公路火災溫度場數(shù)值模擬及大跨徑纜索承重橋梁火災分析.pdf

1、斜拉橋拉索和懸索橋主纜、吊索是主要承重構件,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)構的一個致命弱點。隨著公路運輸事業(yè)的發(fā)展,車輛火災發(fā)生的頻率越來越高,火災規(guī)模越來越大,對結(jié)構物的破壞越來越嚴重。目前,對大跨徑纜索承重橋梁的火災研究尚處于空白階段,開展大跨徑纜索承重橋梁火災對結(jié)構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計提供重要的科學依據(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、礎上,基于Ingason H.平方增長模型,提出了適用于公路橋梁火災研究的車輛火災和汽油池火災的熱釋放率數(shù)學模型。
　　(2)采用火災動力學模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)對公路火災下纜索承重橋梁瞬態(tài)空間溫度場進行數(shù)值模擬,并通過開放空間油罐火災實驗中實測的溫度場數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比分析,證實了模擬過程中模型建立的正確性。
　　(3)建立了公路火災大氣最高溫度空間溫度場。
　　建

3、立了公路橋梁火災的物理模型,確定了車輛火災和油池火災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,從而模擬出整個空間大氣溫度場的最高溫度分布。
　　(4)建立了公路火災下纜索承重橋梁承重構件瞬態(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處的溫度及熱流密度表格,從而建立了承重構件瞬態(tài)空間溫度場。通過溫度場的建立,得出了鋼構件截面尺寸對其表面溫度及熱流密度變化過程的影響;同一火災工況下,不同直徑的懸索橋主纜不同位置具有相同的Tt2時,可以采用相同的表面溫度及熱流密度隨火災的發(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比較,確定采用

5、歐洲規(guī)范EUROCODE4規(guī)定的預應力鋼筋的高溫強度和彈性模量降低系數(shù)和高溫下鋼材的應力-應變關系Rubert-Schaumann模型進行纜索承重橋梁(懸索橋和斜拉橋)在火災下的全過程分析。
　　(6)給出了公路火災下纜索承重橋梁承重構件的安全距離,明確了其抗火設計范圍。
　　通過熱—結(jié)構耦合分析,確定了火災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)的構件,火災對其力學性能不會造成影響,不需要考慮抗火設計。
　　(7)根據(jù)建立的纜索承重橋梁承重構件瞬態(tài)空間溫度場,采用ANSYS有限元程序,選擇間接耦合法進行斜拉橋和懸索橋?qū)嵗臒帷Y(jié)構耦合全過程數(shù)值模擬,分析了結(jié)構的溫度場分布、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)構的極限狀態(tài)。不同纜索承重橋梁在公路火災下的極限狀態(tài)可根據(jù)本文建立的承重構件瞬態(tài)空間溫度場進行熱—結(jié)構耦合的全過程數(shù)