部倒角为 2 0 e m 2 0 e m。 由图 1 ( b ) 可知 ， C为混 凝 土保 护 层厚 度 ， 在计算 中 C取不同的值分析其对火荷载作用下箱 梁跨 中挠度的影响程度 。 9 1 0 1 7 O ( a 1 截面尺寸 图 1 箱梁结构截 面尺寸及构造( 单位 ： e m) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 3 1 0； 修回 日期 ： 2 0 1 1 0 4 一 O 1 基金项 目： 中央高校基 本科研 业务专 项 资金项 目( C H D 2 0 0 9 J C O 1 5) ； 国 家 自然科学基金 项 目( 5 0 9 0 8 0 1 7 ) ； 国家 西部 交通 建设 科技项 目( 2 0 1 1 3 1 8 8 1 2 9 7 0 ) 。 作者简 介 ： 张 岗( 1 9 8 O 一 )， 男， 甘肃 庆阳人 ， 讲 师， 工学博士 。 8 1 0 8 0 2 o 2 1 8 币 2 5 ( b ) 截面构造 2 热温模 式 国际标准化组织 ( I S O 8 3 4 ) 建议 的建筑 构件抗火 试验曲线如图 2所示 ， 其计算表达式为 T ( t )=3 4 5 1 g ( 8 t+1 )十 ( 1 ) 式 中， 表示试验炉内的初始温度( ) ； ( t ) 表示燃 烧开始后 t m i n时试验炉的空气平均温度( ) 。 2 0 1 1年第 7期 火荷载下混凝土箱梁温度场分布与变形分析 如 图 2所 示 ， I S 0 8 3 4标 准火 灾 温 度一 时 间 曲线 ， 升温过 程 单调 ， 无论 燃烧 时 间多长 ， 温度 呈对 数 曲线光 滑上升 ， 始终没有衰减熄灭过程。作为一个计算标准 ， 它在结构构件的抗 火试验、 高温性能分析或抗火极 限 验算 中统一应用 ， 可保证结构具有一致的抗火性能， 并 可对不同结 构进 行损伤计算和抗火安全性及 火后评 价。针对强外热场景 的设定 ， 对于强热 区的抗火计算 和焰围域 的温度 ， 选择式 ( 1 ) 进行分析。 3 S F M 箱形截面梁分析 3 1 分 析模 型 图 3为钢筋混凝土箱形截面简支梁火灾模型。如 图 3所 示 ， 混凝 土采 用 C 5 0 ， 主 拉 钢 筋 采 用 级 钢 ， 详 细尺寸参见图 1 。采用整跨受热模式 ， 箱室外侧 ( 除顶 板顶面) 和翼缘板底面升温 ( 按标准火灾 I S 0 8 3 4升温 曲线加热) ， 所受均布荷载为 q k N m( 不含 自重) ， 计 算火灾高温 2 0 0 m i n不同保护层厚度和不同荷载等级 外 部荷载 图 2 标准火灾温度一时间 曲线 下钢筋混凝土箱形截面简支梁 的变形 状况 ； 分析其挠 度时变效应过程 ， 确定耐火极限。 表 1 为钢筋混凝土箱形截面简支梁火灾模型设计 参数。 ( a 1 纵 向 火场强 火场强度 C o ) 横截面火场 图 3 火灾场钢 筋混凝土箱形截面简支梁模型 表 1 火灾模型梁设计参数 3 2高温场 分析 图 4为火 灾 高温场 钢筋 混凝 土箱 形截 面梁 随火 延 时间的温度分布云图。分析图 4说 明： 由于箱梁外侧 和翼缘板下侧受火 ， 所 以迎火侧温度 相对其它部位较 高； 从箱形截面外侧到 内侧 ， 火灾温度逐渐降低， 呈明 显的梯度分布 ； 随着火灾时间的延伸 ， 高温层逐渐向内 扩展 ， 扩展宽度递增 ， 由于混凝土箱梁腹板 、 底板厚度 较小 ， 火灾高温时间过长 ， 高温会穿透腹板 和底板 ， 使 得整个箱室的温度升高 ， 从 而改变 了整个箱 室内部 的 环境 温度 。 图 4 ( C ) 和图 4 ( d ) 给出了火灾高温场钢筋混凝土 箱形截面梁和实心截 面梁随火延时间的等温线 ， 具有 空腔薄壁结构热传导的特色。根据流固耦合热传导模 式可知 ， 封闭空腔结构中的气体对流热耦合效应具有 影响， 混凝土箱形截面属于空腔薄壁结构 ， 空腔内气体 有热对流传导作用 ， 能够改变空腔附近的温度分布形 状 ， 扩展等温线分布的宽度 ， 空腔截面近腔处等温线值 比同等条件下实心截 面等温线偏 高。由此看 出， 在火 3 4 铁道建筑 ( b ) 6 0rai n 图 4 火灾模型截面温度梯度分布 灾高温场中， 空腔薄壁结构截面的温度扩展效应较实 心截面显著 ， 从而导致明显的力学效应 ， 空腔薄壁截面 结构的变形大于同等条件下实心截面结构的变形。 3 3形变 分析 图 5为不同保护层厚度相应荷载 比下钢筋混凝土 箱形截面简支梁跨 中挠度时程 曲线。分析 图 5说明 ， 火延 2 0 m i n内跨 中挠度基本无变化、 火延 2 0 mi n后跨 中挠度大约呈缓抛物线下降， 整个火延期 内混凝土箱 形截面简支梁跨 中挠度时程 曲线随火灾时间的延伸呈 非线性增长趋势， 随荷载 比的增加而增大 ， 挠度时程 曲 线增大的程度 随保护层厚度增加而减小 。由图 5 ( a ) 可知 ， 混凝 土保 护层 为 3 e m、 荷 载 比 =1 0时 ， 火延 时 间 1 0 0 ra i n跨 中挠度为 9 0 1 l m、 1 5 0 rai n跨 中挠度值为 1 4 0 m m、 2 0 0 m i n跨 中挠度 值为 2 2 0 m m； 荷载 比 = 1 5时 ， 火延 时间 1 0 0 m i n跨 中挠度 为 1 0 0 m m、 1 5 0 m i n跨 中挠度值为 1 7 0 m m、 2 0 0 mi n跨中挠度值为 2 6 0 m m； 荷载 比 =2 0时 ， 火延时间 1 0 0 v a i n跨 中挠度为 1 5 0 m m、 1 5 0 mi n跨 中挠度值为 2 1 0 m m、 2 0 0 ra i n跨 中 挠度值为 3 2 0 mm。 由图 5 ( b ) 可知 ， 混凝土保护层为 4 a m、 荷载 比 = 1 0时 ， 火延 时间 1 0 0 ra i n跨 中挠度 为 7 0 m m、 1 5 0 r n i n跨 中挠度值为 1 2 0 12 e l m、 2 0 0 mi n跨 中挠度值为 1 7 0 mm； 荷载 比 =1 5时 ， 火延时间 1 0 0 m i n跨 中挠度为 9 0 mm、 1 5 0 mi n跨 中挠度值 为 1 5 0 m m、 2 0 0 mi n跨 中 挠度值 为 2 2 0 m m； 荷载 比 =2 0时 ， 火 延时 间 1 0 0 rai n跨中挠 度为 1 2 0 mm、 1 5 0 rai n跨 中挠度值 为 1 8 0 m m、 2 0 0 m i n跨 中挠度值为 2 5 0 m m。 由图 5 ( C ) 可知 ， 混 凝土保护层 为 5 c m、 荷载 比 = 1 0时 ， 火 延 时 间 1 0 0 m i n跨 中挠 度 为 6 0 mm、 1 5 0 mi n跨中挠度值为 1 0 0 mm、 2 0 0 mi n跨中挠度值 为 1 5 0 mm； 荷载 比 =1 5时 ， 火 延 时 间 1 0 0 ra i n跨 中挠度 为 8 0 l n m、 1 5 0 mi n跨 中挠度值 为 1 3 0 m m、 2 0 0 mi n跨 中 挠度值为 1 8 0 n -i 1 1 ； 荷 载 比 =2 0时， 火 延时 间 1 0 0 rai n跨 中挠 度为 9 0 mn l 、 1 5 0 ra i n跨 中挠度 值为 1 5 0 m m、 2 0 0 rai n跨 中挠度值为 2 1 0 m m。 图 6为火灾高温 2 0 0 ra i n不同保护层厚度各荷载 等级下钢筋混凝土箱形截面简支梁跨 中挠度 比较。由 图6可知， 火灾高温 2 0 0 m i n时 ， 钢筋混凝土箱形截面 简支梁挠度随荷载比的增加呈线性增长趋势 ， 荷载 比 1 0时 ， 跨 中挠度随荷载 比变化平缓； 荷载 比为 2 0 时 ， 跨 中挠度显著增大。当保护层厚度分别为 5 a m和 4 a m时， 钢筋 混凝 土箱形 截 面简支 梁火 灾高 温 2 0 0 2 0 1 1 年第 7期 火荷载下混凝土箱梁温度场分布与变形分析 E g 鞲 ( a ) C = 3 c m 图 5 不 同保护层厚度各荷 载比挠度时程曲线 图 6 2 0 0 m i n不 同保护层 厚度各荷 载等级挠度 比较 ra i n ， 荷载 比 =1 0时、 跨中挠度值不大于 1 7 0 m m， 荷 载比 =1 5时 、 跨 中挠度值不大于 2 1 0 mm， 荷载 比 = 2 0时 、 跨中挠度值不大于 2 5 0 mm； 保护层厚度为 3 c m时， 钢筋混凝土箱形截面简支梁火灾高温 2 0 0 m i n ， 荷载比 ： 2 0时， 跨 中挠度值为 3 2 0 f i l m， 其值远大于 混凝 土 保护 层 为 4 c m 和 5 e lT I 相 应 荷 载 等级 的 挠 度 值 ， 大约为混凝土保护层 4 c m和 5 c m相应荷载 比的 挠度值 的 1 5倍 。提高混凝土保护层厚度， 可减小火 灾高温场钢筋混凝土箱形截面简支梁 的跨 中挠度， 有 效控制火灾高温 场钢 筋混凝 土箱形截面简支梁 的变 形 。 4 结 论 1 ) 热传导及 热辐射 的速度与测点至混凝土 表面 的距离相关 ， 测点靠近混凝土表面， 升温快； 远离 混凝 土表面， 升温缓慢 。 2 ) 混凝土箱形截面梁随火灾场温度 的升高 ， 高温 度区会穿透混凝土薄壁层 ， 致使箱梁的有效 区域完全 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 01 2 O1 4 01 6 01 8 0 2 0 0 2 2 0 时间 m i n ( c 1 c= 5 c m 破坏 ； 并且 ， 混凝土箱形截面属于空腔薄壁结构 ， 空腔 内气体有热对流传导作用 ， 能够改变空腔 附近截面的 温度分布 ， 扩展等温线分布的宽度， 比实心截面等温线 偏高 。 3 ) 整跨 受 热 模 式 下 钢 筋 混 凝 土 简 支 箱 梁 跨 中 挠 度 时 程 曲线随 荷载 等 级 的增 加 呈 非 线 性 变化 趋 势 ， 挠 度时程曲线增大的程度 随保护层厚度增加而减小 ， 火 延时间对钢筋混凝土简支梁跨 中挠度有较大影响。因 此 ， 控制火灾时间或者提高混凝土保护层厚度 ， 可有效 控制火灾高温场钢筋混凝土桥梁的挠度值。 参 考 文 献 1 张岗 ， 贺拴 海 时变对流模式混凝 土箱 梁厚壁结 构内生热场 分布 J 长安大学学报 ( 自然科学 版) ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 2 ) ： 6 4 6 9 2 张 岗， 贺拴海 ， 任伟 火 灾高 温下 R C简支梁 极 限弯矩 计算 模型研究 J 武汉理工大学学 报 ( 交通 科学 与工程 版 ) ， 2 0 1 0 ， 3 4( 1 )： 1 3 4 1 3 6 3 张岗 ， 贺拴海 混凝土箱梁热一力耦合模型 与剪力滞 时变效 应 J 解放 军理工大 学学报 (自然 科学版 ) ， 2 0 1 0 ， 1 1 ( 2 ) ： 1 3 1 1 3 6 4 张岗 ， 贺拴海 ， 王翠娟 火灾 后混凝 土桥 梁高温场优 权评 判 方法 与安全 评价 J 安全 与环 境学报 ， 2 0 1 1 ， 1 0 ( 6 ) ： 2 1 1 - 2 1 5 5 张岗 ， 王亚垄 ， 王翠娟 过火 混凝土 桥梁评 价方法及 耐久 性 损伤评估模 型 J 公 路 交通 科技 ( 学 术版 ) ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 9 ) ： 8 8 - 9 2 6 陈梦成 ， 袁方 ， 许 开成 钢管微 膨胀混凝 土 的水化热 与限制 膨胀性能分析 J 铁道建筑 ， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 1 3 3 1 3 6 7 李竹 ， 王文达 ， 于清 地 下工程 中钢管混 凝土 柱的抗 火计算 与实践 J 铁道建筑 ， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 6 0 6 3 ( 责任审编 王天威) 0 渤 瑚 瑚 gu v