車輛燃燒下大跨徑懸索橋主纜高溫力學性能研究

李 艷，周國華，王 盼

(湖北省城建設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

近年來，國內外橋梁的損傷破壞事件不斷增多，1989-2000年，美國橋梁破壞的事件數目多達503起，其中因火災導致的橋梁損傷破壞事故占有很大比重[1]。2000-2008年，美國平均每年因為橋梁火災造成的經濟損失高達1.4億美元。2010年以后，國內橋梁火災的數目也日趨增多，2013年12月13日，綿廣高速公路高架橋上，一輛大型的掛車與一輛油罐車相撞發生車禍，致使油罐車燃燒起火，大火持續了數小時。事故發生后，路段實行雙向封閉，使周圍車輛滯留十幾公里，如圖1所示。

圖1 綿廣高速公路油罐車火災現場圖

國外對結構方向的抗火研究及抗火設計研究較早[2]，很多抗火研究機構早期重點研究鋼筋混凝土高溫下的力學性能，研究的手段主要是采用試驗的方法得出相關結論，同國外相比，我國結構抗火的研究起步相對較晚[3-5]，在研究初期，一些研究方法借鑒了國外的研究成果。隨著有限元軟件的發展，結構火災的研究成果得到了很大的突破，數值模擬手段的精細化及結果的準確化在一些程度上可以代替實驗結果，節省了大量的時間和成本。

隨著我國經濟實力的不斷增長，交通工具的數量也在與日俱增，為滿足更多的交通通行量，近年來不斷新建了很多公路橋梁。隨著我國橋梁建設事業的不斷發展，橋梁跨徑也在不斷增加，為了實現更大跨徑的飛躍，多塔懸索橋成為大跨徑橋梁的首選橋型。目前，國內外建筑火災研究成果趨于成熟，但對于橋梁火災研究大多是借鑒建筑火災的研究成果，缺乏系統和針對性的研究，尤其是對于懸索橋等特大跨度柔性橋梁，缺少相應的研究。吊索和主纜作為纜索體系橋梁的承重構件，是大跨度纜索橋的生命線，多采用平行鋼絲或鋼絞線，自重輕，強度高，當其遭受到火災后，力學性能會大幅度降低，而當力學性能降低到一定程度后，橋梁結構將會發生高溫破壞。因此，研究纜索體系橋梁在運營期不同車輛火災燃燒下的力學性能，對保障橋梁的安全至關重要。

1 工程概況

某三塔懸索橋跨越長江，全寬32.5 m，橋型總體布置圖如圖2所示。橋梁采用雙向8車道，按照城市快速路標準設計，設計行車速度為80 km/h，橋梁橫斷面布置見圖3。

圖2 橋型布置圖

圖3 懸索橋橫斷面布置圖

橋梁主跨850 m，邊跨200 m，主纜采用1 860級的平行鋼絲，主纜橫斷面見圖4。懸索橋中主纜和吊索將主塔和加勁梁連接起來，是十分重要的受力構件，承擔了主梁的自重并將其傳遞給主塔。

圖4懸索橋主纜橫斷面布置圖

主梁由兩側的工字形縱梁和橋梁中心線處的小縱梁組成，工字形縱梁外側連接風嘴，內側由橫梁連接，整個主梁上布置C60混凝土橋面板，鋼主梁橫斷面布置如圖5所示。

圖5 主梁橫斷面圖

2 鋼材熱工參數及火災升溫曲線的確定

鋼材的熱工參數和力學參數是熱分析中的重要參數，是進行熱分析和力學計算的基礎。材料常用的熱工參數包括導熱系數、比熱、密度、熱膨脹系數等，熱工參數主要是用來衡量材料的導熱傳熱能力以及溫度隨熱量的變化情況，用來計算熱源作用下結構的溫度場。鋼材的熱工參數和力學參數會隨溫度的升高或者降低發生很大的變化，計算時不能按照常溫下的常量進行取值，因此本研究在總結大量國內外熱工參數和力學參數研究文獻的基礎上，按照最具代表性的研究成果進行取值，使參數的取值誤差降到最小。

鋼材隨溫度變化的導熱系數λs表達式為[8]：

(1)

鋼材隨溫度變化的比熱Cs表達式為[7]：

(2)

鋼材隨溫度變化的熱膨脹系數αs表達式為[6]：

αs=(11.0+5.75×10-3T)×10-6

(3)

鋼材隨溫度變化的彈性模量與常溫下的彈性模量之比ET/E按照表1進行取值。

表1 EC3鋼材彈性模量隨溫度變化值表

鋼材隨溫度變化的強度與常溫下的強度之比f(T)/f按照文獻[7]進行取值，具體如下：

100 ℃≤T≤900 ℃

(4)

以上各式中：T為溫度(℃)。

圖6 火災發展歷程曲線圖

由圖6可知，火災從燃燒開始到結束可以劃分為燃燒發展階段、燃燒穩定階段、火焰衰退減弱階段。火災在發生的短時間內，熱釋放率增長速率不斷增大，隨后達到最大值并趨于穩定，最后由于燃料的燃燒殆盡，熱釋放率逐漸下降。

火災升溫曲線可以影響計算中眾多參數，如溫度場、升溫速率、熱流密度、煙氣生成量等。計算中升溫曲線增長模型不同，會導致熱分析結果差異很大，因此近年來眾多學者通過火災試驗研究了各種場景下的火災升溫曲線的變化規律。橋梁上汽車的種類各異，不同汽車燃燒產生的熱量及持續時間也不相同。本文根據大量的文獻統計，并結合各類汽車的燃燒特征，確定橋梁上最危險的車輛為裝有易燃易爆品的油罐車。油罐車燃燒升溫曲線采用HCinc曲線[9]，即：

T=1320+1 080(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t/11

(5)

式中：t——時間(min)；

T——溫度(℃)。

3 懸索橋主纜熱-結構耦合分析

3.1 有限元分析模型

根據ANSYS中熱-結構耦合分析模塊建立三塔懸索橋分析模型。跨中精細化節段處主梁和橫梁采用Shell63單元，橋面板采用Solid45實體單元，纜索體系采用Solid45實體單元。其他部位鋼梁頂板、底板、橫梁腹板、加勁肋采用Beam188單元，主纜、吊索均采用Link10單元，橋塔采用Beam188單元，跨中精細化節段與橋梁其他部位通過邊界采用剛域剛接方法連接，能使節點在三維空間上平動與轉動6個自由度保持一致，全橋共24 328個節點，22 586個單元，計算模型如圖7所示。

圖7 懸索橋有限元模型圖

此種模擬方法在大大減少了模型單元數目的基礎上，既能將通過熱分析模擬所得到的橋梁力學參數隨時間的退化關系精確定義到力學分析模型，又能分析纜索體系高溫下的力學性能，得出關鍵部位的破壞失效時間，獲得抗火救援時間。

在熱-結構耦合有限元模型上施加熱荷載和靜力荷載，熱荷載根據HCinc中定義的時間和溫度的關系進行施加，汽車荷載根據《城市橋梁設計規范》按城-A級進行計算，根據實際車道數和主跨長度考慮橫向和縱向折減系數，非機動車道按2.5 kN/m2取值。

3.2 主纜高溫力學性能分析

由三塔懸索橋的結構特性[10]可知，對于三塔懸索橋結構，結構在主跨跨中柔性最大，在恒載和最不利活載作用下，跨中豎向撓度最大，相應主纜的拉應力達到最不利值。汽車在主纜和吊索位置處燃燒時，主纜的溫度升高速率最快，此位置處發生火災會對橋梁結構造成極為不利的影響。因此，本文分析油罐車在三塔懸索橋主跨跨中發生燃燒時橋梁結構主纜相應的瞬態溫度場和力學時變性能，分析主纜在高溫下的安全系數及強度衰退變化規律，以此為依據確定橋梁在油罐車燃燒下的破壞時間，獲得懸索橋的抗火救援時間，為橋梁的抗火設計和制定抗火救援措施提供相關依據。

油罐車發生火災后，周圍大氣溫度升高，大氣熱量通過對流輻射作用傳遞給主纜最外層鋼絲，然后通過熱傳導在主纜內部傳遞，主纜的溫度會隨著時間的推移發生變化。

圖8 主纜溫度曲線圖

火災發生后，主纜最外層鋼絲升溫迅速，整個火災階段保持著很高的升溫速率。主纜內層鋼絲由于受到外層鋼絲的隔熱，升溫速率同最外層鋼絲相比較慢，升溫速率開始階段較為平緩，隨后由于外層鋼絲熱傳導的作用大幅度增長，在火災發生58 min時，最外層鋼絲升溫到587 ℃，最內層鋼絲升溫到291 ℃，平均溫度達到439 ℃，火災燃燒階段內主纜的升溫曲線如圖8，在58 min時刻溫度場云圖如圖9所示。

(a)橫斷面

(b)縱斷面

高溫下主纜的彈性模量和抗拉強度會按照表1和公式(4)進行變化。由于主纜最外層鋼絲的升溫速率和在同一時刻達到的溫度不同，相應的彈性模量和抗拉強度變化速率也不同，最外層鋼絲下降速率很大，最內層鋼絲下降速率平緩。平均彈性模量在58 min時候降低了47%，平均抗拉強度在58 min時降低了62%，如圖10所示。

(a)彈性模量

(b)抗拉強度

主纜在油罐車燃燒18 min后安全系數下降速率增大，34 min時，安全系數降低到2.19，<2.2，不滿足規范要求，如圖11所示。

圖11 主纜安全系數衰退曲線圖

高溫會使懸索橋的內力發生重分布，主纜的拉應力在火災發生58 min時上升到719 MPa，而此時相應的抗拉強度降低到673 MPa，在油罐車火災58 min時主纜由于拉應力過大發生破壞，如圖12所示。

圖12 主纜拉應力增大曲線圖

油罐車燃燒階段主纜索的瞬態溫度及高溫力學性能的變化如表2所示。

表2 主纜瞬態溫度及高溫力學性能時變表

4 結語

(1)本文利用ANSYS建立了大跨徑三塔懸索橋有限元分析模型。此種模擬方法在大大減少了模型單元數目的基礎上，既能將通過熱分析模擬所得到的橋梁力學參數隨時間的退化關系精確定義到力學分析模型，又能分析纜索體系高溫下的力學性能，得出關鍵部位的破壞失效時間。

(2)采用HCinc升溫曲線模擬油罐車的熱荷載變化規律，計算油罐車在三塔懸索橋運營階段發生火災后主纜三維溫度場分布規律。根據熱-結構耦合作用計算出主纜隨時間變化的應力及抗拉強度變化特征，獲得主纜的安全系數隨時間的變化規律和失效時間。油罐車火災燃燒下，懸索橋在最不利活載工況作用下的破壞時間為58 min。

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