火災下公路懸索橋高溫力學性能研究

范俊，陳德權

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430010）

火災下公路懸索橋高溫力學性能研究

范俊，陳德權

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430010）

為了探明公路懸索橋貨車火災下的高溫力學性能，利用熱-結構分析軟件ANSYS建立某大跨徑懸索橋有限元模型。根據公路橋梁火災的特點，選取貨車升溫曲線模擬貨車燃燒，對懸索橋施加隨溫度變化的熱荷載，得到懸索橋混凝土板和鋼梁的強度和彈性模量隨時間變化曲線，以及應力撓度隨時間變化曲線。結果表明：混凝土橋面板在火災下升溫迅速，彈性模量和強度衰退較大；鋼梁由于受到混凝土板的保護作用，升溫速率較低，力學性能下降較小。為此，在橋梁上應當設置合理的防火措施，以避免造成更大的損失。

懸索橋；火災；溫度場；力學性能

0 引言

隨著交通運輸行業的興起，橋梁工程得到了飛速的發展，各種新形式結構橋梁和大跨度的橋梁不斷涌現。懸索橋造型優美、跨越能力大，對區域之間聯系起著重要的推動作用。但是懸索橋柔性較大，一旦橋上發生火災，將會造成巨大的損失。隨著經濟的發展，通過橋梁上的運輸車輛也越來越多，由此發生汽車燃燒火災的概率也大幅度提高[1]。

2002年7月5日，美國伯明翰市內的I-65/I-59公路橋梁上，一輛裝有34 m3汽油的油罐車撞上一輛小汽車，發生燃燒事故，橋梁周圍的的溫度場高達1100℃，火災導致橋梁整體撓度下降二米多。火災被撲滅后，經檢測評估，該橋梁已經不能正常使用，隨后被拆除，造成了嚴重的經濟損失[2]，如圖1所示。

圖1 美國伯明翰市橋梁火災后之實景

混凝土和鋼材由于具有強度高、抗震性好、環保等很多優點，已成為懸索橋用量最大的材料。但混凝土和鋼材耐火性能較差，彈性模量和強度會隨著溫度的升高而發生大幅度降低[3]。橋梁上一旦發生火災，汽車燃燒的大火將會產生高溫溫度場，熱量通過熱傳導的方式直接傳遞給橋梁上的混凝土板和鋼主梁，使得混凝土板和鋼主梁的力學性能大幅度下降，橋梁結構將造成局部或者整體的損壞，將會造成巨大的經濟損失并危害人員安全。因此，分析火災下懸索橋的高溫力學性能，對保障橋梁的安全運營是十分重要的。

1 工程概況

現以某懸索橋為研究背景，該懸索橋主橋的結構形式為三塔四跨鋼-混組合懸索橋，跨徑布置為（200+850+850+200）m，由邊塔、中塔、鋼加勁梁、混凝土橋面板、風嘴、主纜和吊索組成，大橋立面布置見圖2所示。

圖2 懸索橋跨徑布置圖

加勁梁由q370QD鋼焊接構成，加勁梁由縱向鋼主梁、小縱梁、橫梁和兩側的風嘴構成，其上布置有10 cm厚的C60混凝土橋面板和8 cm厚的瀝青鋪裝層，混凝土橋面板和鋼主梁之間采用剪力連接件連接。縱向的鋼主梁之間的間距為30 m，采用I形截面，截面上布置有橫向和縱向加勁肋，梁高2.4 m。懸索橋加勁梁的橫斷面布置如圖3所示。

圖3 懸索橋加勁梁橫斷面圖

2 火災傳熱理論及升溫曲線

2.1 火災熱傳導理論

熱分析中的三種傳熱方式為：熱傳導、熱對流、熱輻射[4]。在該項研究中，由于火源是車輛燃燒，其熱輻射產生的效果很低，可以忽略，因此車輛燃燒產生的熱量主要通過前兩種傳熱方式進行傳遞。

2.1.1 熱傳導

根據熱力學定律，對于同一個物體，當物體內存在溫差時，熱量會由高溫位置傳遞到低溫位置；對于不同的物體，當物體之間存在溫差時，溫度會由高溫物體傳遞給低溫物體，這種熱量在物體內部和物體之間的熱傳遞為熱傳導，由傅立葉定律可得結構在截面上導熱的微分方程為:

式中：ρ為物體密度，kg/m3，C為物體比熱，J·（kg·℃）-1；T為物體空間坐標(x,y,z)在t時刻的溫度，℃；t為時間，s；qv為熱量，λx、λy、λz為物體不同方向的導熱系數，W·（m·℃）-1，工程中的大多數材料為各向同性材料，λx=λy=λz=λ。

求解方程（1）需要選擇合適的邊界條件和初始條件，導熱微分方程式分析溫度場的基礎，揭示了結構溫度在空間和時間上的分布規律和相互聯系。

2.1.2 熱對流

熱對流發生在物體與和它接觸的流體之間，當物體表面的溫度和周圍流體的溫度存在差值時，便會發生熱對流，熱對流中熱量的計算公式為：

式中：qc為單位時間內物體表面傳遞的熱量，W·m-2；αc為對流換熱系數，W·（m2·℃)-1；Tg為流體的溫度，℃；Tb為物體表面的溫度，℃。

2.2 升溫曲線

橋梁上通行的車輛有小汽車、公交汽車、客車、貨車。載重貨車燃燒時，火災升溫速率最快，達到的溫度最高，并且持續時間長，對橋梁產生的影響最不利，因此該項研究選取貨車升溫曲線懸索橋施加熱荷載。貨車升溫曲線的表達式為[5]：

式中：t為時間，min；T為t時刻的溫度，℃。

貨車燃燒的升溫曲線如圖4所示。

圖4 貨車燃燒升溫曲線圖

3 懸索橋高溫力學性能研分析

3.1 有限元分析模型

由于在恒載和活載作用下，懸索橋的主跨跨中位移最大，相應加勁梁的應力最大，此處受到火災后是極其不利的，因此該項研究采用有限元軟件ANSYS建立懸索橋全橋模型。其中：在跨中節段模型中，混凝土橋面板采用實體單元；縱向鋼主梁、橫梁、小縱梁采用殼單元；其他部位主梁采用梁單元。整個計算模型共有16348個單元，17546個節點，如圖5所示。

圖5 懸索橋主跨跨中節段有限元模型

3.1.1 恒載

懸索橋上的恒載一期為主梁和其他構件的自重，二期為鋪裝層的自重及其他附屬設施的自重。根據橋梁設計文件，懸索橋一期恒載為283.8 kN/m；二期恒載為59.02 kN/m，總恒載為342.82 kN/m。

3.1.2 活載

該懸索橋為8車道，設計荷載為：公路-Ⅰ級。為使得懸索橋在主跨跨中部位最不利，根據規范規定，將車道集中荷載P＝360 kN作用在主跨跨中，均布荷載取q＝10.5 kN/m。橫向布置為雙向8車道，折減系數取0.5，橋梁主跨長度800 m＜850 m＜1000 m，因此縱向折減系數取0.94。

采用上述恒載+活載工況對懸索橋進行靜力計算，得到在常溫下，主跨跨中吊索的最大拉應力為438 MPa，主纜最大拉應力為642 MPa。由于主纜和吊索采用的是高強鋼絲，因此，在常溫下的鋼絲的抗拉強度為1770 MPa，主跨跨中產生向下的豎向撓度2.144 m。

3.2 熱分析位置

由于該項研究分析的是貨車燃燒時，橋梁結構的高溫力學性能，故首先確定燃燒區域。由于不同型號的貨車的尺寸差異較大，因此，根據大量的統計資料，確定出橋梁上通行貨車最多的車型為長度方向10 m，寬度方向3 m。如圖6所示。當貨車燃燒后，取橋面板上熱分析區域為縱向10 m，橫橋向3 m，在此范圍內施加對流熱荷載。

圖6 貨車燃燒尺寸示意圖

熱分析模型在計算中初始溫度取常溫20℃，橋梁結構周圍介質為空氣?？諝獾臒嵛锢硇再|（導熱系數、比熱）隨溫度變化明顯，采用表1給出的值進行計算[6]。

3.3 有限元分析結果

貨車火災后，混凝土板和鋼梁的溫度會隨時間發生變化，相應的溫度場云圖如圖7所示。

橋面鋪裝直接承受火源產生的熱傳導和對流作用，升溫速率最快，達到的溫度最高，在貨車燃燒28min時，瀝青橋面鋪裝最上層的溫度高達1026℃，橋面鋪裝基本已融毀。橋面鋪裝下層的混凝土板的升溫速率略滯后于橋面鋪裝，混凝土板頂面的升溫速率基本呈直線變化，在28min時達到349℃；底板升溫速率較低，在28min時達到27℃。由于橋面鋪裝和混凝土板的保護作用，鋼主梁的溫度在28min時僅達到24℃，如圖8所示。

由于混凝土的彈性模量和強度是溫度的函數，在高溫作用下，混凝土的彈性模量和強度會大幅度下降。在貨車燃燒28min時，混凝土板上層的彈性模量下降到常溫下的0.58，下層混凝土板的彈性模量由于板厚的隔熱作用，僅下降到常溫下的0.96；混凝土板上層抗壓強度降低到常溫下的0.78，下層混凝土板由于達到的溫度較低，強度基本保持不變?；炷涟鍙椥阅Ａ亢蛷姸入S時間變化曲線如圖9所示。

由于在橋面鋪裝和混凝土板的保護作用下，鋼主梁的溫度在28min時僅達到24℃，因此鋼主梁的彈性模量和強度基本不發生折減。

圖7 混凝土板與鋼梁溫度場云圖

表1 空氣熱物理性質一覽表(p=1.01325×05 Pa)

混凝土板和鋼主梁在貨車燃燒過程中的應力變化如圖10所示。在高溫作用下，鋼主梁和混凝土的應力會發生重分布，28min時，鋼梁底板拉應力達到94.9 MPa，鋼梁頂板壓應力達到-13 MPa，混凝土板壓應力達到-4.7 MPa，應力變化幅度較大。

圖8 混凝土板與鋼梁溫度變化曲線圖

圖9 混凝土板彈性模量和強度變化曲線圖

圖10 混凝土板和鋼梁應力變化曲線圖

懸索橋為柔性體系，火災下撓度變化較為明顯，28min內主跨跨中截面豎向撓度變化曲線如圖11所示。在貨車燃燒過程中，撓度基本呈線性變化，在30min時，最大豎向撓度達到2.35 m，小于規范中規定的豎向最大撓度3.4 m（850/250）。

圖11 懸索橋主跨跨中撓度變化曲線圖

4 結論

（1）利用熱-結構分析軟件ANSYS建立懸索橋有限元模型。根據公路橋梁火災的特點，確定貨車升溫曲線模擬貨車燃燒。

（2）獲得了在貨車火災作用下，懸索橋鋼主梁和混凝土板力學性能隨時間變化的規律，以及強度和彈性模量的衰減規律。

（3）火荷載對橋梁造成的影響不可忽略，在橋梁上應當設置合理的防火措施，以避免造成更大的損失。

[1] 閆治國，楊其新，朱合華，何利英．易燃易爆物品車輛通過長大隧道的防火對策[J]．地下空間與工程學報，2005，（2）：287-291.

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[3] 時旭東,過鎮海.高溫下鋼筋混凝土框架的受力性能試驗研究[J].土木工程學報,2000,33(1):36-45.

[4] 房帥平.預應力混凝土箱梁橋抗火性能研究[D].西安:長安大學,2011.

[5] 閆治國，楊其新，朱合華.秦嶺特長公路隧道火災試驗研究[J].土木工程學報，2002，（11）：96-101

[6] 劉發起.三面受火的矩形鋼管混凝土柱抗火性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

U448.25、U447

A

1009-7716（2017）11-0197-04

2017-07-25

范?。?984-），男，湖北荊門人，工程師，從事橋梁工程設計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.059