火灾对中承式拱桥钢-混组合桥面板结构性能影响分析.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁十九局集团有限公司科技研究开发项目()作者简介:李国林()男河北衡水人高级工程师主要从事施工技术研究方面的工作:.引文格式:李国林.火灾对中承式拱桥钢 混组合桥面板结构性能影响分析.铁道建筑技术():.火灾对中承式拱桥钢 混组合桥面板结构性能影响分析李国林(中铁十九局集团第五工程有限公司 辽宁大连)摘 要:以某中承式拱桥为研究对象采用火灾动力学软件 对中承式拱桥钢 混组合桥面板在桥下跨中位置 处发生油罐车火灾场景下的温度场进行研究同时运用 有限元软件对钢 混组合桥面板进行热 结构耦合分析研究火灾作用下中承式拱桥钢 混组合桥面板的结构性能 结果表明:当桥下跨中位置发生火灾时桥面板跨中部位温度场最高达 远离跨中构件温度逐渐下降火灾作用下桥面板出现严重形变随火灾时间增长跨中竖向形变达到.钢梁 应力变化云图显示钢梁受火后离火源越近位置应力发展越快高应力区域主要集中于火源附近的构件上最大应力可达到.关键词:油罐车火灾 中承式拱桥钢 混组合桥面板 温度场 热 结构耦合中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言随着桥梁建设技术快速发展桥梁已然成为重要的交通运输基础设施是交通运输的重要组成部分然而随着道路交通运输基础设施的快速发展车辆火灾发生频率越来越高 车辆火灾温度升温极快能直接破坏桥梁结构不仅威胁到人们的生命安全还会造成较大的社会影响和经济损失 因此开展车辆火灾下桥梁结构性能的影响研究对桥梁运营安全以及消防救援具有重要意义目前国内外对于桥梁抗火的研究在理论、数值模拟和试验方面均取得了一定进展 等分析了火灾作用下多梁式组合桥在火灾位置、主梁间距、跨径和外界风速等不同因素下的结构响应 结果表明:在垂直间隙最小且无风条件下油罐车在靠近桥台附近起火造成的损害最大 等进行了一系列的钢 混组合梁火灾试验和数值模拟研究不同类型耐火材料、火灾场景和钢 混组合连接方式等因素对桥梁火灾结铁道建筑技术 ()李国林:火灾对中承式拱桥钢 混组合桥面板结构性能影响分析果的影响 结果表明:火灾下耐火材料的热工参数都会发生明显变化火灾场景和构件的连接方式会造成火灾结果有很大不同同时指出钢 混组合桥的耐火极限要远远高于纯钢桥 等运用 和 软件对美国一座组合桥进行火灾参数分析评估桥梁在受火状态下火灾情景和活荷载的不同对桥梁结构产生的影响指出欧洲规范标准中沿桥梁全长发生的碳氢化合物火灾并不能充分代表中长跨度桥梁的真实桥梁火灾响应 鞠晓臣等为研究铁路桥梁在火灾作用下的温度场分布采用 软件基于大涡模拟法得到在发生桥上、开敞式桥下、半开敞式桥下火灾的温度场 结果表明:铁路桥梁火灾的温度场升温曲线与 升温曲线近似 陆建辉等分析钢梁和钢 混组合梁在火灾作用下的响应 结果表明:钢梁和钢 混组合梁高温下的反应均比常温下复杂火灾作用下纯钢梁和钢 混组合梁受力性能相似边界约束越强桥梁变形程度越明显 张岗等 针对钢 混组合桥在火灾作用下的结构性能变化进行了一系列的数值模拟和试验研究 目前对于桥梁火灾温度场的研究主要借鉴建筑抗火领域中的火灾升温模拟方式而桥梁火灾基本均发生在开阔空间火灾温度场分布呈现出显著的不均匀性 这种火灾升温模拟方式与实际桥梁火灾温度场有明显差异 基于此本文以某中承式拱桥为研究对象采用 和 软件对油罐车火灾作用下中承式拱桥钢 混组合桥面板的温度场和结构性能进行研究 工程概况与桥梁火灾温度场模拟.工程概况及火灾模型场景设置某中承式拱桥跨径为 主梁采用钢 混组合梁结构拱肋采用八边形钢箱结构 在拱轴线平面内主拱矢高 矢跨比/混凝土强度为 采用 钢材通过参考文献和规范对车辆火灾的热释放率研究结论选取一辆 油罐车在爆燃状态下的热释放率 等效固定火源面积为 .根据火灾热释放率特点以火灾热释放理论中的平方增长型为基础火灾增长时间为 火灾持续时间为 在对桥梁受火分析时不考虑火灾衰弱阶段对桥梁结构造成的影响油罐车火灾热释放率模型:.式中:为火灾热释放率 为火灾增长到稳定燃烧所用时间按照火灾设置最不利原则本研究假设在桥下跨中位置 处发生热释放率为 的油罐车火灾.火灾温度场模拟利用 对桥梁火灾温度场进行数值模拟对油罐车火灾温度场模拟的可靠性得到诸多试验验证 建立桥面板在油罐车火灾场景下的热分析模型时由于实际场景过于复杂因此需重点关注关键部位对与火灾发展没有过多联系的细节进行简化处理桥梁火灾是在开放环境下进行的动态燃烧过程故设定模拟大气压为标准大气压 在进行温度场分析时材料属性如下:()大气密度:./大气比热容:./()大气热传导系数:./()大气温度:大气风速:/()混凝土密度:/混凝土比热容:/()混凝土热传导系数:./()()钢材密度:/钢材比热容:/()钢材热传导系数:/()模拟通过布置热电偶测量火灾附近各构件的温度场分布情况本研究设定火源在横桥向、纵桥向受火对称受火区域附近编号 见图 图 桥下汽车火灾跨中位置测点布置各构件测点温升情况见图 构件温度场在 时温度变化较慢 时温度快速升高 后各构件附近温度场升温趋于稳定在最高温度附近波动 当火源距梁底 时纵桥向火源正上方跨中测点 处达到稳定燃烧后平均温度为 测点达到稳定燃烧后平均温度分别为 横桥向、和 三处测点温度极为接近 测点达到稳定燃烧后平均温度为 测点达到稳定燃烧后平均温度分别为 随着测点距离火源越远其所能影响构件温度的范围越小铁道建筑技术 ()李国林:火灾对中承式拱桥钢 混组合桥面板结构性能影响分析图 桥下 跨中位置火灾各测点温度时程曲线 火灾下钢 混组合桥面板热 结构耦合分析运用 软件对中承式拱桥钢 混组合桥面板在桥下 跨中位置发生热释放率为 的油罐车火灾下结构性能进行分析.有限元模型根据中承式拱桥结构组成 模型分为 部分建立即钢梁、混凝土板、拉索、拱肋 拱肋和桥面板中的钢梁采用 单元混凝土板采用 单元吊索采用 单元 桥梁最靠近火灾侧位置进行精细构造其他位置则充分利用结构的基本特点构建 拉索与桥面板采用 梁接触约束桥面板中受火钢构件与不受火钢构件在满足一定的约束下进行刚性连接保证节点在三个维度上的自由 在进行热 结构耦合分析时钢材的热工和热力参数取值参考欧洲规范混凝土热工参数取值参考欧洲规范 其他热力学参数的取值依然参考欧洲规范 对流换热系数按烃类火灾取为 /()火灾综合辐射系数取为.桥梁各个部件使用的具体单元及单元类型见表 拱桥模型见图 表 部件网格单元类型部件单元单元类型钢梁()四结点曲面薄壳或厚壳混凝土板八结点线性六面体单元拱肋()四结点曲面薄壳或厚壳吊索线单元图 中承式拱桥模型.结果分析为研究中承式拱桥钢 混组合桥面板下挠现象将热分析结果以温度荷载方式代入到结构分析中分别跟踪火灾作用下桥面板不同时刻的竖向位移变化情况 图 为受火状态下桥面板在 时的竖向位移云图 在火灾作用下桥面板出现严重形变随着火灾时间延长竖向位移逐渐增加离火源越近形变发展越快当火灾进行 后竖向位移达到.桥梁两边横梁由于火灾和拉索作用发生翘曲现象图 火灾 桥面板竖向位移云图图 为桥面板跨中位置在火灾作用下竖向位移变化时程曲线 分析可知:随着火灾时间的增长跨中竖向位移逐渐增大火灾初期钢材温度在 以内屈服强度还未明显下降故竖向位移在刚开始下降速度较慢此时形变产生是由于温度变化产生了热应力使得梁底出现弯曲现象随后竖向位移下降速度变快分析原因:随着火灾时间的增长钢材温度升高导致材料各项性能衰减当形变到达一定数值时竖向位移会出现短暂反弹现象这是因为钢材受火发生了膨胀形变继续变大在 以后虽然火灾仍在稳定燃烧但位移下降速率变平缓燃烧 后跨中竖向形变达到.图 跨中位置最大竖向位移时程曲线图 为受火钢梁应力云图 可以看出应力最大值在不同时刻下的位置不同离火源越近应力发展越快高应力区域主要集中在火源附近的构件上图 火灾 桥面板钢梁 应力云图铁道建筑技术 ()李国林:火灾对中承式拱桥钢 混组合桥面板结构性能影响分析图 为火灾作用下跨中位置应力变化时程图 由图 可知:随着火灾时间的延长跨中位置应力整体呈现先增大后降低的趋势构件最大应力达到.随后应力开始逐渐降低 其原因在于当构件处于火灾前期时有足够的强度来抵抗火灾作用下的变形随后由于温度持续升高构件强度逐渐下降直至失效图 跨中位置在火灾作用下应力时程曲线 结论本文利用 和 软件对某中承式拱桥钢 混组合桥面板进行温度场及热 结构耦合分析就桥梁抗火能力进行研究得出以下几点结论:()桥梁大空间火灾温度场分布不均火灾能影响桥面板构件的范围有限 当桥下跨中位置发生火灾时桥面板跨中位置温度场最高为 远离跨中的构件其温度逐渐下降直至构件不受火灾影响()在火灾作用下桥面板出现严重形变随着火灾时间的增长跨中竖向位移逐渐增大 火灾初期钢材屈服强度还未明显下降故竖向位移在刚开始下降速度较慢此时形变产生是由于温度的变化产生了热应力使得梁底出现弯曲现象随后竖向位移下降速度加快这是因为随着火灾时间的增长钢材温度升高导致材料各项性能衰减当形变到达一定数值时竖向位移会出现短暂的反弹现象这是因为钢材受火发生膨胀所致 最终燃烧 后的跨中竖向形变达到了.桥梁两侧边横梁由于火灾和拉索作用出现翘曲现象()由受火后钢梁 应力变化云图可看出离火源越近应力发展越快高应力区域主要集中于火源附近的构件上 随火灾时间的延长跨中位置应力整体呈现先增大后降低的趋势构件最大应力达.随后应力开始逐渐降低 其原因在于当构件处于火灾前期时还有足够的强度来抵抗火灾作用下的变形随后由于温度持续升高构件强度逐渐下降直至失效参考文献 姚正斐.中承式单肋拱桥绿色拆除施工技术研究.铁道建筑技术():.田伟.武汉鹦鹉洲长江大桥汽车燃烧下高温力学性能与风险防范措施研究.武汉:武汉理工大学.:.:.:.鞠晓臣 刘晓光 赵欣欣 等.基于大涡模拟法的铁路桥梁火灾场景研究.桥梁建设 ():.陆建辉 张谦 李丰亭 等.钢梁和钢 混凝土组合梁在温度载荷作用下的响应.中国海洋大学学报(自然科学版)():.张岗 宋超杰 李徐阳.碳氢火灾下钢 混组合梁破坏试验研究.中国公路学报 ():.张岗 汤陈皓 宋超杰.钢桁 混凝土组合结构桥梁耐火性能研究.建筑结构学报 ():.张岗 宋超杰 李建章.火灾后钢 混凝土组合梁承载能力评价方法.长安大学学报(自然科学版)():.宋超杰 张岗 贺拴海.钢 混凝土组合连续弯箱梁抗火性能与设计方法.交通运输工程学报 ():.李利军.公路火灾温度场数值模拟及大跨径缆索承重桥梁火灾分析.西安:长安大学.(上接第 页)张超 封培然 伍宽 等.曲线用于机制砂最优级配的探索.水泥工程():.国家市场监督管理总局.建设用砂:/.北京:中国建筑工业出版社.中国工程建设标准化协会.高性能混凝土应用技术规程:标准().北京:中国计划出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准:/.北京:中国建筑工业出版社.魏达 朱平华 王新杰 等.再生粗骨料附着砂浆含量对再生混凝土抗冻耐久性的影响.硅酸盐通报 ():.申帅.再生砖骨料对蒸养混凝土强度和耐久性的影响研究.铁道建筑技术():.铁道建筑技术 ()