火灾下公路悬索桥高温力学性能研究

范俊，陈德权

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430010）

火灾下公路悬索桥高温力学性能研究

范俊，陈德权

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430010）

为了探明公路悬索桥货车火灾下的高温力学性能，利用热-结构分析软件ANSYS建立某大跨径悬索桥有限元模型。根据公路桥梁火灾的特点，选取货车升温曲线模拟货车燃烧，对悬索桥施加随温度变化的热荷载，得到悬索桥混凝土板和钢梁的强度和弹性模量随时间变化曲线，以及应力挠度随时间变化曲线。结果表明：混凝土桥面板在火灾下升温迅速，弹性模量和强度衰退较大；钢梁由于受到混凝土板的保护作用，升温速率较低，力学性能下降较小。为此，在桥梁上应当设置合理的防火措施，以避免造成更大的损失。

悬索桥；火灾；温度场；力学性能

0 引言

随着交通运输行业的兴起，桥梁工程得到了飞速的发展，各种新形式结构桥梁和大跨度的桥梁不断涌现。悬索桥造型优美、跨越能力大，对区域之间联系起着重要的推动作用。但是悬索桥柔性较大，一旦桥上发生火灾，将会造成巨大的损失。随着经济的发展，通过桥梁上的运输车辆也越来越多，由此发生汽车燃烧火灾的概率也大幅度提高[1]。

2002年7月5日，美国伯明翰市内的I-65/I-59公路桥梁上，一辆装有34 m3汽油的油罐车撞上一辆小汽车，发生燃烧事故，桥梁周围的的温度场高达1100℃，火灾导致桥梁整体挠度下降二米多。火灾被扑灭后，经检测评估，该桥梁已经不能正常使用，随后被拆除，造成了严重的经济损失[2]，如图1所示。

图1 美国伯明翰市桥梁火灾后之实景

混凝土和钢材由于具有强度高、抗震性好、环保等很多优点，已成为悬索桥用量最大的材料。但混凝土和钢材耐火性能较差，弹性模量和强度会随着温度的升高而发生大幅度降低[3]。桥梁上一旦发生火灾，汽车燃烧的大火将会产生高温温度场，热量通过热传导的方式直接传递给桥梁上的混凝土板和钢主梁，使得混凝土板和钢主梁的力学性能大幅度下降，桥梁结构将造成局部或者整体的损坏，将会造成巨大的经济损失并危害人员安全。因此，分析火灾下悬索桥的高温力学性能，对保障桥梁的安全运营是十分重要的。

1 工程概况

现以某悬索桥为研究背景，该悬索桥主桥的结构形式为三塔四跨钢-混组合悬索桥，跨径布置为（200+850+850+200）m，由边塔、中塔、钢加劲梁、混凝土桥面板、风嘴、主缆和吊索组成，大桥立面布置见图2所示。

图2 悬索桥跨径布置图

加劲梁由q370QD钢焊接构成，加劲梁由纵向钢主梁、小纵梁、横梁和两侧的风嘴构成，其上布置有10 cm厚的C60混凝土桥面板和8 cm厚的沥青铺装层，混凝土桥面板和钢主梁之间采用剪力连接件连接。纵向的钢主梁之间的间距为30 m，采用I形截面，截面上布置有横向和纵向加劲肋，梁高2.4 m。悬索桥加劲梁的横断面布置如图3所示。

图3 悬索桥加劲梁横断面图

2 火灾传热理论及升温曲线

2.1 火灾热传导理论

热分析中的三种传热方式为：热传导、热对流、热辐射[4]。在该项研究中，由于火源是车辆燃烧，其热辐射产生的效果很低，可以忽略，因此车辆燃烧产生的热量主要通过前两种传热方式进行传递。

2.1.1 热传导

根据热力学定律，对于同一个物体，当物体内存在温差时，热量会由高温位置传递到低温位置；对于不同的物体，当物体之间存在温差时，温度会由高温物体传递给低温物体，这种热量在物体内部和物体之间的热传递为热传导，由傅立叶定律可得结构在截面上导热的微分方程为:

式中：ρ为物体密度，kg/m3，C为物体比热，J·（kg·℃）-1；T为物体空间坐标(x,y,z)在t时刻的温度，℃；t为时间，s；qv为热量，λx、λy、λz为物体不同方向的导热系数，W·（m·℃）-1，工程中的大多数材料为各向同性材料，λx=λy=λz=λ。

求解方程（1）需要选择合适的边界条件和初始条件，导热微分方程式分析温度场的基础，揭示了结构温度在空间和时间上的分布规律和相互联系。

2.1.2 热对流

热对流发生在物体与和它接触的流体之间，当物体表面的温度和周围流体的温度存在差值时，便会发生热对流，热对流中热量的计算公式为：

式中：qc为单位时间内物体表面传递的热量，W·m-2；αc为对流换热系数，W·（m2·℃)-1；Tg为流体的温度，℃；Tb为物体表面的温度，℃。

2.2 升温曲线

桥梁上通行的车辆有小汽车、公交汽车、客车、货车。载重货车燃烧时，火灾升温速率最快，达到的温度最高，并且持续时间长，对桥梁产生的影响最不利，因此该项研究选取货车升温曲线悬索桥施加热荷载。货车升温曲线的表达式为[5]：

式中：t为时间，min；T为t时刻的温度，℃。

货车燃烧的升温曲线如图4所示。

图4 货车燃烧升温曲线图

3 悬索桥高温力学性能研分析

3.1 有限元分析模型

由于在恒载和活载作用下，悬索桥的主跨跨中位移最大，相应加劲梁的应力最大，此处受到火灾后是极其不利的，因此该项研究采用有限元软件ANSYS建立悬索桥全桥模型。其中：在跨中节段模型中，混凝土桥面板采用实体单元；纵向钢主梁、横梁、小纵梁采用壳单元；其他部位主梁采用梁单元。整个计算模型共有16348个单元，17546个节点，如图5所示。

图5 悬索桥主跨跨中节段有限元模型

3.1.1 恒载

悬索桥上的恒载一期为主梁和其他构件的自重，二期为铺装层的自重及其他附属设施的自重。根据桥梁设计文件，悬索桥一期恒载为283.8 kN/m；二期恒载为59.02 kN/m，总恒载为342.82 kN/m。

3.1.2 活载

该悬索桥为8车道，设计荷载为：公路-Ⅰ级。为使得悬索桥在主跨跨中部位最不利，根据规范规定，将车道集中荷载P＝360 kN作用在主跨跨中，均布荷载取q＝10.5 kN/m。横向布置为双向8车道，折减系数取0.5，桥梁主跨长度800 m＜850 m＜1000 m，因此纵向折减系数取0.94。

采用上述恒载+活载工况对悬索桥进行静力计算，得到在常温下，主跨跨中吊索的最大拉应力为438 MPa，主缆最大拉应力为642 MPa。由于主缆和吊索采用的是高强钢丝，因此，在常温下的钢丝的抗拉强度为1770 MPa，主跨跨中产生向下的竖向挠度2.144 m。

3.2 热分析位置

由于该项研究分析的是货车燃烧时，桥梁结构的高温力学性能，故首先确定燃烧区域。由于不同型号的货车的尺寸差异较大，因此，根据大量的统计资料，确定出桥梁上通行货车最多的车型为长度方向10 m，宽度方向3 m。如图6所示。当货车燃烧后，取桥面板上热分析区域为纵向10 m，横桥向3 m，在此范围内施加对流热荷载。

图6 货车燃烧尺寸示意图

热分析模型在计算中初始温度取常温20℃，桥梁结构周围介质为空气。空气的热物理性质（导热系数、比热）随温度变化明显，采用表1给出的值进行计算[6]。

3.3 有限元分析结果

货车火灾后，混凝土板和钢梁的温度会随时间发生变化，相应的温度场云图如图7所示。

桥面铺装直接承受火源产生的热传导和对流作用，升温速率最快，达到的温度最高，在货车燃烧28min时，沥青桥面铺装最上层的温度高达1026℃，桥面铺装基本已融毁。桥面铺装下层的混凝土板的升温速率略滞后于桥面铺装，混凝土板顶面的升温速率基本呈直线变化，在28min时达到349℃；底板升温速率较低，在28min时达到27℃。由于桥面铺装和混凝土板的保护作用，钢主梁的温度在28min时仅达到24℃，如图8所示。

由于混凝土的弹性模量和强度是温度的函数，在高温作用下，混凝土的弹性模量和强度会大幅度下降。在货车燃烧28min时，混凝土板上层的弹性模量下降到常温下的0.58，下层混凝土板的弹性模量由于板厚的隔热作用，仅下降到常温下的0.96；混凝土板上层抗压强度降低到常温下的0.78，下层混凝土板由于达到的温度较低，强度基本保持不变。混凝土板弹性模量和强度随时间变化曲线如图9所示。

由于在桥面铺装和混凝土板的保护作用下，钢主梁的温度在28min时仅达到24℃，因此钢主梁的弹性模量和强度基本不发生折减。

图7 混凝土板与钢梁温度场云图

表1 空气热物理性质一览表(p=1.01325×05 Pa)

混凝土板和钢主梁在货车燃烧过程中的应力变化如图10所示。在高温作用下，钢主梁和混凝土的应力会发生重分布，28min时，钢梁底板拉应力达到94.9 MPa，钢梁顶板压应力达到-13 MPa，混凝土板压应力达到-4.7 MPa，应力变化幅度较大。

图8 混凝土板与钢梁温度变化曲线图

图9 混凝土板弹性模量和强度变化曲线图

图10 混凝土板和钢梁应力变化曲线图

悬索桥为柔性体系，火灾下挠度变化较为明显，28min内主跨跨中截面竖向挠度变化曲线如图11所示。在货车燃烧过程中，挠度基本呈线性变化，在30min时，最大竖向挠度达到2.35 m，小于规范中规定的竖向最大挠度3.4 m（850/250）。

图11 悬索桥主跨跨中挠度变化曲线图

4 结论

（1）利用热-结构分析软件ANSYS建立悬索桥有限元模型。根据公路桥梁火灾的特点，确定货车升温曲线模拟货车燃烧。

（2）获得了在货车火灾作用下，悬索桥钢主梁和混凝土板力学性能随时间变化的规律，以及强度和弹性模量的衰减规律。

（3）火荷载对桥梁造成的影响不可忽略，在桥梁上应当设置合理的防火措施，以避免造成更大的损失。

[1] 闫治国，杨其新，朱合华，何利英．易燃易爆物品车辆通过长大隧道的防火对策[J]．地下空间与工程学报，2005，（2）：287-291.

[2] Maria Garlock,Ignacio Paya-Zaf ort eza,Ven katesh Kodur,Li Gu.Fire hazard in bridges:Review,assessment and repair strategies[J].Engineering Structures 35(2012)：89-98.

[3] 时旭东,过镇海.高温下钢筋混凝土框架的受力性能试验研究[J].土木工程学报,2000,33(1):36-45.

[4] 房帅平.预应力混凝土箱梁桥抗火性能研究[D].西安:长安大学,2011.

[5] 闫治国，杨其新，朱合华.秦岭特长公路隧道火灾试验研究[J].土木工程学报，2002，（11）：96-101

[6] 刘发起.三面受火的矩形钢管混凝土柱抗火性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

U448.25、U447

A

1009-7716（2017）11-0197-04

2017-07-25

范俊（1984-），男，湖北荆门人，工程师，从事桥梁工程设计工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.059