火荷载下混凝土箱梁温度场分布与变形分析

张 岗，王翠娟

(长安大学 交通行业旧桥检测与加固重点试验室，西安 710064)

目前，各种结构火灾时有发生，铁路桥梁火灾也不可忽视，受到了设计维护及研究人员的广泛关注。火灾后桥梁结构承载力降低主要有两方面原因［1-7］:火灾荷载作用下混凝土和钢筋材料性能、工作性能劣化;铁路桥梁结构承载重量大，发生火灾后，在重载作用下容易坍塌。著名学者对火灾下各种形式的柱以及多种组合结构做了深刻的研究，进行了大量的试验，并提出了火灾后混凝土结构的加固方案及安全评价方法。钢筋混凝土 T梁承载能力强，应用广泛，然而一旦发生火灾，在重荷载作用下非常危险。本文在各国试验的基础上，引入William-Warnker五参数强度模型和非线性本构关系，分析了钢筋混凝土T梁火灾下的截面温度分布，研究了高温下的挠度时变效应及破坏形式。

1 工程背景

图1为箱梁结构截面尺寸及构造。由图1(a)可知，某混凝土箱形截面简支梁，跨长均为16.0 m，截面顶板宽度为3.2 m，底板宽度为1.7 m，梁截面高度为1.7 m，腹板高度为1.3 m，悬臂板端部厚度为0.3 m，悬臂板根部厚度为0.4 m，顶板厚度为0.15 m，底板厚度为0.28 m，上部倒角为30 cm×20 cm，下部倒角为20 cm×20 cm。由图1(b)可知，C为混凝土保护层厚度，在计算中C取不同的值分析其对火荷载作用下箱梁跨中挠度的影响程度。

图1 箱梁结构截面尺寸及构造(单位:cm)

2 热温模式

国际标准化组织(ISO834)建议的建筑构件抗火试验曲线如图2所示，其计算表达式为

式中，T0表示试验炉内的初始温度(℃);T(t)表示燃烧开始后t min时试验炉的空气平均温度(℃)。

如图2所示，ISO834标准火灾温度—时间曲线，升温过程单调，无论燃烧时间多长，温度呈对数曲线光滑上升，始终没有衰减熄灭过程。作为一个计算标准，它在结构构件的抗火试验、高温性能分析或抗火极限验算中统一应用，可保证结构具有一致的抗火性能，并可对不同结构进行损伤计算和抗火安全性及火后评价。针对强外热场景的设定，对于强热区的抗火计算和焰围域的温度，选择式(1)进行分析。

3 SFM箱形截面梁分析

3.1 分析模型

图3为钢筋混凝土箱形截面简支梁火灾模型。如图3所示，混凝土采用 C50，主拉钢筋采用Ⅲ级钢，详细尺寸参见图1。采用整跨受热模式，箱室外侧(除顶板顶面)和翼缘板底面升温(按标准火灾ISO834升温曲线加热)，所受均布荷载为 q kN/m(不含自重)，计算火灾高温200 min不同保护层厚度和不同荷载等级下钢筋混凝土箱形截面简支梁的变形状况;分析其挠度时变效应过程，确定耐火极限。

图2 标准火灾温度—时间曲线

表1为钢筋混凝土箱形截面简支梁火灾模型设计参数。

图3 火灾场钢筋混凝土箱形截面简支梁模型

表1 火灾模型梁设计参数

3.2 高温场分析

图4为火灾高温场钢筋混凝土箱形截面梁随火延时间的温度分布云图。分析图4说明:由于箱梁外侧和翼缘板下侧受火，所以迎火侧温度相对其它部位较高;从箱形截面外侧到内侧，火灾温度逐渐降低，呈明显的梯度分布;随着火灾时间的延伸，高温层逐渐向内扩展，扩展宽度递增，由于混凝土箱梁腹板、底板厚度较小，火灾高温时间过长，高温会穿透腹板和底板，使得整个箱室的温度升高，从而改变了整个箱室内部的环境温度。

图4(c)和图4(d)给出了火灾高温场钢筋混凝土箱形截面梁和实心截面梁随火延时间的等温线，具有空腔薄壁结构热传导的特色。根据流固耦合热传导模式可知，封闭空腔结构中的气体对流热耦合效应具有影响，混凝土箱形截面属于空腔薄壁结构，空腔内气体有热对流传导作用，能够改变空腔附近的温度分布形状，扩展等温线分布的宽度，空腔截面近腔处等温线值比同等条件下实心截面等温线偏高。由此看出，在火灾高温场中，空腔薄壁结构截面的温度扩展效应较实心截面显著，从而导致明显的力学效应，空腔薄壁截面结构的变形大于同等条件下实心截面结构的变形。

图4 火灾模型截面温度梯度分布

3.3 形变分析

图5为不同保护层厚度相应荷载比下钢筋混凝土箱形截面简支梁跨中挠度时程曲线。分析图5说明，火延20 min内跨中挠度基本无变化、火延20 min后跨中挠度大约呈缓抛物线下降，整个火延期内混凝土箱形截面简支梁跨中挠度时程曲线随火灾时间的延伸呈非线性增长趋势，随荷载比的增加而增大，挠度时程曲线增大的程度随保护层厚度增加而减小。由图5(a)可知，混凝土保护层为3 cm、荷载比ζ=1.0时，火延时间100 min跨中挠度为90 mm、150 min跨中挠度值为140 mm、200 min跨中挠度值为220 mm;荷载比 ζ=1.5时，火延时间 100 min跨中挠度为 100 mm、150 min跨中挠度值为170 mm、200 min跨中挠度值为260 mm;荷载比ζ=2.0时，火延时间100 min跨中挠度为150 mm、150 min跨中挠度值为210 mm、200 min跨中挠度值为320 mm。

由图5(b)可知，混凝土保护层为4 cm、荷载比ζ=1.0时，火延时间100 min跨中挠度为70 mm、150 min跨中挠度值为120 mm、200 min跨中挠度值为170 mm;荷载比ζ=1.5时，火延时间100 min跨中挠度为90 mm、150 min跨中挠度值为 150 mm、200 min跨中挠度值为220 mm;荷载比 ζ=2.0时，火延时间 100 min跨中挠度为120 mm、150 min跨中挠度值为180 mm、200 min跨中挠度值为250 mm。

由图5(c)可知，混凝土保护层为5 cm、荷载比ζ=1.0时，火延时间100 min跨中挠度为60 mm、150 min跨中挠度值为100 mm、200 min跨中挠度值为150 mm;荷载比ζ=1.5时，火延时间100 min跨中挠度为80 mm、150 min跨中挠度值为 130 mm、200 min跨中挠度值为180 mm;荷载比 ζ=2.0时，火延时间 100 min跨中挠度为90 mm、150 min跨中挠度值为 150 mm、200 min跨中挠度值为210 mm。

图6为火灾高温200 min不同保护层厚度各荷载等级下钢筋混凝土箱形截面简支梁跨中挠度比较。由图6可知，火灾高温200 min时，钢筋混凝土箱形截面简支梁挠度随荷载比的增加呈线性增长趋势，荷载比＜1.0时，跨中挠度随荷载比变化平缓;荷载比为2.0时，跨中挠度显著增大。当保护层厚度分别为5 cm和4 cm时，钢筋混凝土箱形截面简支梁火灾高温200 min，荷载比ζ=1.0时、跨中挠度值不大于170 mm，荷载比ζ=1.5时、跨中挠度值不大于210 mm，荷载比 ζ=2.0时、跨中挠度值不大于250 mm;保护层厚度为3 cm时，钢筋混凝土箱形截面简支梁火灾高温200 min，荷载比ζ=2.0时，跨中挠度值为320 mm，其值远大于混凝土保护层为4 cm和5 cm相应荷载等级的挠度值，大约为混凝土保护层4 cm和5 cm相应荷载比的挠度值的1.5倍。提高混凝土保护层厚度，可减小火灾高温场钢筋混凝土箱形截面简支梁的跨中挠度，有效控制火灾高温场钢筋混凝土箱形截面简支梁的变形。

图5 不同保护层厚度各荷载比挠度时程曲线

图6 200 min不同保护层厚度各荷载等级挠度比较

4 结论

1)热传导及热辐射的速度与测点至混凝土表面的距离相关，测点靠近混凝土表面，升温快;远离混凝土表面，升温缓慢。

2)混凝土箱形截面梁随火灾场温度的升高，高温度区会穿透混凝土薄壁层，致使箱梁的有效区域完全破坏;并且，混凝土箱形截面属于空腔薄壁结构，空腔内气体有热对流传导作用，能够改变空腔附近截面的温度分布，扩展等温线分布的宽度，比实心截面等温线偏高。

3)整跨受热模式下钢筋混凝土简支箱梁跨中挠度时程曲线随荷载等级的增加呈非线性变化趋势，挠度时程曲线增大的程度随保护层厚度增加而减小，火延时间对钢筋混凝土简支梁跨中挠度有较大影响。因此，控制火灾时间或者提高混凝土保护层厚度，可有效控制火灾高温场钢筋混凝土桥梁的挠度值。

［1］张岗，贺拴海.时变对流模式混凝土箱梁厚壁结构内生热场分布［J］.长安大学学报(自然科学版)，2010，30(2):64-69.

［2］张岗，贺拴海，任伟.火灾高温下 RC简支梁极限弯矩计算模型研究［J］.武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2010，34(1):134-136.

［3］张岗，贺拴海.混凝土箱梁热—力耦合模型与剪力滞时变效应［J］.解放军理工大学学报(自然科学版)，2010，11(2):131-136.

［4］张岗，贺拴海，王翠娟.火灾后混凝土桥梁高温场优权评判方法与安全评价［J］.安全与环境学报，2011，10(6):211-215.

［5］张岗，王亚堃，王翠娟.过火混凝土桥梁评价方法及耐久性损伤评估模型［J］.公路交通科技(学术版)，2010，27(9):88-92.

［6］陈梦成，袁方，许开成.钢管微膨胀混凝土的水化热与限制膨胀性能分析［J］.铁道建筑，2010(8):133-136.

［7］李竹，王文达，于清.地下工程中钢管混凝土柱的抗火计算与实践［J］.铁道建筑，2009(9):60-63.