箱梁內部火災影響下橋梁結構狀態分析

張俊，石玲莉

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

箱梁內部火災影響下橋梁結構狀態分析

張俊1，石玲莉2

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

隨著科技的進步和經濟發展的需要，橋梁建設在我國得到了飛速的發展。雖然火災發生于橋梁的概率不大，但是每年還是有一部分橋梁發生意外火災。本文以溫度場數值模擬的基本理論為依據，采用ABAQUS有限元軟件對橋箱梁進行變截面有限元實體建模，針對箱梁內火災對連續剛構橋結構狀態的影響進行了探索與研究。

箱梁；連續剛構橋；ABAQUS；有限元；溫度場分布

1 概述

當前關于結構火災的研究多集中在分析建筑火災引起的高溫對梁、柱、板、墻等建筑構件的強度和變形的影響方面。對于預應力混凝土結構火災，特別是連續剛構橋箱梁內部火災對橋梁，結構狀態影響的研究基本上沒有相關報道。

高溫作用下，鋼筋混凝土結構材料的強度顯著下降、變形明顯增大，對于超靜定體系將發生劇烈的內力重分布，甚至改變結構的破壞機理和極限荷載。因此本文選取某單箱預應力箱型橋梁 (60.5m+110m+60.5m三跨一聯預應力混凝土連續剛構橋)，結合鋼筋混凝土高溫條件下的熱工性能[1]，在有限元理論[2]的基礎上使用有限元分析軟件ABAQUS進行箱梁內不同規模火災模擬分析，得出連續剛構橋箱梁內部高溫下的溫度場分布的主要規律及結構狀態轉變特性。

2 模型的建立

橋梁模型在受力分析時混凝土箱梁部分采用4136個C3D8R，即8節點六面體二次減縮積分單元，12064個C3D6線性楔形單元和9274個C3D4線性四面體單元。預應力筋采用2960個T3D2桿單元進行劃分。橋梁溫度場分析時單元劃分的方式不變，只需將類型換為傳熱單元即可。模型橋箱梁兩側設置橫向水平約束 (U1=0)、豎直約束 (U2=0)和轉動約束(UR1=UR2=0UR3=0)；橋墩設置橫向水平約束(U1=0)、縱向約束(U3=0)和轉動約束(UR1=UR2=UR3=0)；樁基設為完全固定約束ENCASTRE（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0）。 劃分網格、設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

溫度場的模擬時，不考慮橋梁自重、鋼筋預應力和橋面鋪裝荷載等應力變化，邊界條件設定為距離火源較遠處不受火源的影響，即橋梁端部截面溫度在整個升溫過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

由于箱梁內部屬封閉空間，火災溫度變化過程模擬取用我國學者吳波等通過回歸分析建立的室內氣體典型火災時間溫度變化模型[3]。

式中：t為時間（min）；Tg為t時刻室內氣體的溫度；Tgo為初始溫度；Tgm為最高溫度；tm是Tgm與對應的時刻；b為模型參數，當t≤tm時b=0.8，反之則b=1.6。

計算模型中的最高溫度Tgm，按1990年國際標準化組織(ISO)給出的標準時間-溫度曲線[4]：

式中：t為時間（min）；T為t時刻的溫度。 取Tgm=800，典型火災時間溫度曲線與ISO標準時間-溫度曲線比較如圖2所示。

圖2 火災氣體時間-溫度曲線

由圖2可知，典型火災時間—溫度曲線與ISO標準時間—溫度曲線變化趨勢相同，區別在前者的溫度升到最高點后有個降溫的過程。取火災最高溫度Tgm分別為ISO標準時間—溫度曲線升溫20min，40min和1h時的計算溫度781℃，885℃和945℃，按火災峰值及持續時間的不同，模擬不同規模的火災。

3.2 模擬工況

隨著火災荷載增大，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。一旦跨中出現塑性鉸，中間支座梁截面也將較快出現塑性餃，結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模的火災對橋梁結構的影響。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時的781℃，火災總持續的時間為1h。

工況二：火源位置為主跨跨中，最高溫度Tgm取tm=40m in時的885℃，火災總持續的時間為2h；

工況三：火源位置為主跨跨中，最高溫度取Tgm在tm=1h時的945℃，火災總持續的時間為3h。

4 材料參數取值

分析箱梁受火時的溫度場時，由于箱梁不同區域取用的混凝土型號不同，故取用T.T.Lie[5]建議的高溫下不區分混凝土類別的導熱系數(W/m·oC)計算式：

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

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范Eurocode3[10]不同溫度段常溫下的彈性模量乘以折減系數，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據。

表1 不同溫度彈性模量折減系數

經過受火區域的鋼筋預應力隨溫度升高有部分損失，設置隨時間變化的降溫方式實現鋼筋預應力損失模擬。鋼筋的熱膨脹系數設為α=1X10-5，用△T=σ/E/α公式算得實現預應力加載需要設置的降溫數值，例如設鋼筋初始溫度為20℃，降溫525.6℃，可實現的預應力大小為1076MPa。

根據預應力損失的計算公式：σ（△T）＝E(T)α（T)△T,結合鋼筋熱工參數變化和火災最高溫度及持續時間，按典型火災升溫曲線算得相應鋼筋預應力隨溫度變化的損失值。

5 計算結果分析

5.1 箱梁的溫度場

跨中區域按火災輻射放熱和對流換熱疊加的方式對主跨跨中區域加載火災溫度荷載，箱梁內部在火災作用下，截面溫度場呈層狀分布，且越遠離受火面，溫度梯度越小，不同時刻的溫度場形狀較為相似。箱梁跨中截斷溫度場分布云圖如圖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，說明箱梁跨中為集中受火點，受火源的影響程度較深；隨著溫度場沿縱橋向發展，溫度變化呈遞減趨勢且變化趨緩。箱梁內部火區附近溫度受火源的影響劇烈，當梁體距火源超過一定范圍后，火源對其溫度的影響趨無。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 火區內箱梁底板溫度變化曲線圖（長度單位：m，溫度單位：℃）

對比圖4中三種工況可知：混凝土箱梁受火時的距離跨中相同位置處的溫度場變化趨勢相似，根據各工況下火源峰值的不同，溫度場梯度大小有所不同。在火源溫度達到峰值時，箱梁底板混凝土表面工況一時的最高溫度為89.83℃，影響區域為順橋向11.2m范圍內；工況二時的最高溫度為252.1℃，影響區域13.8m；工況三時的最高溫度為449.9℃，影響區域15.5m。在距火源較近的區域混凝土溫度較高，混凝土容易開裂以釋放溫度應力，背火面混凝土溫度值的變化不顯著。

5.2 橋梁結構狀態

運用有限元分析可以得到溫度最高時各工況下的橋梁結構狀態變化情況如圖5所示。

圖5 預應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了下撓現象，由于連續剛構橋兩端有約束力作用，墩頂會有少量上撓。不同工況下撓度值有所區別，具體三種工況下的撓度變化曲線如圖6所示。

圖6 預應力箱梁三種工況下撓度變化曲線（單位：cm）

模型中預應力和混凝土自重等荷載是對稱的。受火時箱梁內雖有一定撓度和應力的變化，但仍承受著預加軸向壓力(損失后的預應力荷載)，并保持結構穩定和完整。根據火災最高溫度隨時間的變化規律，火災時，箱梁內部溫度有一個急劇增加的過程，即在起火后2～l0m in內溫度已經達到較高值，而三種工況的時間均超過10m in，故受火區混凝土預應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。結構在滅火后，短時間內，迎火面溫度下降，但撓度和應力仍將略有上升，隨著迎火面溫度的繼續下降，撓度和應力才開始下降。

6 結語

本文根據箱梁內可能發生火災的情況取某箱型橋，結合鋼筋混凝土高溫下的熱工性能，在有限元理論的基礎上，利用通用有限元軟件ABAQUS中的熱傳導和應力分析功能對連續剛構橋箱梁內部火災進行模擬，根據本文的分析可知：連續剛構橋箱梁內最高溫度僅隨火災規模的增大而增大。箱梁截面溫度場呈層狀分布，越遠離受火面，溫度梯度越小，且不同時刻的溫度場形狀較為相似。受火時，結構雖然有一定撓度和應力的變化，但仍能承受預加軸向壓力(損失后的預應力荷載)，并保持結構穩定和完整，說明連續剛構橋具有較強的結構抗火性能。

[1]過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算[M].北京:清華大學出版社，2003.

[2]孔詳謙.有限元法在傳熱學中的應用(第三版)[M].北京:科學出版社，1998.

[3]馬忠誠．火災后鋼筋混凝土結構損傷評估與抗震修復[D]．哈爾濱建筑大學博士學位論文(指導教師:吳波)，1997.

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[9]陸洲導.鋼筋混凝土梁對火災反應的研究[D].同濟大學博士學位論文(指導教師:朱伯龍)，1989.

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[11]CEN(European Comm ittee for Standardization)DAFT ENV 1993,Eurocode 3:Design of steel structures,British Standards Institution[Z],1995,7

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，主要從事橋梁設計方面的工作。

余詠梅