基于截面索温度等效的悬索桥耐火性能分析.pdf

消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期建筑防火设计基于截面索温度等效的悬索桥耐火性能分析多飞1,杨青天1,侯立群2,陈适才1（1.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124；2.中铁建设集团有限公司，北京 100040）摘要：为分析悬索桥结构的耐火性能，提出基于分层截面索温度等效的耐火性能分析方法。首先基于传热理论推导平行钢绞线组成的索截面温度计算模型，并通过对比验证进一步建立简化的分层实心截面索的等效温度计算方法；然后建立等效强度的实心索桥梁结构有限元模型，根据等效强度计算方法确定受火部位主缆索的温升曲线，最后通过热力耦合分析实现悬索桥结构的火灾反应过程和耐火性能研究。通过此方法对某悬索桥进行耐火性能实例分析，结果表明：对于此悬索桥主缆 4层索截面，在车辆火灾 50 min 之前存在明显的不均匀温度场。考虑索截面不均匀温度场时的整体桥梁结构反应与不考虑时存在明显区别。基于等效面积和等效强度的分层截面索温度等效方法能考虑索截面温度场的不均匀分布，同时简化索桥结构有限元模型以及避免整体索桥结构的复杂热传导分析，实现索桥结构耐火性能的全过程分析。关键词：悬索桥；耐火性能；等效温度；数值模拟；简化计算方法中图分类号：U447；U448.25 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）09-1233-08桥梁火灾是桥梁结构遭遇的一种常见灾害荷载1，由于火灾高温能引起结构材料性能退化，所以火灾可以造成桥梁损伤甚至倒塌，造成巨大的人员伤亡和经济损失，甚至超过风灾和地震2-3。国内外学者已对不同桥梁结构的抗火性能进行了诸多研究，如斜拉桥4、拱桥5、钢结构梁桥6、钢混凝土组合桥7-10、混凝土桥梁11和悬索桥12。其中缆索桥造型优美、跨越能力强，被广泛应用于大跨度公路桥中。主缆和吊索是缆索桥体系的主要承重构件，容易受到车辆火灾的威胁，研究其耐火性能对安全性具有重要意义。目前，缆索系统中高强钢丝的应用较为广泛，其高温力学性能的研究较多，如范进等13、郑文忠等14和 ZHANG L 等15等探明了高强钢丝在高温下的力学性能；周浩等16进行了预应力钢绞线温度膨胀及高温蠕变性能试验研究；杜咏等17-18研究了平行钢丝束力学特性的高温折减系数和高温应力-应变关系，并建立了钢缆索的简化分析模型，得出了空腔辐射对钢缆截面温度场的分布影响规律；SLOANE M J D 等19对悬索桥的钢缆热传导分析进行了理论研究，推导了钢缆热传导分析的解析解。对缆索桥梁耐火性能分析中，马如进等20利用 FDS对泰州长江大桥不同类型的汽车火灾进行模拟，得到火场温度的分布规律和桥塔温度的分布特征；田伟等21采用 HCinc升温曲线对武汉鹦鹉洲长江大桥高温力学性能进行了分析研究；宁波等22通过有限元软件 ANSYS 建立 了 油 罐 车 火 灾 下 桥 梁 索 结 构 的 热 分 析 模 型；BENNETTS I等23对斜拉索进行了传热分析，发现没有保护层的吊索升温速度更快，力学性能下降更多。缆索的截面存在空隙，传热过程较为复杂，外层钢丝直接受火，升温迅速，内层钢丝与外层钢丝接触面积小并且空气的导热量比较少，所以内层钢丝主要通过空隙的热辐射传导热量升温，导致内外层钢丝存在较大的温度梯度，接触热传导和空腔辐射热对索体的温度分布有重要影响24-25。但王莹等26、李艳等27等对悬索桥的热力耦合响应的数值模拟分析中都假定主缆是实心均匀的连续体，合并简化考虑了接触和空腔辐射的热传导过程。为了充分考虑接触和空腔辐射的热传导过程，同时利用实心缆索截面的整体桥梁结构的热力耦合数值模型进行分析。本文基于文献 18 建立的经数值模拟验证的钢缆索分析模型，进一步推导平行钢绞线组成的索截面温度等效计算方法，建立一种基于分层截面索温度等效的索桥结构耐火性能分析方法。此方法可建立等效面积的实心索桥梁结构有限元模型，研究悬索桥结构的火灾反应过程和耐火性能。最后对某悬索桥耐火性能进行实例分析，研究主缆、吊杆的内力以及桥梁整体结构的变形，期望为索桥结构的耐火性能分析提供参考。1索截面等效温度场计算模型1.1索截面热传导分析模型火灾下，缆索桥缆索结构的热量传递是一个瞬态热传导过程（不考虑塑料套管），包括钢索外部空气中的热量向钢索体外表面进行热量传递以及钢索体内部热传递。首先以钢结构传热理论推导空腔钢索截面温度场计算公式，然后将其通过多项式拟合建立简化分层的钢索截面温度场。根据钢结构热传导分析模型，火灾下有防火保护层的钢构件如图 1所示，其温度热传导过程需要考虑保护层的影响，其温度可采用式（1）进行计算28。Ts=1scsFiV(Tf-Ts)t（1）基金项目：国家自然科学基金资助项目(51678016，52278471)1233Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9=11+icidiFi2scsVidi式 中：防 火 保 护 层 为 非 轻 质 防 火 保 护 层 时，2icidiFiscsV。如果将保护层视为钢材，式（1）变形为式（2）。Ts(t+t)=1scsVdiiFi11+/2 Tf(t)-Ts(t)t+Ts(t)（2）=iciFidiscsV式中：Ts、Tf分别为钢构件和热流介质的温度；s、i分别为钢构件和保护层的密度；cs、ci分别为钢构件和保护层的比热容；di为保护层厚度；Fi为单位长度保护层的内表面积；V 为单位长度钢构件的体积；i为保护层的导热系数；di/（iFi）为保护层的导热热阻。导热热阻指的是当有热量在物体上传输时，物体两端温度差与热源功率之间的比值。在索结构的截面温度传热过程中，根据钢索温度场分析模型18将钢绞线外部钢丝作为保护层，钢绞线内部钢丝作为中心钢构件，如图2所示，而通过面积等效的分析模型如图 3所示。将钢绞线外部钢丝的导热热阻代入式（2），即可求得钢绞线内部钢丝的温度。保护层（外部构件）绝热面钢构件TsTfTb（钢索中丝）外部构件中心构件TfTbTs绝热中心rfri图 1钢构件升温模型Fig.1Steel member heating model图 2索结构升温模型Fig.2Cable structure heating modelTfTbTiT2T1ri+1rir2r112ir图 3圆柱体结构升温模型Fig.3Cylinder structure heating model根据火灾热量由空气向索结构内部的传递过程，首先通过热对流和热辐射过程将热量传递到索结构钢绞线外部钢丝，热对流中热量的计算公式17和对流换热热阻分别为式（3）、式（4）。qc=cA(Tf-Tb)（3）Rd=Tf-Tbqc=1cA（4）式中：qc为单位时间内向表面积为 A的构件表面传递的净热量；Tf为热流介质温度；Tb为构件表面温度；c为对流换热系数。另 外 热 辐 射 传 热17和 辐 射 换 热 热 阻 分 别 为 式（5）、式（6）。qr=r(Tf+273)4-(Tb+273)4（5）Rf=Tf-Tbqr=1hrA（6）hr=r(Tb+273)+(Tf+273)(Tb+273)2+(Tf+273)2式中：qr为单位时间内热辐射物体向表面积为 A 的表面传递的热量；为形状系数；r为综合辐射系数，r=fm；m为构 件 表 面 的 辐 射 率；f为 火 焰 的 辐 射 率；为 Stefan Boltzmann常数，取 5.6710-8 kW/（m2K4）。由于对流换热和辐射换热同时进行，可将两者设定为 并 联 传 递，则 火 灾 环 境 到 索 结 构 外 表 面 的 总 热 阻为式（7）。Rz1=11Rf+1Rd=1Ahr+Ac（7）在索结构内部传热过程中，钢绞线之间的热传导和空腔热辐射同时进行，导热热阻和空腔辐射热阻呈并联形式。则空腔辐射热传导公式为式（8）。qcvt=sXi,jAi(Ebi-Ebj)=sXj,iAj(Ebj-Ebi)（8）s=11+Xi,j(1i-1)+Xj,i(1j-1)Ebi=(Ti+273)4Ebj=(Tj+273)4式中：qcvt为由表面 Ai辐射到表面 Aj上的热量；Ai和 Aj分别为表面 i和表面 j的面积；Ebi和 Ebj分别为表面 i和表面 j的单位面积在单位时间内发射的能量；s为系统发射率；Xi，j为 Ai对 Aj的相互角系数，对于同心长圆柱体取 Xi，j=Xj，i=1.0；i和 j分别为 Ai和 Aj的发射率，对于钢材取值为0.812；Ti、Tj分别为表面 i和表面 j的温度。空腔辐射热阻变形为式（9）。Rcvt=Ti-Tjqcvt=1hcvtAi（9）hcvt=sXi,j(Ti+273)+(Tj+273)(Ti+273)2+(Tj+273)2根据 SLOANE M J D 等19提出空心圆筒壁的径向1234消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期导热热阻，见式（10）。Rt,cond=ln(ri+1/ri)2Li（10）式中：ri+1、ri分别为两层圆半径；i为第 i层的导热系数；L为构件的长度，取单位长度 L=1 m，则外部构件即保护层的并联导热热阻为式（11）。Rz2=11Rt,cond+1Rcvt（11）将外部环境总热阻式（7）和外部保护层总热阻式（11）串联代入式（2）得截面温度计算公式，见式（12）。Ts(t+t)=1scsV(Rz1+Rz2)11+/2 Tf(t)-Ts(t)t+Ts(t)（12）1.2索截面温度数值模拟与对比分析以云蒙大桥主缆截面为例，按等面积原则，将钢绞线外部钢丝作为外部保护层构件，面积等价为外部圆环面面积 A3；保护层与内层钢构件的空气总面积等价中间圆环面积 A2；钢绞线内部钢丝面积等价为中心钢构件面积A1，图 4为主缆截面和等效示意图。火场空气温升曲线采用后续 2.2节 FDS模拟结果，通过理论公式（12）计算各层钢绞线表面温度，如图 5 所示。另外采用有限元软件 ABAQUS 对云蒙大桥主缆进行建模分析，将主缆空隙中的空气当作一种材料赋予截面属性进行建模，同时通过在界面考虑空隙的热辐射作用，索中的各钢丝都采用 DC2D3单元，比热容和导热系数分别取固定值 600 J/（kg）和 45 W/（m）12。将材料赋予截面，设置热传导分析步，分析步时间同理论计算时间相等设置为 5 400 s，同样采用 2.2节 FDS模拟的主缆温升曲线为钢绞线边缘施加温度荷载。温度云图结果如图 6 所示。由图 6可以看出，钢绞线最外层的最高温度与最内层存在较大温差，若以钢绞线外表面作为整体温度，难以准确反映钢绞线高温下力学性能。云蒙大桥主缆截面各层钢绞线外表面温度理论计算值与数值模拟值对比如图 7所示。通过主缆截面温度的修正值与模拟值的对比，理论计算的结果和数值模拟的各层钢绞线外表温度绝对差值小于 40，相对误差控制在 10%以内，验证了本文提出的索结构截面温度计算公式的有效性和合理性。1.3索截面温度等效计算方法由于索结构截面存在不均匀温度场，随温度变化的力学性能较为复杂，目前对索结构模型的分析仍是将索结构作为实体结构，以某一温度代替索结构的不均匀温度，与索结构实际的力学性能存在误差。对于具体的索桥结构，可以运用最小二乘法多项式拟合的方法求得索截面的连续温度场，见式（13）。T(t,r)=1,t,t2,tnT K 1,r,r2,rn（13）式中：r为到主缆截面中心的距离；K为系数矩阵。在索截面不均匀温度场中，同一半径距离的点温度相近，本文将温度相近的面积分为 n 层圆环，对于同层圆环温度假设相等，根据每层的温度 T（t，ri）确定其对应的热流第四层钢绞线第三层钢绞线第二层钢绞线第一层钢绞线A1A1A2r2r1r3（a）索截面（b）第 24层等效图A2A1A3r3r2r1A3A2A1r1r3r2（c）第 34层等效图（d）第 4层等效图图 4主缆截面和等效图Fig.4Schematic and equivalent diagram of main cable时间/s01 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 0008006004002000温度/温升曲线第 1层理论值第 2层理论值第 3层理论值图 5各层钢绞线表面的温度曲线Fig.5The temperature curve of each layer of steel strands+5.172e+02+5.061e+02+4.949e+02+4.837e+02+4.725e+02+4.613e+02+4.501e+02+4.389e+02+4.277e+02+4.166e+02+4.054e+02+3.942e+02+3.830e+02NT11图 6主缆截面温度云图Fig.6Temperature cloud map of main cable section时间/s01 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 0007006005004003002001000温度/第 1层理论第 3层理论第 2层模拟第 2层理论第 1层模拟第 3层模拟图 7各层钢丝温度理论值与模拟值对比图Fig.7theoretical and simulated value of temperature1235Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9强度 fT（t，ri），然后用等强度原则可得到整体索截面 t时刻的等效强度 ft（式（14），之后可以根据等效强度换算成对应的等效温度，得到索截面的等效温升曲线。根据等效强度确定对应的等效温度可以建立索单元模型来分析，此分析过程实际上是将顺序耦合分开考虑，中间加入等效过程，所以不属于顺序耦合也不属于瞬态分析方法，但有利于整体悬索桥模型建立以及计算效率的提高。ft=fT()t,r1A1+fT()t,r2A2+fT()t,rnAnA =1nfT()t,riAiA（14）2悬索桥火场模拟与分析以北京市密云区云蒙大桥作为工程背景，该桥全长744 m，共 4 联 15 跨，其 中 第 2 联 为 35 m+135 m+165 m+35 m 的独塔双索面悬索桥，主跨长度 165 m 和 135 m，桥面宽度 36.6 m。全桥共设两根主缆，横向间距为29.5 m，每根主缆由 33股 127丝 5.1 mm 的镀锌高强钢丝组成。主跨顺桥向（从左往右）共布设 27 对吊杆，单根吊杆采用 85丝 7 mm 平行镀锌高强钢丝组成。2.1火灾热释放率模型与 FDS火场模拟根据火灾规模大小一般将火灾热释放率增长类型分为 3 类6：线性增长模型、平方增长模型、指数增长模型。其中指数增长模型又根据控制方式的不同分为 2类：燃料控制增长型和通风控制增长型。在对汽车火灾热释放率的选择中，线性增长模型简化较多，计算量小，但与实际桥梁火场相差较远，误差较大。平方增长模型与线性增长模型相比虽然误差减小，但没有热释放率衰退阶段，且发展阶段与实际室外火灾发展存在偏差。桥梁火灾最大的特点是处于室外环境，通风条件良好，空气充足，燃料能够充分燃烧，火灾发展阶段迅速，所以指数增长型更符合桥梁实际火灾场景。在空气充足而可燃物（汽车）质量一定的情况下，燃料控制型指数增长模型更符合实际火灾场景，因此本文的火灾热释放率模型选择燃料控制型指数增长模型，其表达式为式（15）6。Qc=Qmaxmh(1-e-pt)m-1ept,t 0（15）式中：h、p 为根据实际火灾条件确定的变量；m 为指定的变量。桥梁的抗火计算和设计应当以最不利火灾场景为原则，采用文献 14 中油罐车火源作为本研究中火灾的起火源，参数见表 1。将表 1中的参数代入式（15）中，得到热释放率公式以及相应的热释放率增长曲线。FDS 模型空间尺寸选 52 m40 m24 m（分别对应纵桥向、横桥向和桥高度方向），满足覆盖 25 号吊杆的跨度。网格尺寸选取 0.5 m0.5 m0.5 m，共计单元399 360 个。火源热释放率选取 200 MW 的油罐车，火源尺寸大小为 12 m2.5 m。建立 FDS火场实体模型，如图8所示。在 5根吊杆处每 2 m 间隔设置热电偶 A1E5，共计 25个；主缆每隔 2 m 设置 20个热电偶 Z1Z20；在火焰中心横纵方向中心处和吊杆平面处设置切片 3 个。温度监测布置如图 9所示，绿色点位置为温度监测设备位置。表 1指数增加模型函数及参数Table 1Exponentially increasing model functions and parameters车辆类型油车燃烧总能量Etot/GJ1 500最大热释放率Qmax/MW200m1.1h1.27p/10-30.17图 8FDS火场分析模型Fig.8FDS thermal analysis model diagram2.2吊杆和主缆温度场采用 FDS火场模型模拟云蒙大桥在上述油罐车火灾下的温度云图，如图 10所示。吊杆和主缆热电偶所测温度值如图 11所示。通过多种火场分析，考虑最不利影响，以最高温度作为火场温度，可以得到在 200 MW 的油罐车火灾下 35 号吊杆和图 9监测设备布置图Fig.9Monitoring equipment layout96587077568058549039530020511015.0（a）横桥向中间切片空气温度横截视图1 0009008007006005004003002001000.00（b）纵桥向中间切片空气温度立面图图 10桥梁纵横切面空气温度图Fig.10Air temperature longitudinal and transverse sections1236消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期火源正上方主缆的温升曲线，如图 12所示，并以此温升曲线进行后续索截面传热简化分析。时间/s20015010050001 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000温度/B1B2B3B4（a）3号吊杆热空气温度值时间/s1 000800600400200001 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000温度/C1C2C3C4C5C6（b）4号吊杆空气温度值图 11各测点空气温度随时间变化图Fig.11Air temperature at each measuring point时间/s1 000800600400200001 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000温度/3号吊杆4号吊杆5号吊杆主缆图 12油罐车火灾下主缆和 35号吊杆空气温度Fig.12Air temperature of main cable and boom 3 to 5可以看到，4号吊杆的空气温度最高，其次是主缆，两者较 3 号吊杆和 5 号吊杆的空气温度高出许多，4 号吊杆的空气温度随时间先快速上升，之后相对平稳，最后缓慢下降。主缆的空气温度有相似的变化趋势，3 号吊杆和 5号吊杆的空气温度上升后，直至最后保持相对平缓的趋势。3悬索桥索杆截面等效温度计算将云蒙大桥主缆截面按钢绞线层数分为 4 层等效圆环，为结构安全考虑，选取每层最外侧温度代表同一层圆环的温度，通过索截面温度理论公式（式（12）求出每一层温度随时间变化值，确定对应的连续温度场表示（式（13），其中 K为 55阶的系数矩阵：-7.679 1013 3.451 1015 -4.694 1016 2.461 1017 -4.356 1017 3.932 10-1 3.941 100 -1.502 101 1.614 101 0 -1.884 10-4 -1.067 10-3 1.218 10-3 0 0 4.947 10-8 9.134 10-8 0 0 0-4.694 10-12 0 0 0 0然后通过式（14）计算出主缆截面各层的等效强度，再根据等效强度确定对应的等效温度 T（t），得到索截面的等效温升曲线，最终求得云蒙大桥主缆截面在 200 MW油罐车火灾下的升温曲线方程为：T(t)=-4.665 10-12t4+6.204 10-8t3-3.064 10-4t2+0.646t+71其中 t为时间，0 st5 400 s。另外，云蒙大桥吊杆采用 85 丝 7 mm 平行镀锌高强钢丝组成，直径仅有 0.06 m，前期单独通过 ABAQUS 模拟时，其截面温度场比较均匀，所以这里分析时只考虑主缆的温度等效，而不考虑吊杆的温度场不均匀性，可视为等温度截面，可直接取表面 温 度 作 为 吊 杆 截 面 整 体 温 度 进 行 后 续 的 热 力 耦 合分析。4悬索桥热力耦合分析4.1悬索桥有限元模型采用有限元软件 ABAQUS 建立云蒙大桥有限元模型，云蒙大桥加劲梁选取常用的模拟方式为鱼刺梁模型，吊杆和主缆以等效弹性模量法模拟，即根据统一的弹性模型 2.051011 N/m2计算实心索的面积，从而采用 beam梁单元建模分析。云蒙大桥为对称式结构，为简化计算，主塔同样选取 Beam 梁单元。大桥主要构件材料特性如表 2 所示，目前不同研究者进行了钢索的高温试验研究，取得了不同的研究成果14，29，为了简化，钢索的高温本构关系依据欧洲 EN 1991-1-230规范选取。其他比热容导热系数分别取固定值 600 J/（kg）和 45 W/（m）。桥梁铺装以均布荷载的形式施加到加劲梁。考虑到火灾时可能造成桥梁大面积交通堵塞，车辆荷载以静力均布荷载的形式满布于车道。建立的模型如图 13 所示。全桥共 762个节点，843个单元。4.2热力耦合结果与分析将第 3 节主缆和吊杆的瞬态温度场作为温度荷载施加到桥梁力学模型中考虑桥梁主缆和吊杆的火灾温度，表 2主要构件材料特性表Table 2Main component material characteristic table结构类型主缆1、27吊杆一般吊杆钢箱梁两端箱梁主塔弹性模量/1011 N/m22.051.952.052.103.451.00线膨胀系数/10-51.181.181.181.181.001.00泊松比0.30.30.30.30.30.3密度/kg/m37 8507 8507 85014 7402 7502 6501237Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9从而进行桥梁的耐火性能分析。吊杆应力随时间变化值如图 14所示。模型中，常温下 4号吊杆轴力为 1 403 kN，应力为 367 MPa。随着时间的增加，火场温度升高，吊杆受到的拉应力先降低后升高。火灾前 400 s，吊杆由于温度升高，产生膨胀，抵消一部分拉力，导致应力降低，400 s时吊杆达到最低应力，为 280 MPa；400500 s，吊杆温度迅速升温至 700 ，吊杆的抗拉折减系数由 0.87 降至0.13，材料性质逐渐劣化，吊杆应力逐渐增大，当火灾到 2 100 s时，吊杆应力达到 366 MPa，达到极限抗拉强度而发生屈服破坏。图 15表示了采用本文方法（等效组）的主缆应力随时间变化，可知：常温下主缆应力为 534 MPa，在油罐车火灾前期，主缆应力同吊杆应力变化规律相似：在火灾发展的前 400 s，由于受到高温材料发生膨胀，主缆应力下降至420 MPa；4001 200 s 阶 段，主 缆 温 度 从 200 升 至500，吊杆温度升温至 700，二者材料弹性模量下降，应力缓慢上升；1 200 s 之后，随着吊杆劣化更加严重，桥梁整体应力重分布使得主缆应力增速变快，2 100 s 后吊杆达到抗拉强度极限退出工作，主缆应力增长也随之加快，在 5 400 s时吊杆应力达到最大值 880 MPa，但始终没有超过主缆的抗拉强度 1 020 MPa，主缆没有发生破坏，但安全储备较小，仅为抗拉强度的 14%。目前常采用缆索表面温度代表整体缆索截面温度的简化方法，图 16 为采用简化方法的主缆应力随时间变化（对照组）。可知，由于以主缆最外侧温度代表主缆温度，主缆升温迅速，从120 s 开始，温度达到 400，抗拉强度开始下降，当火灾到达 360 s时，主缆的极限抗拉强度下降至 255 MPa，小于主缆此时的应力，主缆发生屈服破坏。桥梁在 200 MW 大型油罐车火灾下，吊杆和主缆受高温影响，材料性质和承载能力会折减甚至失效，进而导致桥梁产生竖向位移。从有限元计算结果中提取油罐车火灾下桥梁整体位移变形结果，如图 17 所示，其中，等效组为采用本文方法计算得到，对照组为采用缆索表面温度代表整体缆索截面温度的简化方法计算得到。在油罐车火灾下，35 号吊杆受火灾高温的影响较大，4 号吊杆温度最高达 700。在等效组模型中，钢材的弹性模量发生大幅度下降，4 号吊杆在 35 min 后失效，承载能力接近于零，其余两根受火吊杆的抗拉刚度也有少许下降，使得35 号吊杆处的竖向位移增大，最大竖向位移变化值为39 mm。其余吊杆距离油罐车较远，不受温度影响，在热-结构分析模型中刚度与常温一致，远离火灾位置的竖向变形变化较小。在对照组主缆模型中，主缆抗拉强度下降较快，钢材性能下降较多，在未破坏之前，各吊杆竖向位移比简化主缆模型大。其中，火源周围吊杆竖向位移相差最大，在直接受火吊杆处，竖向位移最大相差 14 mm，右跨各吊杆竖向位移相差 13 mm。由油罐车在悬索桥最外侧车道燃烧时受火侧吊杆和主缆的高温力学性能计算结果可知：火灾对主缆和吊杆的影响非常大，高温下吊杆会率先发生破坏，如果救援不及时，会导致桥梁整体力学性能的下降。由吊杆升温曲线可知，油罐车火灾升温速率快，在 10 min内吊杆温度就可升至 600。火灾发生后的前 7 min，吊杆应力由于热膨胀而减小，在 7 min后吊杆应力慢慢增大，吊杆的抗拉强度也由原先的 1 670 MPa降低，最终在 35 min时等于吊杆的应力，发生破坏。5结 论索桥结构由多根平行钢绞线组成，截面中存在空隙，与实体结构在高温下的热传导过程和力学性能存在差异，在进行索桥整体结构抗火分析时，整体有限元模型难以直接考虑有空隙的索单元模型，并进行热传导分析。时间/s0 5001 000 1 000 2 0002 5002 0001 6001 2008004000应力/MPa抗拉强度4号吊杆应力图 144号吊杆应力Fig.14No.4 boom stresses时间/s0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 0002 0001 5001 000500应力/MPa抗拉强度主缆应力6 000图 15本文方法主缆应力（等效组）Fig.15The main cable stress of this method（equivalent group）受火区域3 4 5图 13桥梁整体模型装配图Fig.13Bridge overall model assembly drawing时间/s01002003004005002 0001 5001 000500应力/MPa抗拉强度主缆应力图 16简化方法主缆应力（对照组）Fig.16Main cable stress of simplified method（control group）1238消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期本文通过建立等效的分层实心截面索的等效温度计算方法进行整体模型和热传导分析，并通过悬索桥案例进行应用分析，得到以下结论。（1）在车辆火灾条件下，平行钢绞线索截面存在不均匀温度场，通过热传导建立的平行钢绞线索截面温度场计算方法可用于其不均匀温度场的估算，与有限元计算结果相差 10%左右。（2）通过面积相等和强度等效可建立索截面不均匀温度的等效温度场，此方法可以有效简化索桥结构有限元模型，同时不需要进行整体索桥结构的复杂热传导分析，而是直接进行热力耦合分析。（3）在索桥结构的耐火性能分析时，考虑索截面存在不均匀温度场，有利于得到更准确的计算结果。对于云蒙大桥主缆 4层索截面，在车辆火灾 50 min之前存在明显的不均匀温度场，之后截面温度趋于均匀，考虑索截面不均 匀 温 度 场 时 的 整 体 桥 梁 结 构 反 应 比 不 考 虑 时 更 加精确。（4）车辆火灾主要对火场附近的索构件影响大，如云蒙大桥车辆火灾发生在 4 号吊杆附近时，旁边的 3 号和 5号吊杆温度影响较小。但由于内力重分布，在 4号吊杆失效后，周围吊杆和主缆受影响较大，因此需要进行整体的受力性能分析。参考文献：1 张岗,贺拴海,宋超杰,等.钢结构桥梁抗火研究综述J.中国公路学报,2021,34(1):1-11.2 WARDHANA K,HADIPRIONO F C.Analysis of recent 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Technology,September 2023,Vol.42,No.9of the thermomechanical response of structural cables subject to fireJ.Fire Technolo