火荷載下混凝土箱梁溫度場(chǎng)分布與變形分析

張 崗，王翠娟

(長(zhǎng)安大學(xué) 交通行業(yè)舊橋檢測(cè)與加固重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710064)

目前，各種結(jié)構(gòu)火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，鐵路橋梁火災(zāi)也不可忽視，受到了設(shè)計(jì)維護(hù)及研究人員的廣泛關(guān)注?；馂?zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)承載力降低主要有兩方面原因［1-7］:火災(zāi)荷載作用下混凝土和鋼筋材料性能、工作性能劣化;鐵路橋梁結(jié)構(gòu)承載重量大，發(fā)生火災(zāi)后，在重載作用下容易坍塌。著名學(xué)者對(duì)火災(zāi)下各種形式的柱以及多種組合結(jié)構(gòu)做了深刻的研究，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并提出了火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的加固方案及安全評(píng)價(jià)方法。鋼筋混凝土 T梁承載能力強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，然而一旦發(fā)生火災(zāi)，在重荷載作用下非常危險(xiǎn)。本文在各國(guó)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入William-Warnker五參數(shù)強(qiáng)度模型和非線性本構(gòu)關(guān)系，分析了鋼筋混凝土T梁火災(zāi)下的截面溫度分布，研究了高溫下的撓度時(shí)變效應(yīng)及破壞形式。

1 工程背景

圖1為箱梁結(jié)構(gòu)截面尺寸及構(gòu)造。由圖1(a)可知，某混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁，跨長(zhǎng)均為16.0 m，截面頂板寬度為3.2 m，底板寬度為1.7 m，梁截面高度為1.7 m，腹板高度為1.3 m，懸臂板端部厚度為0.3 m，懸臂板根部厚度為0.4 m，頂板厚度為0.15 m，底板厚度為0.28 m，上部倒角為30 cm×20 cm，下部倒角為20 cm×20 cm。由圖1(b)可知，C為混凝土保護(hù)層厚度，在計(jì)算中C取不同的值分析其對(duì)火荷載作用下箱梁跨中撓度的影響程度。

圖1 箱梁結(jié)構(gòu)截面尺寸及構(gòu)造(單位:cm)

2 熱溫模式

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO834)建議的建筑構(gòu)件抗火試驗(yàn)曲線如圖2所示，其計(jì)算表達(dá)式為

式中，T0表示試驗(yàn)爐內(nèi)的初始溫度(℃);T(t)表示燃燒開(kāi)始后t min時(shí)試驗(yàn)爐的空氣平均溫度(℃)。

如圖2所示，ISO834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度—時(shí)間曲線，升溫過(guò)程單調(diào)，無(wú)論燃燒時(shí)間多長(zhǎng)，溫度呈對(duì)數(shù)曲線光滑上升，始終沒(méi)有衰減熄滅過(guò)程。作為一個(gè)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，它在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火試驗(yàn)、高溫性能分析或抗火極限驗(yàn)算中統(tǒng)一應(yīng)用，可保證結(jié)構(gòu)具有一致的抗火性能，并可對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷計(jì)算和抗火安全性及火后評(píng)價(jià)。針對(duì)強(qiáng)外熱場(chǎng)景的設(shè)定，對(duì)于強(qiáng)熱區(qū)的抗火計(jì)算和焰圍域的溫度，選擇式(1)進(jìn)行分析。

3 SFM箱形截面梁分析

3.1 分析模型

圖3為鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁火災(zāi)模型。如圖3所示，混凝土采用 C50，主拉鋼筋采用Ⅲ級(jí)鋼，詳細(xì)尺寸參見(jiàn)圖1。采用整跨受熱模式，箱室外側(cè)(除頂板頂面)和翼緣板底面升溫(按標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)ISO834升溫曲線加熱)，所受均布荷載為 q kN/m(不含自重)，計(jì)算火災(zāi)高溫200 min不同保護(hù)層厚度和不同荷載等級(jí)下鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁的變形狀況;分析其撓度時(shí)變效應(yīng)過(guò)程，確定耐火極限。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度—時(shí)間曲線

表1為鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁火災(zāi)模型設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖3 火災(zāi)場(chǎng)鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁模型

表1 火災(zāi)模型梁設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 高溫場(chǎng)分析

圖4為火災(zāi)高溫場(chǎng)鋼筋混凝土箱形截面梁隨火延時(shí)間的溫度分布云圖。分析圖4說(shuō)明:由于箱梁外側(cè)和翼緣板下側(cè)受火，所以迎火側(cè)溫度相對(duì)其它部位較高;從箱形截面外側(cè)到內(nèi)側(cè)，火災(zāi)溫度逐漸降低，呈明顯的梯度分布;隨著火災(zāi)時(shí)間的延伸，高溫層逐漸向內(nèi)擴(kuò)展，擴(kuò)展寬度遞增，由于混凝土箱梁腹板、底板厚度較小，火災(zāi)高溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，高溫會(huì)穿透腹板和底板，使得整個(gè)箱室的溫度升高，從而改變了整個(gè)箱室內(nèi)部的環(huán)境溫度。

圖4(c)和圖4(d)給出了火災(zāi)高溫場(chǎng)鋼筋混凝土箱形截面梁和實(shí)心截面梁隨火延時(shí)間的等溫線，具有空腔薄壁結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的特色。根據(jù)流固耦合熱傳導(dǎo)模式可知，封閉空腔結(jié)構(gòu)中的氣體對(duì)流熱耦合效應(yīng)具有影響，混凝土箱形截面屬于空腔薄壁結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)氣體有熱對(duì)流傳導(dǎo)作用，能夠改變空腔附近的溫度分布形狀，擴(kuò)展等溫線分布的寬度，空腔截面近腔處等溫線值比同等條件下實(shí)心截面等溫線偏高。由此看出，在火災(zāi)高溫場(chǎng)中，空腔薄壁結(jié)構(gòu)截面的溫度擴(kuò)展效應(yīng)較實(shí)心截面顯著，從而導(dǎo)致明顯的力學(xué)效應(yīng)，空腔薄壁截面結(jié)構(gòu)的變形大于同等條件下實(shí)心截面結(jié)構(gòu)的變形。

圖4 火災(zāi)模型截面溫度梯度分布

3.3 形變分析

圖5為不同保護(hù)層厚度相應(yīng)荷載比下鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁跨中撓度時(shí)程曲線。分析圖5說(shuō)明，火延20 min內(nèi)跨中撓度基本無(wú)變化、火延20 min后跨中撓度大約呈緩拋物線下降，整個(gè)火延期內(nèi)混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁跨中撓度時(shí)程曲線隨火災(zāi)時(shí)間的延伸呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨荷載比的增加而增大，撓度時(shí)程曲線增大的程度隨保護(hù)層厚度增加而減小。由圖5(a)可知，混凝土保護(hù)層為3 cm、荷載比ζ=1.0時(shí)，火延時(shí)間100 min跨中撓度為90 mm、150 min跨中撓度值為140 mm、200 min跨中撓度值為220 mm;荷載比 ζ=1.5時(shí)，火延時(shí)間 100 min跨中撓度為 100 mm、150 min跨中撓度值為170 mm、200 min跨中撓度值為260 mm;荷載比ζ=2.0時(shí)，火延時(shí)間100 min跨中撓度為150 mm、150 min跨中撓度值為210 mm、200 min跨中撓度值為320 mm。

由圖5(b)可知，混凝土保護(hù)層為4 cm、荷載比ζ=1.0時(shí)，火延時(shí)間100 min跨中撓度為70 mm、150 min跨中撓度值為120 mm、200 min跨中撓度值為170 mm;荷載比ζ=1.5時(shí)，火延時(shí)間100 min跨中撓度為90 mm、150 min跨中撓度值為 150 mm、200 min跨中撓度值為220 mm;荷載比 ζ=2.0時(shí)，火延時(shí)間 100 min跨中撓度為120 mm、150 min跨中撓度值為180 mm、200 min跨中撓度值為250 mm。

由圖5(c)可知，混凝土保護(hù)層為5 cm、荷載比ζ=1.0時(shí)，火延時(shí)間100 min跨中撓度為60 mm、150 min跨中撓度值為100 mm、200 min跨中撓度值為150 mm;荷載比ζ=1.5時(shí)，火延時(shí)間100 min跨中撓度為80 mm、150 min跨中撓度值為 130 mm、200 min跨中撓度值為180 mm;荷載比 ζ=2.0時(shí)，火延時(shí)間 100 min跨中撓度為90 mm、150 min跨中撓度值為 150 mm、200 min跨中撓度值為210 mm。

圖6為火災(zāi)高溫200 min不同保護(hù)層厚度各荷載等級(jí)下鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁跨中撓度比較。由圖6可知，火災(zāi)高溫200 min時(shí)，鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁撓度隨荷載比的增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，荷載比＜1.0時(shí)，跨中撓度隨荷載比變化平緩;荷載比為2.0時(shí)，跨中撓度顯著增大。當(dāng)保護(hù)層厚度分別為5 cm和4 cm時(shí)，鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁火災(zāi)高溫200 min，荷載比ζ=1.0時(shí)、跨中撓度值不大于170 mm，荷載比ζ=1.5時(shí)、跨中撓度值不大于210 mm，荷載比 ζ=2.0時(shí)、跨中撓度值不大于250 mm;保護(hù)層厚度為3 cm時(shí)，鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁火災(zāi)高溫200 min，荷載比ζ=2.0時(shí)，跨中撓度值為320 mm，其值遠(yuǎn)大于混凝土保護(hù)層為4 cm和5 cm相應(yīng)荷載等級(jí)的撓度值，大約為混凝土保護(hù)層4 cm和5 cm相應(yīng)荷載比的撓度值的1.5倍。提高混凝土保護(hù)層厚度，可減小火災(zāi)高溫場(chǎng)鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁的跨中撓度，有效控制火災(zāi)高溫場(chǎng)鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁的變形。

圖5 不同保護(hù)層厚度各荷載比撓度時(shí)程曲線

圖6 200 min不同保護(hù)層厚度各荷載等級(jí)撓度比較

4 結(jié)論

1)熱傳導(dǎo)及熱輻射的速度與測(cè)點(diǎn)至混凝土表面的距離相關(guān)，測(cè)點(diǎn)靠近混凝土表面，升溫快;遠(yuǎn)離混凝土表面，升溫緩慢。

2)混凝土箱形截面梁隨火災(zāi)場(chǎng)溫度的升高，高溫度區(qū)會(huì)穿透混凝土薄壁層，致使箱梁的有效區(qū)域完全破壞;并且，混凝土箱形截面屬于空腔薄壁結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)氣體有熱對(duì)流傳導(dǎo)作用，能夠改變空腔附近截面的溫度分布，擴(kuò)展等溫線分布的寬度，比實(shí)心截面等溫線偏高。

3)整跨受熱模式下鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁跨中撓度時(shí)程曲線隨荷載等級(jí)的增加呈非線性變化趨勢(shì)，撓度時(shí)程曲線增大的程度隨保護(hù)層厚度增加而減小，火延時(shí)間對(duì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁跨中撓度有較大影響。因此，控制火災(zāi)時(shí)間或者提高混凝土保護(hù)層厚度，可有效控制火災(zāi)高溫場(chǎng)鋼筋混凝土橋梁的撓度值。

［1］張崗，賀拴海.時(shí)變對(duì)流模式混凝土箱梁厚壁結(jié)構(gòu)內(nèi)生熱場(chǎng)分布［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，30(2):64-69.

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