武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋汽車燃燒下高溫力學(xué)性能與風(fēng)險(xiǎn)防范措施研究.pdf

1、目前，橋梁發(fā)生汽車燃燒火災(zāi)事故越來越頻繁，造成的危害和損失巨大。多塔懸索橋由于其結(jié)構(gòu)整體剛度小、柔性大，主要承力結(jié)構(gòu)吊索和主纜的高溫易脆性等特點(diǎn)，發(fā)生火災(zāi)后修復(fù)難度大、修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，后果嚴(yán)重。
　　本文以武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋（主跨為850m的三塔四跨懸索橋）為依托，采取模糊故障樹理論和有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合模擬方法相結(jié)合，深入分析了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)水平，構(gòu)建了基于模糊故障樹理論的橋梁運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)概率模型

2、，獲得了橋梁運(yùn)營(yíng)期發(fā)生汽車燃燒事故的風(fēng)險(xiǎn)概率大小。根據(jù)ANSYS熱-結(jié)構(gòu)有限元分析方法，建立了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋三維空間熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型，獲得了汽車燃燒下橋梁結(jié)構(gòu)三維空間溫度場(chǎng)分布特征，掌握了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)內(nèi)力、撓度、材料強(qiáng)度、彈性模量的高溫變化規(guī)律，確定了鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋汽車燃燒下最危險(xiǎn)火災(zāi)場(chǎng)景和極限承載力，提出了最危險(xiǎn)火災(zāi)場(chǎng)景下橋梁纜索抗火設(shè)置方法，明確了橋梁主纜和吊索在最危險(xiǎn)火災(zāi)場(chǎng)景下的破壞時(shí)間，制定了武漢鸚鵡

3、洲長(zhǎng)江大橋運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)防范措施。本文的創(chuàng)新性成果如下：
　　（1）構(gòu)建了基于模糊故障樹理論的橋梁運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)概率模型。通過對(duì)汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)因素的逐層分解，建立了各種風(fēng)險(xiǎn)因素之間的故障樹，考慮風(fēng)險(xiǎn)因素模糊性和不確定性，運(yùn)用模糊故障樹理論，構(gòu)建了橋梁運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)概率模型，提出了橋梁運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒事故概率的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了橋梁運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒事故發(fā)生頻率的預(yù)測(cè)，研究結(jié)果為大跨徑橋梁抗火設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。計(jì)算表明：在100

4、年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋發(fā)生油罐車燃燒事故2.26次；小汽車燃燒事故24.27次；客車燃燒事故10.78次；貨車燃燒事故4.16次。
　?。?）建立了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋三維空間熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型。采用全橋簡(jiǎn)化模型，關(guān)鍵部位為三維空間實(shí)體模型的建模思路，以ANSYS有限元軟件系統(tǒng)為平臺(tái)，通過節(jié)點(diǎn)在三維空間上平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)6個(gè)自由度保持一致，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化模型單元和三維空間實(shí)體單元的平滑連接，根據(jù)熱傳導(dǎo)方程和能量守恒熱平衡方程，計(jì)

5、算出結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和相應(yīng)的熱物理參數(shù)，將其轉(zhuǎn)化成熱荷載，從而實(shí)現(xiàn)熱-結(jié)構(gòu)的有限元耦合，據(jù)此建立了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋三維空間熱-結(jié)構(gòu)耦合精細(xì)化有限元模型。全橋共設(shè)置14個(gè)三維空間精細(xì)化有限元節(jié)段模型，共劃分404852個(gè)單元和426951個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)果表明本模型能夠精確確定武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋汽車燃燒下的三維空間溫度場(chǎng)，通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析獲得橋梁關(guān)鍵部位的高溫力學(xué)性能的時(shí)變特征。
　?。?）獲得了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的高溫變化

6、規(guī)律。根據(jù)汽車燃燒火災(zāi)在不同環(huán)境下呈現(xiàn)出不同的升溫曲線的特點(diǎn)，明確了適用于橋梁開放環(huán)境中油罐車、小汽車、客車、貨車的火災(zāi)升溫曲線。根據(jù)汽車燃燒下橋梁結(jié)構(gòu)的高溫溫度場(chǎng)特征，獲得了材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)、彈性模量、材料強(qiáng)度等隨高溫變化的表達(dá)式及其取值范圍。給出了吊索和主纜在汽車燃燒下承受的最高溫度范圍，掌握了吊索和主纜抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的升高而急速下降的時(shí)變規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：在恒載+活載工況下，當(dāng)1輛油罐車在主跨跨中距主纜

7、和吊索4m處發(fā)生燃燒時(shí)，在此極端狀態(tài)下吊索抗破壞時(shí)間為24min。
　?。?）獲得了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋汽車燃燒下最危險(xiǎn)火災(zāi)場(chǎng)景和極限承載力。運(yùn)用橋梁油罐車燃燒火災(zāi)升溫曲線，選取4種最不利的油罐車燃燒火災(zāi)場(chǎng)景，在恒載+活載工況下，分別模擬了1輛油罐車燃燒時(shí)，在4種最不利火災(zāi)場(chǎng)景下主纜和吊索的高溫力學(xué)性能，以吊索抗破壞時(shí)間最短為依據(jù)，從而確定了主跨跨中為最危險(xiǎn)火災(zāi)場(chǎng)景，以此獲得了橋梁主纜和吊索的極限承載能力。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)油罐車燃燒

8、24min時(shí)，主跨跨中吊索的極限承載力為540MPa，主纜的極限承載力為1667MPa，為橋梁抗火設(shè)計(jì)與確定最快救援時(shí)間提供了科學(xué)依據(jù)。
　?。?）提出了最危險(xiǎn)火災(zāi)場(chǎng)景下橋梁纜索抗火設(shè)置方法。為了研究外包防火層材料及尺寸對(duì)橋梁抗火性能的影響，對(duì)主纜和吊索以及外包防火層均采用實(shí)體單元模擬，通過賦予外包防火層和其內(nèi)的纜索材料不同的熱屬性，模擬油罐車燃燒下主纜和吊索的高溫力學(xué)性能，確定了主纜和吊索的高溫燃燒影響范圍，獲得了主纜和吊索抗破

9、壞時(shí)間隨防火層材料和結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系曲線，提出了最危險(xiǎn)火災(zāi)場(chǎng)景下橋梁纜索抗火設(shè)置方法。計(jì)算結(jié)果表明，最危險(xiǎn)場(chǎng)景下，主纜設(shè)置0.5cm厚外包硅酸鋁防火層，吊索設(shè)置1.0cm厚外包硅酸鋁防火層，主纜和吊索抗破壞時(shí)間分別延長(zhǎng)3倍和5倍，為主纜和吊索的抗火設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。
　?。?）制定了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)防范措施。通過對(duì)武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)概率及危害程度的分析，明確了橋梁抗火救援最長(zhǎng)時(shí)間為24min，