公路火災(zāi)溫度場數(shù)值模擬及大跨徑纜索承重橋梁火災(zāi)分析.pdf

1、斜拉橋拉索和懸索橋主纜、吊索是主要承重構(gòu)件,多采用平行鋼束、鋼絲繩或鋼絞線作為承重材料。耐火性能差是鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)致命弱點(diǎn)。隨著公路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展,車輛火災(zāi)發(fā)生的頻率越來越高,火災(zāi)規(guī)模越來越大,對結(jié)構(gòu)物的破壞越來越嚴(yán)重。目前,對大跨徑纜索承重橋梁的火災(zāi)研究尚處于空白階段,開展大跨徑纜索承重橋梁火災(zāi)對結(jié)構(gòu)安全性能影響的研究極其必要,可為今后纜索承重橋梁的抗火設(shè)計(jì)提供重要的科學(xué)依據(jù)。本文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)在國內(nèi)外研究工作的基

2、礎(chǔ)上,基于Ingason H.平方增長模型,提出了適用于公路橋梁火災(zāi)研究的車輛火災(zāi)和汽油池火災(zāi)的熱釋放率數(shù)學(xué)模型。
　　(2)采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)對公路火災(zāi)下纜索承重橋梁瞬態(tài)空間溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬,并通過開放空間油罐火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中實(shí)測的溫度場數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比分析,證實(shí)了模擬過程中模型建立的正確性。
　　(3)建立了公路火災(zāi)大氣最高溫度空間溫度場。
　　建

3、立了公路橋梁火災(zāi)的物理模型,確定了車輛火災(zāi)和油池火災(zāi)各工況燃燒熱源的尺寸和單位面積釋熱率。根據(jù)建立的物理模型,通過數(shù)值模擬得出了公路火災(zāi)大氣溫度場隨釋熱率變化的規(guī)律、編制了各工況恒定溫度場釋熱口平面上的溫度值分布表格,給出空間溫度場隨高度變化的規(guī)律公式,從而模擬出整個(gè)空間大氣溫度場的最高溫度分布。
　　(4)建立了公路火災(zāi)下纜索承重橋梁承重構(gòu)件瞬態(tài)空間溫度場。
　　根據(jù)建立的物理模型,通過數(shù)值模擬給出火災(zāi)各工況下懸索橋主纜、

4、吊索以及不同直徑斜拉索表面溫度及熱流密度隨火災(zāi)的發(fā)展過程而變化的規(guī)律公式,并編制了最大燃燒持時(shí)處的溫度及熱流密度表格,從而建立了承重構(gòu)件瞬態(tài)空間溫度場。通過溫度場的建立,得出了鋼構(gòu)件截面尺寸對其表面溫度及熱流密度變化過程的影響;同一火災(zāi)工況下,不同直徑的懸索橋主纜不同位置具有相同的Tt2時(shí),可以采用相同的表面溫度及熱流密度隨火災(zāi)的發(fā)展過程而變化的規(guī)律公式。
　　(5)通過對國內(nèi)外已有的高溫下鋼材材料特性的研究做了詳細(xì)比較,確定采用

5、歐洲規(guī)范EUROCODE4規(guī)定的預(yù)應(yīng)力鋼筋的高溫強(qiáng)度和彈性模量降低系數(shù)和高溫下鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Rubert-Schaumann模型進(jìn)行纜索承重橋梁(懸索橋和斜拉橋)在火災(zāi)下的全過程分析。
　　(6)給出了公路火災(zāi)下纜索承重橋梁承重構(gòu)件的安全距離,明確了其抗火設(shè)計(jì)范圍。
　　通過熱—結(jié)構(gòu)耦合分析,確定了火災(zāi)各工況作用下懸索橋0.4~1.0m范圍內(nèi)不同直徑主纜的安全距離、懸索橋吊索的安全距離、斜拉橋0.05~0.2m范圍內(nèi)不

6、同直徑斜拉索的安全距離;安全距離之內(nèi)的構(gòu)件,火災(zāi)對其力學(xué)性能不會(huì)造成影響,不需要考慮抗火設(shè)計(jì)。
　　(7)根據(jù)建立的纜索承重橋梁承重構(gòu)件瞬態(tài)空間溫度場,采用ANSYS有限元程序,選擇間接耦合法進(jìn)行斜拉橋和懸索橋?qū)嵗臒帷Y(jié)構(gòu)耦合全過程數(shù)值模擬,分析了結(jié)構(gòu)的溫度場分布、內(nèi)力和位移特征以及破壞模式,得到了不同火源模型下結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。不同纜索承重橋梁在公路火災(zāi)下的極限狀態(tài)可根據(jù)本文建立的承重構(gòu)件瞬態(tài)空間溫度場進(jìn)行熱—結(jié)構(gòu)耦合的全過程數(shù)