箱梁內(nèi)部火災(zāi)影響下橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析

張俊，石玲莉

(1重慶市政設(shè)計(jì)研究院 重慶 400074 2四川省瀘州市公路局 四川瀘州 646000)

箱梁內(nèi)部火災(zāi)影響下橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析

張俊1，石玲莉2

(1重慶市政設(shè)計(jì)研究院 重慶 400074 2四川省瀘州市公路局 四川瀘州 646000)

隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，橋梁建設(shè)在我國(guó)得到了飛速的發(fā)展。雖然火災(zāi)發(fā)生于橋梁的概率不大，但是每年還是有一部分橋梁發(fā)生意外火災(zāi)。本文以溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的基本理論為依據(jù)，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)橋箱梁進(jìn)行變截面有限元實(shí)體建模，針對(duì)箱梁內(nèi)火災(zāi)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響進(jìn)行了探索與研究。

箱梁；連續(xù)剛構(gòu)橋；ABAQUS；有限元；溫度場(chǎng)分布

1 概述

當(dāng)前關(guān)于結(jié)構(gòu)火災(zāi)的研究多集中在分析建筑火災(zāi)引起的高溫對(duì)梁、柱、板、墻等建筑構(gòu)件的強(qiáng)度和變形的影響方面。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)，特別是連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁內(nèi)部火災(zāi)對(duì)橋梁，結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響的研究基本上沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。

高溫作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度顯著下降、變形明顯增大，對(duì)于超靜定體系將發(fā)生劇烈的內(nèi)力重分布，甚至改變結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理和極限荷載。因此本文選取某單箱預(yù)應(yīng)力箱型橋梁 (60.5m+110m+60.5m三跨一聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋)，結(jié)合鋼筋混凝土高溫條件下的熱工性能[1]，在有限元理論[2]的基礎(chǔ)上使用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行箱梁內(nèi)不同規(guī)模火災(zāi)模擬分析，得出連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁內(nèi)部高溫下的溫度場(chǎng)分布的主要規(guī)律及結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)變特性。

2 模型的建立

橋梁模型在受力分析時(shí)混凝土箱梁部分采用4136個(gè)C3D8R，即8節(jié)點(diǎn)六面體二次減縮積分單元，12064個(gè)C3D6線性楔形單元和9274個(gè)C3D4線性四面體單元。預(yù)應(yīng)力筋采用2960個(gè)T3D2桿單元進(jìn)行劃分。橋梁溫度場(chǎng)分析時(shí)單元?jiǎng)澐值姆绞讲蛔儯恍鑼㈩愋蛽Q為傳熱單元即可。模型橋箱梁兩側(cè)設(shè)置橫向水平約束 (U1=0)、豎直約束 (U2=0)和轉(zhuǎn)動(dòng)約束(UR1=UR2=0UR3=0)；橋墩設(shè)置橫向水平約束(U1=0)、縱向約束(U3=0)和轉(zhuǎn)動(dòng)約束(UR1=UR2=UR3=0)；樁基設(shè)為完全固定約束ENCASTRE（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0）。 劃分網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件后的整橋有限元模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型

溫度場(chǎng)的模擬時(shí)，不考慮橋梁自重、鋼筋預(yù)應(yīng)力和橋面鋪裝荷載等應(yīng)力變化，邊界條件設(shè)定為距離火源較遠(yuǎn)處不受火源的影響，即橋梁端部截面溫度在整個(gè)升溫過(guò)程中保持初始溫度不變。

3 升溫曲線及模擬工況

3.1 升溫曲線

由于箱梁內(nèi)部屬封閉空間，火災(zāi)溫度變化過(guò)程模擬取用我國(guó)學(xué)者吳波等通過(guò)回歸分析建立的室內(nèi)氣體典型火災(zāi)時(shí)間溫度變化模型[3]。

式中：t為時(shí)間（min）；Tg為t時(shí)刻室內(nèi)氣體的溫度；Tgo為初始溫度；Tgm為最高溫度；tm是Tgm與對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；b為模型參數(shù)，當(dāng)t≤tm時(shí)b=0.8，反之則b=1.6。

計(jì)算模型中的最高溫度Tgm，按1990年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)給出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線[4]：

式中：t為時(shí)間（min）；T為t時(shí)刻的溫度。 取Tgm=800，典型火災(zāi)時(shí)間溫度曲線與ISO標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線比較如圖2所示。

圖2 火災(zāi)氣體時(shí)間-溫度曲線

由圖2可知，典型火災(zāi)時(shí)間—溫度曲線與ISO標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線變化趨勢(shì)相同，區(qū)別在前者的溫度升到最高點(diǎn)后有個(gè)降溫的過(guò)程。取火災(zāi)最高溫度Tgm分別為ISO標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線升溫20min，40min和1h時(shí)的計(jì)算溫度781℃，885℃和945℃，按火災(zāi)峰值及持續(xù)時(shí)間的不同，模擬不同規(guī)模的火災(zāi)。

3.2 模擬工況

隨著火災(zāi)荷載增大，不僅跨中最大彎矩值增大、截面極限承載力減小，而且中間支座梁截面彎矩值也增大。一旦跨中出現(xiàn)塑性鉸，中間支座梁截面也將較快出現(xiàn)塑性餃，結(jié)果極限溫度值必然要降低。故取用火源的位置在主跨跨中的情況模擬不同規(guī)模的火災(zāi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。具體工況布置如下：

工況一：火源位置為主跨跨中，最高溫度取Tgm在tm=20min時(shí)的781℃，火災(zāi)總持續(xù)的時(shí)間為1h。

工況二：火源位置為主跨跨中，最高溫度Tgm取tm=40m in時(shí)的885℃，火災(zāi)總持續(xù)的時(shí)間為2h；

工況三：火源位置為主跨跨中，最高溫度取Tgm在tm=1h時(shí)的945℃，火災(zāi)總持續(xù)的時(shí)間為3h。

4 材料參數(shù)取值

分析箱梁受火時(shí)的溫度場(chǎng)時(shí)，由于箱梁不同區(qū)域取用的混凝土型號(hào)不同，故取用T.T.Lie[5]建議的高溫下不區(qū)分混凝土類別的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·oC)計(jì)算式：

針對(duì)中跨受火而邊跨保持常溫不變的三跨連續(xù)梁，鋼筋混凝土的熱膨脹系數(shù)取常數(shù)值1.0X10-5。混凝土彈性模量隨溫度的變化取用陸洲導(dǎo)[9]的三折線式給出了彈性模量和溫度的關(guān)系：

取混凝土彈性模量E=3.55X1010，按(7)式可得到混凝土彈性土彈性模量隨溫度變化值。鋼筋彈性模量隨溫度的變化取用歐洲規(guī)范Eurocode3[10]不同溫度段常溫下的彈性模量乘以折減系數(shù)，如表1所示。取鋼筋的彈性模量E=2.0X1011Pa，按高溫折減可得到高溫下鋼筋的彈性模量數(shù)據(jù)。

表1 不同溫度彈性模量折減系數(shù)

經(jīng)過(guò)受火區(qū)域的鋼筋預(yù)應(yīng)力隨溫度升高有部分損失，設(shè)置隨時(shí)間變化的降溫方式實(shí)現(xiàn)鋼筋預(yù)應(yīng)力損失模擬。鋼筋的熱膨脹系數(shù)設(shè)為α=1X10-5，用△T=σ/E/α公式算得實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力加載需要設(shè)置的降溫?cái)?shù)值，例如設(shè)鋼筋初始溫度為20℃，降溫525.6℃，可實(shí)現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力大小為1076MPa。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算公式：σ（△T）＝E(T)α（T)△T,結(jié)合鋼筋熱工參數(shù)變化和火災(zāi)最高溫度及持續(xù)時(shí)間，按典型火災(zāi)升溫曲線算得相應(yīng)鋼筋預(yù)應(yīng)力隨溫度變化的損失值。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 箱梁的溫度場(chǎng)

跨中區(qū)域按火災(zāi)輻射放熱和對(duì)流換熱疊加的方式對(duì)主跨跨中區(qū)域加載火災(zāi)溫度荷載，箱梁內(nèi)部在火災(zāi)作用下，截面溫度場(chǎng)呈層狀分布，且越遠(yuǎn)離受火面，溫度梯度越小，不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)形狀較為相似。箱梁跨中截?cái)鄿囟葓?chǎng)分布云圖如圖3所示。

圖3 箱梁溫度分布云圖

從圖3可以看出，跨中溫度梯度較大，說(shuō)明箱梁跨中為集中受火點(diǎn)，受火源的影響程度較深；隨著溫度場(chǎng)沿縱橋向發(fā)展，溫度變化呈遞減趨勢(shì)且變化趨緩。箱梁內(nèi)部火區(qū)附近溫度受火源的影響劇烈，當(dāng)梁體距火源超過(guò)一定范圍后，火源對(duì)其溫度的影響趨無(wú)。比較三種工況下火源正下方箱梁底板混凝土表面溫度變化曲線，如圖4所示。

圖4 火區(qū)內(nèi)箱梁底板溫度變化曲線圖（長(zhǎng)度單位：m，溫度單位：℃）

對(duì)比圖4中三種工況可知：混凝土箱梁受火時(shí)的距離跨中相同位置處的溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)相似，根據(jù)各工況下火源峰值的不同，溫度場(chǎng)梯度大小有所不同。在火源溫度達(dá)到峰值時(shí)，箱梁底板混凝土表面工況一時(shí)的最高溫度為89.83℃，影響區(qū)域?yàn)轫槝蛳?1.2m范圍內(nèi)；工況二時(shí)的最高溫度為252.1℃，影響區(qū)域13.8m；工況三時(shí)的最高溫度為449.9℃，影響區(qū)域15.5m。在距火源較近的區(qū)域混凝土溫度較高，混凝土容易開裂以釋放溫度應(yīng)力，背火面混凝土溫度值的變化不顯著。

5.2 橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)

運(yùn)用有限元分析可以得到溫度最高時(shí)各工況下的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化情況如圖5所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力箱梁撓度變化云圖（放大100倍）

從圖5可以看出橋梁跨中出現(xiàn)了下?lián)犀F(xiàn)象，由于連續(xù)剛構(gòu)橋兩端有約束力作用，墩頂會(huì)有少量上撓。不同工況下?lián)隙戎涤兴鶇^(qū)別，具體三種工況下的撓度變化曲線如圖6所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力箱梁三種工況下?lián)隙茸兓€（單位：cm）

模型中預(yù)應(yīng)力和混凝土自重等荷載是對(duì)稱的。受火時(shí)箱梁內(nèi)雖有一定撓度和應(yīng)力的變化，但仍承受著預(yù)加軸向壓力(損失后的預(yù)應(yīng)力荷載)，并保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和完整。根據(jù)火災(zāi)最高溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，火災(zāi)時(shí)，箱梁內(nèi)部溫度有一個(gè)急劇增加的過(guò)程，即在起火后2～l0m in內(nèi)溫度已經(jīng)達(dá)到較高值，而三種工況的時(shí)間均超過(guò)10m in，故受火區(qū)混凝土預(yù)應(yīng)力三種工況下的損失差別不明顯，相鄰工況間撓度變化均在1cm以內(nèi)。結(jié)構(gòu)在滅火后，短時(shí)間內(nèi)，迎火面溫度下降，但撓度和應(yīng)力仍將略有上升，隨著迎火面溫度的繼續(xù)下降，撓度和應(yīng)力才開始下降。

6 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)箱梁內(nèi)可能發(fā)生火災(zāi)的情況取某箱型橋，結(jié)合鋼筋混凝土高溫下的熱工性能，在有限元理論的基礎(chǔ)上，利用通用有限元軟件ABAQUS中的熱傳導(dǎo)和應(yīng)力分析功能對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁內(nèi)部火災(zāi)進(jìn)行模擬，根據(jù)本文的分析可知：連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁內(nèi)最高溫度僅隨火災(zāi)規(guī)模的增大而增大。箱梁截面溫度場(chǎng)呈層狀分布，越遠(yuǎn)離受火面，溫度梯度越小，且不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)形狀較為相似。受火時(shí)，結(jié)構(gòu)雖然有一定撓度和應(yīng)力的變化，但仍能承受預(yù)加軸向壓力(損失后的預(yù)應(yīng)力荷載)，并保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和完整，說(shuō)明連續(xù)剛構(gòu)橋具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)抗火性能。

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Analyzing Structural Conditions concerning Bridge Box-Girderon Fire

With the advancement of technology and econom ic development,bridge construction in China has been rapidly developed.Although the probability of fire in thebox-girder of bridge issmall,thereare stillsomebridge fireaccidentshappening every year.Based on the theory and algorithm of Heat Transfer,and by using the Finite Elementmethod and ABAQUS finite element software,we put forward amodel of box girder create varying sections.Wehave doneexploration and research to directed or state impactof fire in box-girder to the continuous rigid framebridge.

box girder；continuous rigid framebridge;ABAQUS;finiteelement;temperaturedistribution

U447

A

1671-9107（2011）07-0022-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2011.07.022

2011-04-11

張俊(1979-)，男，工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)方面的工作。

余詠梅