混凝土板梁火灾时温度及应力分析

王 丽，白 英

(1.内蒙古建筑职业技术学院，呼和浩特 010070；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)



混凝土板梁火灾时温度及应力分析

王 丽1，白 英2

(1.内蒙古建筑职业技术学院，呼和浩特 010070；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

设计桥梁结构受火试验，总结水蒸气迁移、腹板开裂、梁体下挠和混凝土爆裂等四种试验现象。通过有限元模拟研究了爆裂现象对构件温度的影响，对比ANSYS温度模拟结果和试验测试结果，验证ANSYS模拟的可行性,结果表明试验构件底板区域为高温集中区，且从底板至顶板之间存在明显的梯度。利用埋设在梁体内部的传感器侦测梁体的变形以及应力应变规律，并与有限元模拟结果进行了比较，结果表明构件受火试验中截面应变符合平截面假定，火损梁截面纵向受压区主要处在顶底板位置。底板的压应力呈二折线分布，顶板几乎不受高温影响，压应力线性分布。受拉区主要位于腹板区域，受拉范围随温度升高扩大。

预应力混凝土板梁； 受火试验； 温度场； 应力场； 有限元分析

1 引 言

在桥梁火灾事故中，燃烧物形成的温度场会对桥梁结构内力分布造成严重影响从而在短时间内形成结构损伤[1-2]。国内外学者为便于分析，对火场温度随时间变化的规律进行了研究，制定了一系列的标准火灾-温度曲线[3]，我国抗火设计中也采用了国际标准化的ISO0834曲线作为火场温度设定曲线[4]。

国外学者在这一领域的研究主要是通过有限元数值方法建立模型模拟火灾高温下预应力结构力学性能，通过对桥梁混凝土结构进行合理的设计来提高其在火灾高温下的抗火性能[5-7]。国内对桥梁结构遭遇火灾时的研究主要集中在对预应力混凝土结构火灾反应、抗火性能及预应力混凝土结构材料高温特性等领域[8-11]。例如研究低松弛预应力钢丝高温力学性能、火灾中桥梁结构钢绞线及钢丝弹性模量特性、抗拉强度和条件屈服强度随温度变化规律、高温高强预应力筋的蠕变、混凝土(RPC)抗火性能试验、火灾后预应力混凝土连续梁板的力学性能试验等，并取得了可观的研究成果。

但上述研究多数集中在工民建领域，对于有粘结的预应力混凝土桥梁火灾研究较少，且大多采用小比例试验构件进行研究，试验结果不能真实反映桥梁结构在火灾中的力学性能[12-14]。笔者以全尺寸粘结预应力混凝土足尺构件的火灾试验为研究对象，采用标准ISO0834曲线进行模拟试验，直观研究火灾对桥梁构件的影响，重点研究在已知火场温度的情况下，全尺寸试验构件内部实际的温度场分布及其受火时的行为特征，该研究方法在一定程度上弥补了全尺寸桥梁构件火灾试验较为稀少的现状，可为类似研究提供有益的参考。

2 试 验

2.1 试验构件及设备

本次试验中采用先张预应力混凝土板梁作为试验对象，可较好地代表中小跨径桥梁，试验结果也具有较好的代表性。试验构件截面形式如图1所示。

本次试验中的试验梁采用3组先施加张预应力混凝土空心板梁，如表1所示的1#，2#，3#简支梁，构件设计参数及试验工况如表1所示。加热设备及加热方式为定制的燃气加热炉，加热位置为梁的底部。

表1 试验构件设计参数及试验工况

2.2 试验数据采集方式

图1 试验构件设计概图Fig.1 Sketch of experiment structure

在本次试验中，主要采集的数据类型为板梁跨中挠度、炉膛温度以及板梁内部温度及梁内部应变这三类关键参数，其中板梁跨中挠度的测量方式为位移计(精度0.1mm，采样频率2min/次)，炉膛温度利用布置在加热炉内的K型铠装热电偶进行测量，板梁内部温度和应变的测量借助预埋于梁内传感器获得(布置于跨中截面，沿腹板竖向排列，其中热电偶10个和应变片6个)。热电偶和应变计布置如图1所示。

2.3 热应变测量

本次试验中的一个难点是试验桥梁构件的热应变测量。在常规桥梁应变测量中，目前国内常用的应变测量手段主要是电阻应变片测量应变和振弦式应变计测应变[15-17]。在本次试验中由于需要模拟构件受火，因此温度对应变计的影响不可忽略。由于振弦式应变计本身没有温度补偿能力，在模拟构件受火时可能导致较大测量偏差，而电阻应变片体积较小，价格较低，测量灵敏度高，可以实现温度变化的自补偿，可以进行动态测试，故综合考虑后决定在本次试验中采用电阻应变片的应变测量方式。

3 试验现象

在本次试验中，主要观察到4类现象，分别是水蒸气迁移、腹板开裂、梁体下挠和混凝土爆裂，3个试验个体在试验中的现象类似。

水蒸气迁移试验现象：试验开始后1min，试件板梁与炉膛间隙有大量水蒸气溢出；15min时试件梁侧面有块状水渍；20min时梁体开裂，水蒸气从裂缝处溢出；25min时内腔、梁端有水蒸气冒出，出现大面积水渍。

腹板开裂试验现象：点火后约15min，板梁受火区腹板中下部出现竖向裂缝；15min～24h，裂缝最终向上发展至约2/3梁高处；>24h，大部分裂缝闭合。

梁体下挠试验现象：在小于30min时间段内梁体持续下挠明显，速度较快；30min后梁体持续下挠，但下挠速度减缓，最大挠度为2～3cm；停火后挠度逐渐恢复。混凝土爆裂试验现象如表2所示。

表2 混凝土爆裂试验现象

由上述试验现象可见，在四类试验现象中，在混凝土爆裂方面3个不同的试验构件的试验现象具有较为明显的差异，反映出爆裂现象在火灾试验中具有较为明显的不确定性。同时由于爆裂现象会导致混凝土表面大面积脱落、钢筋直接曝火等严重后果，从而对桥梁结构造成重大破坏，因此重点针对爆裂现象展开研究。

4 爆裂现象对温度场的影响

4.1 有限元建模

进行有限元模拟时，分为有无爆裂两种情况分别进行ANSYS建模分析。热传导微分方程中的参数按欧洲规范取用[18-20]。热边界条件主要依据现有研究成果及试验的实际条件确定，受火面的边界条件取用文献[21]中郑文忠等给出的推荐值。由于试件在试验中可能发生的爆裂现象以及爆裂试件存在较大的不确定性，在建模时为便于比较，以爆裂试验值为参考，爆裂发生时间约为15min，爆裂深度约为3cm。

4.2 结果分析

从有限元模拟分析结果主要得到如下结论：(1)试件高温区、低温的竖向温度梯度明显，主要表现为底板位置出现高温区，从受火面往顶板方向出现较为明显的温度梯度，离底板距离越远，温度越低，在顶板、腹板等位置形成低温区；(2)底板高温区温度较为均匀；(3)在有爆裂现象的2#梁底板中部出现较为明显的温度变化，而无爆裂的3#梁模拟结果中则底板温度总体较为均匀。可见爆裂对于底板温度的影响较为明显，为了更明显地看出爆裂的影响，以底板向上5cm的点为例，进行有、无爆裂两个模型计算结果的对比，表3给出了距离底板5cm处温度测点温度值，可见在有爆裂情形下在受火15min后温度上升幅度大大高于无爆裂情形，前者受火90min后最高温度达到620.1 ℃，而后者仅为370.3 ℃。

表3 有无爆裂模型距底板5 cm高度处温度对比

4.3ANSYS温度模拟的可行性分析

能否采用ANSYS对桥梁结构做数值模拟，关键是分析模拟结果与实测结果的符合程度，如二者符合较好，则有助于总结出可行的模拟方法及关键控制参数[22-24]。本节重点探讨数值模拟方法的可行性，需要强调的是模拟时未考虑水蒸气溢出现象对试件温度场分布的影响。表4和表5给出了2#梁和3#梁中实测温度和数值模拟温度的比较结果。

表4 2#梁温度测试值与数值模拟值对比

表5 3#梁温度测试值与数值模拟值对比

由表4和表5结果可以发现，数值模拟方法得到的各测点温度值和实测温度值之间的吻合程度较高。在试验进行前30min测点实测温度和模拟计算值之间存在一定的偏差，可能是由于前期水蒸气溢出对试件温度场分布造成了一定的影响，在试验进行约30～40min后二者的吻合度较好。表明利用数值模拟方法能够较好地反映试件的试验状态，可以利用模拟方法对试件温度分布进行研究。

5 应变和应力分析

5.1 应变及跨中挠度试验结果

通过预设在梁内的应变计可测得各试件的梁体总应变，其中应变取左右腹板的平均值，图2给出了1#试件梁和3#试件梁跨中挠度测试数据。

由图2可见，梁体挠度对受火时间较为敏感，点火后即有较为明显的反应，1#梁和3#梁分别在60min和90min时分别达到最大挠度，挠度最大值分别为2.25cm和2.68cm，停火后梁体挠度逐渐恢复正常值。

5.2 有限元模拟比较分析

本文的有限元分析采用热耦合方式进行分析，也即先分析温度场，在此基础上将温度载荷施加到力学模型中，最终得到分析结果，图3给出了模拟条件下不同受火时间跨中截面纵向应力沿路径的分布图。

图2 1#和3#试件梁的挠度实测值Fig.2 Observed data of deflection in 1# beam and 3# beam

图3 不同受火时间下跨中截面纵向应力沿路径的分布Fig.3 Cross section of the longitudinal stress distribution along the path duiring different fire duration

由图3可见，底部区域的压应力接近二折线分布，在腹板的中间区域表现出拉应力，且拉应力随受火时间呈现增加趋势，而顶板则处于受压状态，在整个试验过程中较为稳定，受温度影响幅度较小，但从距底板距离上看，随着受火时间的增加，顶板压应力分布的斜率有增加的趋势，表明板梁弯曲的曲率也和受火时间呈现出正相关关系。

在变形方面，1#、3#梁跨中挠度计算值和实测值的比较结果如表6所示。

表6 不同受火时间下跨中竖向挠度比较

由表6可见，模拟值和实测值在40min以内差别不大，总体上实测值略小于计算值。在受火时间超过40min后计算值和实测值开始出现较大偏差，且偏差随着受火时间的增加而逐渐加大。其原因可能是模型中将下挠曲线斜率考虑为定值所致。同时从表6中可以看到，本文的振弦式应变测量值随加热时间变长线性增大，温度的敏感性较好，另外需要指出的是，在本次模拟中模型采用了文献[21]中的方法，认为温度不随时间发生渐变可能是导致在受火时间较长后出现计算值和实测之间较大偏差，但在受火时间较短时，采用该种方法是可行的。

6 结 语

(1)本次模型试验中出现的四种状态，水蒸气迁移、腹板开裂、梁体下挠、混凝土随机爆裂在该类试验中均会出现。其中水蒸气迁移现象从实验开始即会出现，腹板开裂现象约发生在受火15min左右，其发展深度约为2/3梁高处，在梁体下挠方面，试验过程中梁体不断下挠，开始30min内下挠速度较快，之后速度减缓，熄火后，挠度又逐渐恢复。各片梁的最大下挠值在2～3cm之间。上述三类现象具有共性，在各类试件中均会表现出一定的规律性。但混凝土随机爆裂现象的出现则具有明显的不确定性，在各实验构件中出现的时间、位置和剧烈程度差异较大，应当作为此类研究的重点分析对象之一;

(2)试验表明构件底板区域为高温集中区，且从底板至顶板之间存在明显的梯度，由于材料传热等因素，距离底板不同距离的测点处温度峰值会有延迟现象。爆裂发生后梁体温度值及升温速率都会明显增大，在进行类似有限元分析时应采用试验中出现爆裂的实测时间和爆裂深度的实测值，因为这两个因素具有很强的不确定性且事先很难定量估计，故模拟时需采用实测值建模，否则可能出现较大偏差;

(3)采用数值模拟方法适用于此类构件的温度场模拟，但需要适当考虑试件受火后水蒸气的溢出现象对试件温度的影响，在试件水蒸气基本停止溢出后的测点温度实测值和模拟值具有较好的吻合度。以后的研究中可进一步研究水蒸气溢出对试件温度场的影响;

(4)构件受火试验中截面应变符合平截面假定，火损梁截面纵向受压区主要处在顶底板位置。底板的压应力呈二折线分布，顶板几乎不受高温影响，压应力线性分布。受拉区主要位于腹板区域，受拉范围随温度升高扩大。在梁体变形的有限元模拟分析中，采用文献[24]中方法进行简化可得到在40min内模拟值和实测值较为接近的结果，验证了该简化方法的可行性。

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TemperatureandStressAnalysisofConcreteSlabBeamExposedtoFire

WANG Li1,BAI Ying2

(1.InnerMongoliaTechnicalCollegeofConstruction,Huhhot010070,China;2.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China)

Abridgebeamstructurefireexperimentwasdesigned,and4kindsofexperimentalphenomenaincludingwatervapormovement,webcracking,underdeflectionofbeamandconcreteburstingweresummarized.Byfiniteelementmethod,theinfluenceofburstingonthetemperaturewasanalyzed.Thesimulationresultswascomparedtotheexperimentdata,andthefeasibilityofANSYSsimulationwasverified.ThefeasibilityofANSYSsimulationwasverified.Theresultsshowthatthefloorareaofthetestcomponentisahightemperatureconcentrationarea,andtherewasanobviousgradientfromthebottomplatetothetopplate.Bysensorsburiedinsidethebeam,thedeformationandstressandstraindistributionweretested,andcomparedwiththefiniteelementmethodresult.Theresultsshowthatthecrosssectionofthecomponentisintheassumptionofplanesectioninthefiretest.Thesectionofthebeamsectionofthefiredamagedbeamismainlyinthepositionofthetopandbottomplate.Thecompressivestressofthebottomplateisdistributedinthetwoline,andtheroofisalmostnotaffectedbythehightemperature,lineardistributionofcompressivestress.Thetensionzonewasmainlylocatedintheweb,andthetensionrangeincreaseswiththeincreaseoftemperature.

pre-stressedconcretebeam;fireexperiment;temperaturefiled;stressfiled;finiteelementmethod

王 丽(1982-)，女，硕士，讲师.主要从事建筑材料、施工、结构方面的研究.

白 英，教授，硕导.

TD

A

1001-1625(2016)12-4122-06