受火后鋼筋混凝土連續(xù)箱梁熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

孫 明 東

(吉林市政府投資建設(shè)項目管理中心，吉林 吉林 132013)

·橋梁·隧道·

受火后鋼筋混凝土連續(xù)箱梁熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

孫 明 東

(吉林市政府投資建設(shè)項目管理中心，吉林 吉林 132013)

以某城市高架橋為例，采用ANSYS通用有限元軟件分析了火災作用下箱梁的溫度場分布情況和應(yīng)力分布情況，得出的結(jié)論為正確評價火災后結(jié)構(gòu)的安全狀況提供了理論依據(jù)。

城市高架橋，火災，溫度場,應(yīng)力場,有限元分析

城市高架橋作為現(xiàn)代城市中重要的交通建筑，有效的緩解了城市地面交通的壓力。高架橋建設(shè)后所產(chǎn)生的橋面與地面之間的附屬空間，就成為了“剩余空間”[1]。將這一段“剩余空間”進行利用開發(fā)目前已成為了很多城市拓展城市空間的途徑之一，如用作停車場、“駐扎”建設(shè)城市管理單位、商貿(mào)經(jīng)營、休閑娛樂活動中心、施工臨時占用、臨時住所等。高架橋下的空間利用必須以保證高架橋的主要交通功能和保障行人行車安全為前提[2]。如果缺乏有效的管理，高架橋下亂堆亂放不僅影響市容，還能造成火災等安全隱患。橋梁火災一方面會使得經(jīng)濟造成損失，另一方面也會對橋梁結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷與破壞[3]。

近年來，相關(guān)統(tǒng)計資料表明，隨著城市居民對城市橋梁橋下空間利用的增多，橋梁遭受火災的次數(shù)亦在逐漸增多，其中，橋下堆放物起火及車輛起火是引起橋梁火災的主要原因[4]。吉林省某城市立交橋為跨徑布置(20+23.634+20)m的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋。由于該橋左幅邊跨橋底一輛轎車失火燃燒，梁底混凝土受熱剝落、露筋，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性帶來了隱患。

為評估火災對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，采用ANSYS通用有限元軟件進行火災作用下箱梁的溫度場分布情況和應(yīng)力分布情況的研究，為正確評價火災后結(jié)構(gòu)的安全狀況提供理論依據(jù)。

1 火災規(guī)模確定

1.1 火災時的溫度—時間曲線

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，在火災作用下，由于熱對流以及熱輻射的影響作用，混凝土表面溫度會急劇增長，而熱傳導則將使其內(nèi)部溫度不斷發(fā)生變化。另外，混凝土是一種熱惰性材料，火災后短時間內(nèi)，構(gòu)件截面的溫度分布非常不均勻[5]。

對結(jié)構(gòu)溫度場進行求解時，需要已知氣體溫度—時間曲線，利用熱傳導方程及相應(yīng)的初值邊界條件進行數(shù)值求解。國際標準化組織(ISO)制定了如下ISO 834標準溫升曲線：

Tg-Tg0=3 451g(8t+1)

(1)

其中，t為時間，min；Tg為t時刻的溫度；Tg0為初始溫度。

吳波[3]等基于火災試驗的統(tǒng)計分析，建立了氣體典型升溫曲線模型：

(2)

其中，Tgm為最高溫度；tm為與Tgm對應(yīng)的時刻；b為模型參數(shù)，當t≤tm時，b=0.8。

1.2 估算火災規(guī)模

普通鋼筋受火后強度為[4]：

fyt=(1.011-2.9×10-4T)fy

(3)

根據(jù)從橋梁上取出的鋼筋拉伸試驗，剝落區(qū)縱向鋼筋屈服強度下降了約20%，由此推斷火災時的鋼筋溫度為750 ℃。由于鋼筋保護層約5 cm，因此可假設(shè)火災時混凝土的最高溫度為800 ℃。另外，從箱梁底板鋼筋保護層爆裂脫落鋼筋外露，說明區(qū)域混凝土強度明顯降低，混凝土損失較嚴重，根據(jù)經(jīng)驗此時混凝土經(jīng)受溫度約在800 ℃以下。

假定失火時的環(huán)境溫度為10 ℃，由ISO 834曲線可以求得當溫度達到800 ℃時，所需的時間為24 min。ISO 834模型與吳波模型的對比結(jié)果如圖1所示。

2 溫度邊界條件

火災發(fā)生時，火源通過對流換熱和輻射換熱的方式與箱梁混凝土進行熱傳導。其中，第二類邊界條件的熱傳導為火災熱輻射，第三類邊界條件的熱傳導為對流換熱；但熱輻射在某種程度上可轉(zhuǎn)化為對流換熱。

1)對流換熱系數(shù)hc(W/(m2·℃))。

本文采用Saeta建議的公式：

hc=4v+5.6

(4)

其中，v為風速，m/s。

2)輻射換熱系數(shù)hr(W/(m2·℃))。

hr可近似表示為：

hr=0.88[4.8+0.075(Ta-5)]

(5)

其中，Ta為箱梁外表面溫度,℃。

3)綜合換熱系數(shù)hcr。

可按表1取值，或采用如下回歸公式：

hcr=0.000 149 1T2-0.063 48T+18.447 9

(6)

3 熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

首先采用ANSYS對箱梁進行火災作用下的瞬態(tài)熱傳導分析，得到箱梁的溫度場分布；然后將該溫度場作為箱梁的荷載施加到結(jié)構(gòu)上，計算箱梁的應(yīng)力[6]。

表1 綜合換熱系數(shù)

3.1 有限元模型

熱分析時混凝土單元采用SOLID70，與之對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元為SOLID45；限于計算規(guī)模，沿縱向從梁端開始取出15.0 m長的梁段作為分析模型。熱分析時梁底受火區(qū)域采用第三類熱傳導邊界條件(綜合換熱)，結(jié)構(gòu)分析時梁段兩端的邊界條件為鉸支。

在梁底的直接受火區(qū)域范圍內(nèi)施加第三類溫度邊界條件，計算由火災引起的各時刻箱梁溫度場分布及混凝土應(yīng)力分布情況。

3.2 計算參數(shù)

1)混凝土導熱系數(shù)λc(W/(m·℃))[4]：

λc(t)=1.9-0.000 85T(T≤800)

(7)

2)混凝土比熱cc(J/(kg·℃))，歐洲規(guī)范建議對各種混凝土的比熱采用統(tǒng)一公式：

(8)

3)熱膨脹系數(shù)αc[4]：

αc(T)=(0.008T+6)×10-3

(9)

4)彈性模量Ec：本文采用國外著名學者Felicetti提出的針對高強混凝土彈性模量隨溫度變化的估算公式：

(10)

5)泊松比v：一般而言，混凝土的泊松比會隨著溫度的升高而下降，但變化范圍并不大；為此，本文取v=0.2。

3.3 火災作用下的箱梁溫度場

受火后各時刻箱梁中腹板附近的溫度場情況見圖2，底板下緣溫度沿底板橫向的變化情況見圖3。

根據(jù)圖2，圖3可以看出：

1)由于中腹板導熱作用，中腹板左右區(qū)域底板下緣的溫度高于腹板處底板下緣溫度，這與實際混凝土剝落區(qū)位置一致。

2)底板的上、下緣之間存在著較大的溫差，由此可能導致底板上緣混凝土出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力而開裂；同時，底板下緣受壓，可能導致下層鋼筋受壓彎曲。

3)底板混凝土受火后，由于混凝土為惰熱材料，所以其影響區(qū)域并不大，且在核心區(qū)之外溫度急劇下降。根據(jù)計算結(jié)果，火災的影響范圍約在剝落區(qū)周圍1.0 m左右。

4)在火災發(fā)生后的15 min～20 min之間，底板下緣混凝土溫度為431 ℃～573 ℃。根據(jù)混凝土及鋼筋受火后的損傷特點分析，在該溫度作用下，混凝土及鋼筋的強度變化不大。另外，轎車燃燒對混凝土起作用的時間為20 min左右。結(jié)合材質(zhì)檢測結(jié)果，判斷實際受火后，箱梁底板混凝土的最高溫度約550 ℃，此時對應(yīng)的起火點溫度約780 ℃。

3.4 火災作用下的箱梁應(yīng)力場

根據(jù)各時刻的溫度場，可計算得到箱梁的應(yīng)力分布情況。圖4為各時刻橫向應(yīng)力沿底板長度的變化曲線，圖5為底板上緣在腹板中心、腹板左右側(cè)各0.5 m處的橫向應(yīng)力隨時間的變化曲線。

由圖4，圖5可以看出：

1)由于底板上下緣之間溫差作用，導致火災范圍內(nèi)底板上緣受拉，下緣受壓。

2)火災使得底板上緣、下緣的橫向應(yīng)力隨時間不斷增大。在火災發(fā)生后的第18 min，底板上緣距離腹板中心約0.5 m處的最大橫向拉應(yīng)力為2.31 MPa，基本接近C40混凝土的抗拉強度標準值2.40 MPa；在第19 min該拉應(yīng)力為2.87 MPa，混凝土已產(chǎn)生了縱向開裂。此后，隨著時間的推移，橫向拉應(yīng)力不斷增大，導致裂縫不斷擴展。

3)底板上緣的橫向拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在腹板左右兩側(cè)約0.5 m，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在與腹板中心對應(yīng)的底板下緣處。但超出底板混凝土剝落區(qū)域后，底板上下緣的橫向應(yīng)力迅速降低。由此可以推斷，由火災導致的底板上緣開裂僅發(fā)生在混凝土剝落區(qū)，其他位置沒有發(fā)生開裂。

4 結(jié)語

根據(jù)對箱梁在火災作用下溫度場分析和應(yīng)力分析，可以得到如下結(jié)論：

1)有限元分析得到的箱梁溫度場分布及應(yīng)力分布與火災后箱梁的實際損傷基本吻合，說明有限元分析是符合實際情況的。2)根據(jù)混凝土及鋼筋受火后的損傷特點，結(jié)合材質(zhì)檢測與有限元分析結(jié)果，判斷實際受火后箱梁底板混凝土最高溫度約為550 ℃，此時相應(yīng)的起火點溫度約為780 ℃。3)火災使得底板的上、下緣之間存在著較大的溫差，由此導致底板上緣混凝土出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力而開裂；同時，底板下緣受壓，導致下層鋼筋受壓彎曲。4)由火災導致的底板上緣開裂僅發(fā)生在混凝土剝落區(qū)，其他位置沒有發(fā)生開裂。根據(jù)溫度場分析和應(yīng)力分析的結(jié)果，火災的影響范圍約在剝落區(qū)周圍1.0 m左右。

[1] 李曉東，董毓利，安 峰.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)火災研究綜述[J].青島建筑工程學院學報，2005，26(1)：19-21.

[2] 陳 磊，李 彬，滕桃居，等.混凝土高溫力學性能分析[J].混凝土，2003(7)：26-28.

[3] 吳 波.火災后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學性能[M].北京：科學出版社，2003：38-46.

[4] Lie T.A.Procedure to calculate fire resistance of structural members[J].International Seminar on Three Decades of Structural Fire Safety,1983(1):139-153.

[5] 朱伯龍.工程結(jié)構(gòu)抗火性能研究報告[R].上海：同濟大學工程結(jié)構(gòu)研究所，1990.

[6] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：68-79.

Coupling analysis on steel reinforced concrete continuous beam hot structure after fire

Sun Mingdong

(JilinGovernmental-InvestedConstructionProjectAdministrationCenter,Jilin132013,China)

Taking the urban viaduct as an example, the paper analyzes box girder temperature field distribution conditions and stress distribution under fire conditions by applying ANSYS finite software, which has provided theoretical analysis for correctly evaluating structural safety conditions after fire.

urban viaduct, fire, temperature field, stress field, finite element analysis

2015-03-28

孫明東(1971- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)16-0173-03

TU378.2

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