基于ANSYS的钢管混凝土拱桥 吊杆受火力学性能研究

刘 睿，王金龙，冉文兴，张嘉诚

(1.重庆市江津区建设工程质量监督站，重庆 402260；2.山东高速科技发展集团有限公司， 山东 济南 250002； 3.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

钢管混凝土拱桥由于充分利用钢材和混凝土两种材料的优点，成为近几年国内较为盛行的新型结构，被广泛应用在大跨径拱桥中。在钢管混凝土结构[1]中，发生火灾时，钢管和混凝土之间可以协同互补，合作受力，使结构强度和刚度得到较大程度恢复，故其抗火性能比单纯的钢结构和混凝土结构强；但是随着科技进步和社会生活水平的提高，环境气温不断上升，在高温作用下钢管混凝土拱桥力学性能依然会产生不利变化，甚至引发结构损坏。目前有关钢管混凝土拱桥抗火性能的研究始终没有形成比较权威及系统的理论成果。国内外关于钢管混凝土结构防火设计的常规思路通常都参考建筑防火规范，缺乏深入的仿真计算。

如何合理分析钢管混凝土拱桥受火性能是影响其发展的关键因素之一。本文首先对比ANSYS热结构模型有限元计算数据与试验数据，验证ANSYS热结构模型计算结果的合理性，总结归纳高温下钢材的物理力学性能，在奠定一定理论的基础上，借助ANSYS热分析模型开展钢管混凝土拱桥吊杆受火力学性能影响研究。

1 高温下高强钢材的物理、力学特性

介于钢管混凝土拱桥吊杆大多采用高强钢材，以下给出高强钢材在高温下的物理力学性能及本构关系。参照有关规范[2]，钢材热传导系数λs=45 W/(m×℃)，比热容[3]CS=481.5+7.99510-4TS。

高强钢丝在高温下的应力-应变关系呈四折线变化规律[4]：原点—比例极限—条件屈服—极限强度—计算终结点。高强钢材热膨胀系数采用式(1)进行计算。

as(T)=(12×T+0.004×T2)×10-6。

(1)

式中：as(T)为T时钢材热膨胀系数，1/℃。

2 火灾标准升温曲线

发生火灾时结构温度变化本是一个升降复杂多变的过程，为简化分析，本文采用近几年来国际上应用最为广泛的升温曲线———ISO834标准升温曲线[5]，温度随时间变化关系如下：

升温过程：T=345log(8t+1)+20；

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：T为平均温度，℃；t为时间，min。

3 ANSYS热结构分析模型验证

20世纪末，国外以Rubert A等为代表的众多研究人员开始针对钢材的抗火性能进行研究，主要针对多种钢框架模型展开试验，得到不同框架模型的破坏形式，国外有关研究给出了EHR3试验的详细数据[6]，其框架模型如图1所示。国内学者蒋首超等也进行了类似的抗火试验研究[7]，找出高温下多层钢框架结构的变化规律。本文采用ANSYS自带的热结构分析模型对拱桥抗火性能进行研究，为验证其分析结果的准确性，增强说服力，本节先根据EHR3模型的基础数据建立ANSYS热分析模型，展开有限元计算，对有限元计算结果和试验数据进行对比研究。

图1 EHR3模型[6]

3.1 ANSYS热分析模型

试验材料选用屈服点为382 MPa的IPE80工字型钢，有限元分析模型运用热-结构耦合法，梁和柱通过SOLID70单元模拟，参照第1节确定钢材物理力学特性，其应力应变关系考虑为理想弹塑性，升温段结构的本构关系见图2。有限元模拟时，位移边界及荷载值以分子步方式施加，温度荷载先写入热分析结果文件，再以读入方式进行施加。采用牛顿-拉夫逊法[8]进行有限元数值模拟。

图2 应力-应变曲线随温度变化关系[2]

3.2 有限元结果与试验数据对比

建立有限元模型进行热分析，提取不同温度荷载下各节点温度场分布，如图3所示。计算出横梁跨中位移，并与试验数据[6]进行对比(结果见图4)，两者误差值总结于表1。分析表明：有限元计算结果同试验数据差异不大，误差绝对值均小于1 mm，相对误差基本保持在10%以内，从而验证了ANSYS热结构分析模型计算结果的准确性，提高本文研究结果的说服力，为下文开展拱桥抗火性能研究奠定基础。

图3 EHR3模型温度场分布[6]

图4 跨中位移对比

表1 EHR3有限元计算结果

4 吊杆受火对拱桥力学性能影响

4.1 全桥模型

本节以某中承式钢管混凝土拱桥为例，开展钢管混凝土拱桥抗火性能研究，分析吊杆受火对结构力学性能的影响。该桥为中承式钢管混凝土悬链线拱桥，上下弦杆由4根φ1016×14的Q345钢材和C50混凝土组成(全桥有限元模型如图5所示)，拱轴系数m=1.5，主拱圈采用桁架结构，净跨235 m，净矢高47 m，腹杆为空钢管，设置30对间距6 m的柔性吊杆，吊杆材料为直径5 mm的PES(C)5-151平行高强钢丝成品拉索。运用大型有限元软件ANSYS对吊杆进行瞬态热分析，吊杆单元选用PLANE55平面热单元，主拱肋、管内混凝土、拱上立柱及其横梁、吊杆横梁及桥面系均选用beam44梁单元进行模拟[9]，钢缀板及板内混凝土采用solid63进行模拟。火源位置处吊杆选择beam188进行模拟，其余吊杆均以link10单元模拟。拱桥火源侧(右侧)吊杆编号和火源位置如图6所示。由于拱桥跨中截面变形较大，本文针对跨中吊杆施加火源开展研究。

高温下钢材和混凝土物理力学性能按照第1节给出的变化规律考虑，依据第2节给出的标准升温曲线定义热边界条件[10]，计算吊杆横截面和长度方向各节点温度场分布，分析表明：高温下吊杆横截面的温度梯度较小，究其原因，吊杆热传递系数较大而横截面面积较小；因此在后续的分析中可以假定高温下吊杆温度仅沿长度方向发生梯度变化，横截面温度保持不变。

图5 全桥结构有限元模型

图6 火源、吊杆、桥面位置编号示意

4.2 桥面变形分析

由于吊杆材料的应力-应变温度范围是0～700 ℃，本文计算中最高温度限定为700 ℃。计算出桥面在初温、吊杆升温至700 ℃、恢复到常温3个不同工况下由自重产生的位移(见图7)，700 ℃时桥面火源侧和非火源侧自重作用下的位移对比见图8。

图7 自重作用下火源侧桥面变形

图8 自重作用下700 ℃时桥面两侧位移对比

由图7可见知：自重作用下，随温度上升，受火吊杆附近桥面位移增大，受火吊杆处变化最大，增加了3.86 cm，降温后，变形有所减小，但即使恢复至常温，其位移仍大于初始值，最大残余变形位于受火吊杆处，达到2.17 cm；桥面距离受火吊杆越近，受影响越大，离受火吊杆30 m以外的桥面位置基本无变化。

图8表明：受火吊杆位置处火源和非火源两侧桥面变形相差最大，距离吊杆越近，其差异越大，距离受火吊杆30 m外的桥面位置火源和非火源两侧位移基本相同。

综上所述：吊杆受火主要对其30 m以内的桥面线形存在一定影响，距离受火吊杆越近，影响越大。分析其原因在于温度不断增加，造成受火吊杆由弹性变为弹塑性甚至塑性，引起其变形的大幅度增加，且存在部分塑性残余变形。故当拱桥吊杆失火时，应重点监测与受火吊杆距离较近的桥面线形。

4.3 拱肋变形分析

计算吊杆受火时原桥拱肋在常温和升温至700 ℃两个工况下由自重产生的变形值，见表2。为了研究拱肋刚度的影响，分别增大、减小拱肋刚度进行分析，结果见图9。

表2 自重作用下原桥拱肋变形(设计刚度) cm

图9 自重作用下不同拱肋刚度吊杆受火拱肋变形

从表2可知，吊杆受火对拱肋变形影响不大，究其原因：吊杆属于柔性杆件，其应力重分布不至于使得刚度较大的拱肋发生显著变形。且从图9可以看出拱肋刚度越大，吊杆受火对其影响越小，建议对易发生火灾的工程，可考虑通过适当增加结构刚度来提高其抗火性能。

4.4 吊杆轴力分析

在火灾作用下，受火吊杆同周围构件相互影响，局部位置产生内力重分布现象，距离受火吊杆越近，内力重分布现象越明显。表3给出了受火吊杆(16#)及其左右侧邻近吊杆(13#、14#、15#、17#、18#、19#)在常温、700 ℃高温、恢复至常温3个工况下自重作用下的轴力值。

表3升温时吊杆轴力变化

由表3可知，受火吊杆本身轴力随温度上升而下降，降温时有所回升；受火吊杆左右侧相邻吊杆(15#、17#)轴力随温度升高而增加，其变化较大；离受火吊杆距离越远，轴力变化越小。

究其原因：温度上升，吊杆弹性模量急剧降低，抗拉刚度减小，轴力降低较多，恢复至常温，虽然材料弹模存在一定回增，但因为高温时已经处于塑性状态；所以吊杆轴力无法回到最初状态。由于受火吊杆进入塑性阶段，变形增加，使火源杆附近吊杆产生轴力重分布。

5 结束语

本文利用ANSYS有限元分析软件对钢结构截面温度场进行分析和计算,获得构件截面温度场变化情况,数据与已有试验结果吻合良好,证明了ANSYS热结构有限元分析方法结果的说服力，在此基础上开展火灾对中承式钢管混凝土拱桥力学性能影响研究，主要得到以下结论：

1)有限元火灾模拟计算结果与试验数据吻合度较高，采用ANSYS热分析模型进行火灾模拟计算是合理的。

2)吊杆受火对距离其30 m以内的桥面线形影响需引起重视，对受火吊杆附近位置影响最大，非火源侧桥面线形受影响较小，可以忽略。拱肋刚度越大，其受火灾影响越小，由于本桥拱肋刚度较大，火灾对拱肋线形影响可忽略不计。受火吊杆本身及其附近位置处的吊杆轴力受火灾影响较大，但变化规律存在差异，随温度升高，受火吊杆轴力减小，左右邻近吊杆轴力增加；离火源较远的吊杆内力受火灾影响可忽略不计。

3)钢管混凝土拱桥吊杆受火时，应重点监测火源侧受火吊杆附近桥面变形和吊杆轴力是否满足要求，工程实例中可考虑通过增加拱肋刚度提高结构抗火性能。

限于时间和篇幅，本文在对火灾进行数值模拟时采用经验公式，对于桥梁等大型户外结构，如何更精准的确定火源模型，有待深入研究。