HC火災(zāi)下纜索承重鋼箱梁溫度場(chǎng)分析

王世超 李毅 巫啟翔 張永飛

（1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2 廣東省公路建設(shè)有限公司灣區(qū)特大橋養(yǎng)護(hù)技術(shù)中心，廣東 廣州 510000）

0 引言

近年來，橋梁因發(fā)生火災(zāi)事件而造成結(jié)構(gòu)垮塌和人員傷亡的事件時(shí)有發(fā)生[1]。為此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)這一突出問題展開了深入的研究。張崗等[2-3]對(duì)設(shè)計(jì)制作的8 榀大比例鋼混組合試驗(yàn)梁分別進(jìn)行了ISO834 和油罐車（HC）火災(zāi)試驗(yàn)，揭示了不同截面形式和結(jié)構(gòu)體系對(duì)組合梁耐火性能的影響機(jī)理。Song 等[4-5]分別對(duì)鋼混組合橋梁和聚丙烯纖維預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進(jìn)行局部受火試驗(yàn)，研究了高溫下受火梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和破壞模式，并提出相應(yīng)的抗火設(shè)計(jì)方法。

現(xiàn)有研究主要圍繞橋梁下部受火展開，對(duì)橋面受火情況下梁截面的溫度場(chǎng)分析較少。鋼材在高溫環(huán)境下力學(xué)性能退化明顯，將嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁開展高溫火災(zāi)下溫度場(chǎng)分析研究至關(guān)重要，同時(shí)也可為橋梁結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)提供參考。

1 橋梁概況

本文依托某纜索承重鋼梁橋?yàn)楸尘埃瑯蛄喝L(zhǎng)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(shè)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(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200000MPa，泊松比為0.3。橋梁結(jié)構(gòu)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(duì)HC 火災(zāi)下纜索承重鋼箱梁橋進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，受火方式分別為橋梁下部受火和橋面受火。各構(gòu)件均采用三維實(shí)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(wǎng)格劃分采用六面體單元，橋面板、縱肋、橫隔板的網(wǎng)格尺寸分別為100mm、60mm 和30mm。鋼箱梁初始溫度取20℃，絕對(duì)零度為-273.15℃，Stefan-Boltz-mann 常數(shù)取，綜合輻射系數(shù)取0.7。對(duì)于HC 升溫曲線，對(duì)流換熱系數(shù)取。選取跨中8m 長(zhǎng)度為受火區(qū)段，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱傳遞分析。

3 溫度場(chǎng)分析

3.1 橋面受火溫度場(chǎng)分析

油罐車在橋面發(fā)生側(cè)翻起火是導(dǎo)致橋梁火災(zāi)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(shí)間為3h，如圖2 所示。圖中數(shù)據(jù)標(biāo)注含義為測(cè)點(diǎn)位置至受火面的距離，單位為mm。

由圖2 可知，HC 火災(zāi)具有升溫迅速的特點(diǎn)，受火時(shí)間15min 左右即達(dá)到600℃。箱梁截面各測(cè)點(diǎn)處溫度受火初期增長(zhǎng)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(shí)溫度均未達(dá)到800℃，原因?yàn)闃蛎姘宄龑⒁徊糠譄崃總鬟f至縱肋和橫隔板外，還直接與周圍空氣環(huán)境存在熱交換，導(dǎo)致部分熱量散失。在整個(gè)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(qū)段，在整個(gè)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(fā)生橋梁火災(zāi)的主要原因之一，因此選取箱梁底面為受火面，受火時(shí)間為3h。HC 火災(zāi)情況下橋下受火分析如圖3 所示。圖中數(shù)據(jù)標(biāo)注含義為測(cè)點(diǎn)位置至受火面的距離，單位為mm。

對(duì)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(xiàn)在高溫區(qū)段的分布位置不同。但是基于設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)受火過程中，截面下部的縱肋在與橋面板連接的部位產(chǎn)生超過600℃的高溫，考慮到施工和運(yùn)營(yíng)過程中縱肋與橋面板在連接節(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，因此為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全使用，對(duì)縱肋采取防火措施至關(guān)重要。

圖2 橋面受火時(shí)截面溫度變化

圖3 橋下受火時(shí)截面溫度變化

圖4 停火時(shí)箱梁截面溫度梯度

3.3 溫度場(chǎng)對(duì)比分析

HC 火災(zāi)導(dǎo)致的橋面受火和橋下受火使得梁截面產(chǎn)生不同的溫度場(chǎng)分布模式，圖4 為停火時(shí)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(shí)，箱梁截面升溫區(qū)段主要集中在距離橋面400mm 范圍內(nèi)，超過該范圍的區(qū)段在整個(gè)受火過程中溫度接近室溫，沒有發(fā)生顯著變化；橋下受火時(shí)，梁截面升溫區(qū)段主要集中在距離截面底部400mm 范圍內(nèi)。兩種受火情況下，截面位置距離受火面越近，溫度梯度效應(yīng)越明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

HC 火災(zāi)具有初期溫度上升迅速的特點(diǎn)，受火面在火災(zāi)15min 時(shí)可達(dá)到600℃，整個(gè)火災(zāi)過程中僅有部分梁截面區(qū)段出現(xiàn)明顯升溫。在結(jié)構(gòu)受力過程中，梁截面下部主要承受拉應(yīng)力，考慮到材料在高溫下的性能退化，建議對(duì)縱肋采取防火措施，從而提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐火性能。