箱梁内部火灾影响下桥梁结构状态分析

张俊，石玲莉

(1重庆市政设计研究院 重庆 400074 2四川省泸州市公路局 四川泸州 646000)

箱梁内部火灾影响下桥梁结构状态分析

张俊1，石玲莉2

(1重庆市政设计研究院 重庆 400074 2四川省泸州市公路局 四川泸州 646000)

随着科技的进步和经济发展的需要，桥梁建设在我国得到了飞速的发展。虽然火灾发生于桥梁的概率不大，但是每年还是有一部分桥梁发生意外火灾。本文以温度场数值模拟的基本理论为依据，采用ABAQUS有限元软件对桥箱梁进行变截面有限元实体建模，针对箱梁内火灾对连续刚构桥结构状态的影响进行了探索与研究。

箱梁；连续刚构桥；ABAQUS；有限元；温度场分布

1 概述

当前关于结构火灾的研究多集中在分析建筑火灾引起的高温对梁、柱、板、墙等建筑构件的强度和变形的影响方面。对于预应力混凝土结构火灾，特别是连续刚构桥箱梁内部火灾对桥梁，结构状态影响的研究基本上没有相关报道。

高温作用下，钢筋混凝土结构材料的强度显著下降、变形明显增大，对于超静定体系将发生剧烈的内力重分布，甚至改变结构的破坏机理和极限荷载。因此本文选取某单箱预应力箱型桥梁 (60.5m+110m+60.5m三跨一联预应力混凝土连续刚构桥)，结合钢筋混凝土高温条件下的热工性能[1]，在有限元理论[2]的基础上使用有限元分析软件ABAQUS进行箱梁内不同规模火灾模拟分析，得出连续刚构桥箱梁内部高温下的温度场分布的主要规律及结构状态转变特性。

2 模型的建立

桥梁模型在受力分析时混凝土箱梁部分采用4136个C3D8R，即8节点六面体二次减缩积分单元，12064个C3D6线性楔形单元和9274个C3D4线性四面体单元。预应力筋采用2960个T3D2杆单元进行划分。桥梁温度场分析时单元划分的方式不变，只需将类型换为传热单元即可。模型桥箱梁两侧设置横向水平约束 (U1=0)、竖直约束 (U2=0)和转动约束(UR1=UR2=0UR3=0)；桥墩设置横向水平约束(U1=0)、纵向约束(U3=0)和转动约束(UR1=UR2=UR3=0)；桩基设为完全固定约束ENCASTRE（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0）。 划分网格、设定边界条件后的整桥有限元模型如图1所示。

图1 全桥有限元模型

温度场的模拟时，不考虑桥梁自重、钢筋预应力和桥面铺装荷载等应力变化，边界条件设定为距离火源较远处不受火源的影响，即桥梁端部截面温度在整个升温过程中保持初始温度不变。

3 升温曲线及模拟工况

3.1 升温曲线

由于箱梁内部属封闭空间，火灾温度变化过程模拟取用我国学者吴波等通过回归分析建立的室内气体典型火灾时间温度变化模型[3]。

式中：t为时间（min）；Tg为t时刻室内气体的温度；Tgo为初始温度；Tgm为最高温度；tm是Tgm与对应的时刻；b为模型参数，当t≤tm时b=0.8，反之则b=1.6。

计算模型中的最高温度Tgm，按1990年国际标准化组织(ISO)给出的标准时间-温度曲线[4]：

式中：t为时间（min）；T为t时刻的温度。 取Tgm=800，典型火灾时间温度曲线与ISO标准时间-温度曲线比较如图2所示。

图2 火灾气体时间-温度曲线

由图2可知，典型火灾时间—温度曲线与ISO标准时间—温度曲线变化趋势相同，区别在前者的温度升到最高点后有个降温的过程。取火灾最高温度Tgm分别为ISO标准时间—温度曲线升温20min，40min和1h时的计算温度781℃，885℃和945℃，按火灾峰值及持续时间的不同，模拟不同规模的火灾。

3.2 模拟工况

随着火灾荷载增大，不仅跨中最大弯矩值增大、截面极限承载力减小，而且中间支座梁截面弯矩值也增大。一旦跨中出现塑性铰，中间支座梁截面也将较快出现塑性饺，结果极限温度值必然要降低。故取用火源的位置在主跨跨中的情况模拟不同规模的火灾对桥梁结构的影响。具体工况布置如下：

工况一：火源位置为主跨跨中，最高温度取Tgm在tm=20min时的781℃，火灾总持续的时间为1h。

工况二：火源位置为主跨跨中，最高温度Tgm取tm=40m in时的885℃，火灾总持续的时间为2h；

工况三：火源位置为主跨跨中，最高温度取Tgm在tm=1h时的945℃，火灾总持续的时间为3h。

4 材料参数取值

分析箱梁受火时的温度场时，由于箱梁不同区域取用的混凝土型号不同，故取用T.T.Lie[5]建议的高温下不区分混凝土类别的导热系数(W/m·oC)计算式：

针对中跨受火而边跨保持常温不变的三跨连续梁，钢筋混凝土的热膨胀系数取常数值1.0X10-5。混凝土弹性模量随温度的变化取用陆洲导[9]的三折线式给出了弹性模量和温度的关系：

取混凝土弹性模量E=3.55X1010，按(7)式可得到混凝土弹性土弹性模量随温度变化值。钢筋弹性模量随温度的变化取用欧洲规范Eurocode3[10]不同温度段常温下的弹性模量乘以折减系数，如表1所示。取钢筋的弹性模量E=2.0X1011Pa，按高温折减可得到高温下钢筋的弹性模量数据。

表1 不同温度弹性模量折减系数

经过受火区域的钢筋预应力随温度升高有部分损失，设置随时间变化的降温方式实现钢筋预应力损失模拟。钢筋的热膨胀系数设为α=1X10-5，用△T=σ/E/α公式算得实现预应力加载需要设置的降温数值，例如设钢筋初始温度为20℃，降温525.6℃，可实现的预应力大小为1076MPa。

根据预应力损失的计算公式：σ（△T）＝E(T)α（T)△T,结合钢筋热工参数变化和火灾最高温度及持续时间，按典型火灾升温曲线算得相应钢筋预应力随温度变化的损失值。

5 计算结果分析

5.1 箱梁的温度场

跨中区域按火灾辐射放热和对流换热叠加的方式对主跨跨中区域加载火灾温度荷载，箱梁内部在火灾作用下，截面温度场呈层状分布，且越远离受火面，温度梯度越小，不同时刻的温度场形状较为相似。箱梁跨中截断温度场分布云图如图3所示。

图3 箱梁温度分布云图

从图3可以看出，跨中温度梯度较大，说明箱梁跨中为集中受火点，受火源的影响程度较深；随着温度场沿纵桥向发展，温度变化呈递减趋势且变化趋缓。箱梁内部火区附近温度受火源的影响剧烈，当梁体距火源超过一定范围后，火源对其温度的影响趋无。比较三种工况下火源正下方箱梁底板混凝土表面温度变化曲线，如图4所示。

图4 火区内箱梁底板温度变化曲线图（长度单位：m，温度单位：℃）

对比图4中三种工况可知：混凝土箱梁受火时的距离跨中相同位置处的温度场变化趋势相似，根据各工况下火源峰值的不同，温度场梯度大小有所不同。在火源温度达到峰值时，箱梁底板混凝土表面工况一时的最高温度为89.83℃，影响区域为顺桥向11.2m范围内；工况二时的最高温度为252.1℃，影响区域13.8m；工况三时的最高温度为449.9℃，影响区域15.5m。在距火源较近的区域混凝土温度较高，混凝土容易开裂以释放温度应力，背火面混凝土温度值的变化不显著。

5.2 桥梁结构状态

运用有限元分析可以得到温度最高时各工况下的桥梁结构状态变化情况如图5所示。

图5 预应力箱梁挠度变化云图（放大100倍）

从图5可以看出桥梁跨中出现了下挠现象，由于连续刚构桥两端有约束力作用，墩顶会有少量上挠。不同工况下挠度值有所区别，具体三种工况下的挠度变化曲线如图6所示。

图6 预应力箱梁三种工况下挠度变化曲线（单位：cm）

模型中预应力和混凝土自重等荷载是对称的。受火时箱梁内虽有一定挠度和应力的变化，但仍承受着预加轴向压力(损失后的预应力荷载)，并保持结构稳定和完整。根据火灾最高温度随时间的变化规律，火灾时，箱梁内部温度有一个急剧增加的过程，即在起火后2～l0m in内温度已经达到较高值，而三种工况的时间均超过10m in，故受火区混凝土预应力三种工况下的损失差别不明显，相邻工况间挠度变化均在1cm以内。结构在灭火后，短时间内，迎火面温度下降，但挠度和应力仍将略有上升，随着迎火面温度的继续下降，挠度和应力才开始下降。

6 结语

本文根据箱梁内可能发生火灾的情况取某箱型桥，结合钢筋混凝土高温下的热工性能，在有限元理论的基础上，利用通用有限元软件ABAQUS中的热传导和应力分析功能对连续刚构桥箱梁内部火灾进行模拟，根据本文的分析可知：连续刚构桥箱梁内最高温度仅随火灾规模的增大而增大。箱梁截面温度场呈层状分布，越远离受火面，温度梯度越小，且不同时刻的温度场形状较为相似。受火时，结构虽然有一定挠度和应力的变化，但仍能承受预加轴向压力(损失后的预应力荷载)，并保持结构稳定和完整，说明连续刚构桥具有较强的结构抗火性能。

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Analyzing Structural Conditions concerning Bridge Box-Girderon Fire

With the advancement of technology and econom ic development,bridge construction in China has been rapidly developed.Although the probability of fire in thebox-girder of bridge issmall,thereare stillsomebridge fireaccidentshappening every year.Based on the theory and algorithm of Heat Transfer,and by using the Finite Elementmethod and ABAQUS finite element software,we put forward amodel of box girder create varying sections.Wehave doneexploration and research to directed or state impactof fire in box-girder to the continuous rigid framebridge.

box girder；continuous rigid framebridge;ABAQUS;finiteelement;temperaturedistribution

U447

A

1671-9107（2011）07-0022-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2011.07.022

2011-04-11

张俊(1979-)，男，工程师，主要从事桥梁设计方面的工作。

余咏梅