HC火灾下缆索承重钢箱梁温度场分析

2023-08-04王世超李毅巫启翔张永飞

中国公路 2023年12期

王世超李毅巫启翔张永飞

（1.长安大学公路学院，陕西西安 710064；2 广东省公路建设有限公司湾区特大桥养护技术中心，广东广州 510000）

0 引言

近年来，桥梁因发生火灾事件而造成结构垮塌和人员伤亡的事件时有发生[1]。为此，国内外相关学者针对这一突出问题展开了深入的研究。张岗等[2-3]对设计制作的8 榀大比例钢混组合试验梁分别进行了ISO834 和油罐车（HC）火灾试验，揭示了不同截面形式和结构体系对组合梁耐火性能的影响机理。Song 等[4-5]分别对钢混组合桥梁和聚丙烯纤维预应力混凝土桥梁进行局部受火试验，研究了高温下受火梁的结构响应和破坏模式，并提出相应的抗火设计方法。

现有研究主要围绕桥梁下部受火展开，对桥面受火情况下梁截面的温度场分析较少。钢材在高温环境下力学性能退化明显，将严重影响桥梁结构的安全使用。因此，对钢结构桥梁开展高温火灾下温度场分析研究至关重要，同时也可为桥梁结构抗火设计提供参考。

1 桥梁概况

本文依托某缆索承重钢梁桥为背景，桥梁全长204m（36m+120m+48m），桥梁整体宽度为49.7m，其中桥面宽度为40.492m，梁高3.6m。上、下部桥面板厚度分别为18mm、12mm，桥面板上均设有纵肋，纵肋高280mm，厚度为8mm，其上、下部宽度分别为300mm、170mm。其中上部桥面板上的纵肋布置间距为600mm，下部桥面板上的纵肋布置间距为1000mm。钢材采用Q420q 结构钢，弹性模量为200000MPa，泊松比为0.3。桥梁结构总体布置如图1 所示。

图1 组合梁总体布置（单位：mm）

2 有限元模型建立

采用有限元软件Abaqus 对HC 火灾下缆索承重钢箱梁桥进行温度场分析，受火方式分别为桥梁下部受火和桥面受火。各构件均采用三维实体单元建模，桥面板与纵肋和横隔板之间采用绑定连接，即忽略相互之间的热阻。网格划分采用六面体单元，桥面板、纵肋、横隔板的网格尺寸分别为100mm、60mm 和30mm。钢箱梁初始温度取20℃，绝对零度为-273.15℃，Stefan-Boltz-mann 常数取，综合辐射系数取0.7。对于HC 升温曲线，对流换热系数取。选取跨中8m 长度为受火区段，对整体结构进行热传递分析。

3 温度场分析

3.1 桥面受火温度场分析

油罐车在桥面发生侧翻起火是导致桥梁火灾的主要原因之一，因此选取箱梁上部桥面板为受火面，受火时间为3h，如图2 所示。图中数据标注含义为测点位置至受火面的距离，单位为mm。

由图2 可知，HC 火灾具有升温迅速的特点，受火时间15min 左右即达到600℃。箱梁截面各测点处温度受火初期增长迅速，随后逐渐放缓，且越靠近受火面，上升速率越快。上部钢桥面板作为直接受火面，至停火时温度均未达到800℃，原因为桥面板除将一部分热量传递至纵肋和横隔板外，还直接与周围空气环境存在热交换，导致部分热量散失。在整个受火过程中，横隔板在距离桥面200mm 处温度仅上升到100℃左右，距离受火面400mm 外的其余截面区段，在整个受火阶段温度接近室温，没有明显变化。

3.2 桥梁下部受火分析

桥下堆积物起火是发生桥梁火灾的主要原因之一，因此选取箱梁底面为受火面，受火时间为3h。HC 火灾情况下桥下受火分析如图3 所示。图中数据标注含义为测点位置至受火面的距离，单位为mm。

对比图2 和图3 可知，桥下受火与桥面受火情况下梁截面的升温模式基本相同，主要差异性表现在高温区段的分布位置不同。但是基于设计时钢梁上部桥面板厚度（18mm）大于下部桥面板厚度（12mm），因此在整个受火过程中，截面下部的纵肋在与桥面板连接的部位产生超过600℃的高温，考虑到施工和运营过程中纵肋与桥面板在连接节点处会产生焊接应力和疲劳应力，因此为保证桥梁结构安全使用，对纵肋采取防火措施至关重要。

图2 桥面受火时截面温度变化

图3 桥下受火时截面温度变化

图4 停火时箱梁截面温度梯度

3.3 温度场对比分析

HC 火灾导致的桥面受火和桥下受火使得梁截面产生不同的温度场分布模式，图4 为停火时两种受火状况下钢箱梁截面的温度梯度分布。由图4 可知，桥下受火时，箱梁截面升温区段主要集中在距离桥面400mm 范围内，超过该范围的区段在整个受火过程中温度接近室温，没有发生显著变化；桥下受火时，梁截面升温区段主要集中在距离截面底部400mm 范围内。两种受火情况下，截面位置距离受火面越近，温度梯度效应越明显。