HC火災下纜索承重鋼箱梁溫度場分析

王世超 李毅 巫啟翔 張永飛

（1.長安大學公路學院，陜西 西安 710064；2 廣東省公路建設有限公司灣區特大橋養護技術中心，廣東 廣州 510000）

0 引言

近年來，橋梁因發生火災事件而造成結構垮塌和人員傷亡的事件時有發生[1]。為此，國內外相關學者針對這一突出問題展開了深入的研究。張崗等[2-3]對設計制作的8 榀大比例鋼混組合試驗梁分別進行了ISO834 和油罐車（HC）火災試驗，揭示了不同截面形式和結構體系對組合梁耐火性能的影響機理。Song 等[4-5]分別對鋼混組合橋梁和聚丙烯纖維預應力混凝土橋梁進行局部受火試驗，研究了高溫下受火梁的結構響應和破壞模式，并提出相應的抗火設計方法。

現有研究主要圍繞橋梁下部受火展開，對橋面受火情況下梁截面的溫度場分析較少。鋼材在高溫環境下力學性能退化明顯，將嚴重影響橋梁結構的安全使用。因此，對鋼結構橋梁開展高溫火災下溫度場分析研究至關重要，同時也可為橋梁結構抗火設計提供參考。

1 橋梁概況

本文依托某纜索承重鋼梁橋為背景，橋梁全長204m（36m+120m+48m），橋梁整體寬度為49.7m，其中橋面寬度為40.492m，梁高3.6m。上、下部橋面板厚度分別為18mm、12mm，橋面板上均設有縱肋，縱肋高280mm，厚度為8mm，其上、下部寬度分別為300mm、170mm。其中上部橋面板上的縱肋布置間距為600mm，下部橋面板上的縱肋布置間距為1000mm。鋼材采用Q420q 結構鋼，彈性模量為200000MPa，泊松比為0.3。橋梁結構總體布置如圖1 所示。

圖1 組合梁總體布置（單位：mm）

2 有限元模型建立

采用有限元軟件Abaqus 對HC 火災下纜索承重鋼箱梁橋進行溫度場分析，受火方式分別為橋梁下部受火和橋面受火。各構件均采用三維實體單元建模，橋面板與縱肋和橫隔板之間采用綁定連接，即忽略相互之間的熱阻。網格劃分采用六面體單元，橋面板、縱肋、橫隔板的網格尺寸分別為100mm、60mm 和30mm。鋼箱梁初始溫度取20℃，絕對零度為-273.15℃，Stefan-Boltz-mann 常數取，綜合輻射系數取0.7。對于HC 升溫曲線，對流換熱系數取。選取跨中8m 長度為受火區段，對整體結構進行熱傳遞分析。

3 溫度場分析

3.1 橋面受火溫度場分析

油罐車在橋面發生側翻起火是導致橋梁火災的主要原因之一，因此選取箱梁上部橋面板為受火面，受火時間為3h，如圖2 所示。圖中數據標注含義為測點位置至受火面的距離，單位為mm。

由圖2 可知，HC 火災具有升溫迅速的特點，受火時間15min 左右即達到600℃。箱梁截面各測點處溫度受火初期增長迅速，隨后逐漸放緩，且越靠近受火面，上升速率越快。上部鋼橋面板作為直接受火面，至停火時溫度均未達到800℃，原因為橋面板除將一部分熱量傳遞至縱肋和橫隔板外，還直接與周圍空氣環境存在熱交換，導致部分熱量散失。在整個受火過程中，橫隔板在距離橋面200mm 處溫度僅上升到100℃左右，距離受火面400mm 外的其余截面區段，在整個受火階段溫度接近室溫，沒有明顯變化。

3.2 橋梁下部受火分析

橋下堆積物起火是發生橋梁火災的主要原因之一，因此選取箱梁底面為受火面，受火時間為3h。HC 火災情況下橋下受火分析如圖3 所示。圖中數據標注含義為測點位置至受火面的距離，單位為mm。

對比圖2 和圖3 可知，橋下受火與橋面受火情況下梁截面的升溫模式基本相同，主要差異性表現在高溫區段的分布位置不同。但是基于設計時鋼梁上部橋面板厚度（18mm）大于下部橋面板厚度（12mm），因此在整個受火過程中，截面下部的縱肋在與橋面板連接的部位產生超過600℃的高溫，考慮到施工和運營過程中縱肋與橋面板在連接節點處會產生焊接應力和疲勞應力，因此為保證橋梁結構安全使用，對縱肋采取防火措施至關重要。

圖2 橋面受火時截面溫度變化

圖3 橋下受火時截面溫度變化

圖4 停火時箱梁截面溫度梯度

3.3 溫度場對比分析

HC 火災導致的橋面受火和橋下受火使得梁截面產生不同的溫度場分布模式，圖4 為停火時兩種受火狀況下鋼箱梁截面的溫度梯度分布。由圖4 可知，橋下受火時，箱梁截面升溫區段主要集中在距離橋面400mm 范圍內，超過該范圍的區段在整個受火過程中溫度接近室溫，沒有發生顯著變化；橋下受火時，梁截面升溫區段主要集中在距離截面底部400mm 范圍內。兩種受火情況下，截面位置距離受火面越近，溫度梯度效應越明顯。

4 結束語

HC 火災具有初期溫度上升迅速的特點，受火面在火災15min 時可達到600℃，整個火災過程中僅有部分梁截面區段出現明顯升溫。在結構受力過程中，梁截面下部主要承受拉應力，考慮到材料在高溫下的性能退化，建議對縱肋采取防火措施，從而提高橋梁結構的耐火性能。