車輛燃燒下大跨徑懸索橋主纜高溫力學(xué)性能研究

李 艷，周國華，王 盼

(湖北省城建設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

近年來，國內(nèi)外橋梁的損傷破壞事件不斷增多，1989-2000年，美國橋梁破壞的事件數(shù)目多達(dá)503起，其中因火災(zāi)導(dǎo)致的橋梁損傷破壞事故占有很大比重[1]。2000-2008年，美國平均每年因為橋梁火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1.4億美元。2010年以后，國內(nèi)橋梁火災(zāi)的數(shù)目也日趨增多，2013年12月13日，綿廣高速公路高架橋上，一輛大型的掛車與一輛油罐車相撞發(fā)生車禍，致使油罐車燃燒起火，大火持續(xù)了數(shù)小時。事故發(fā)生后，路段實行雙向封閉，使周圍車輛滯留十幾公里，如圖1所示。

圖1 綿廣高速公路油罐車火災(zāi)現(xiàn)場圖

國外對結(jié)構(gòu)方向的抗火研究及抗火設(shè)計研究較早[2]，很多抗火研究機(jī)構(gòu)早期重點研究鋼筋混凝土高溫下的力學(xué)性能，研究的手段主要是采用試驗的方法得出相關(guān)結(jié)論，同國外相比，我國結(jié)構(gòu)抗火的研究起步相對較晚[3-5]，在研究初期，一些研究方法借鑒了國外的研究成果。隨著有限元軟件的發(fā)展，結(jié)構(gòu)火災(zāi)的研究成果得到了很大的突破，數(shù)值模擬手段的精細(xì)化及結(jié)果的準(zhǔn)確化在一些程度上可以代替實驗結(jié)果，節(jié)省了大量的時間和成本。

隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的不斷增長，交通工具的數(shù)量也在與日俱增，為滿足更多的交通通行量，近年來不斷新建了很多公路橋梁。隨著我國橋梁建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，橋梁跨徑也在不斷增加，為了實現(xiàn)更大跨徑的飛躍，多塔懸索橋成為大跨徑橋梁的首選橋型。目前，國內(nèi)外建筑火災(zāi)研究成果趨于成熟，但對于橋梁火災(zāi)研究大多是借鑒建筑火災(zāi)的研究成果，缺乏系統(tǒng)和針對性的研究，尤其是對于懸索橋等特大跨度柔性橋梁，缺少相應(yīng)的研究。吊索和主纜作為纜索體系橋梁的承重構(gòu)件，是大跨度纜索橋的生命線，多采用平行鋼絲或鋼絞線，自重輕，強(qiáng)度高，當(dāng)其遭受到火災(zāi)后，力學(xué)性能會大幅度降低，而當(dāng)力學(xué)性能降低到一定程度后，橋梁結(jié)構(gòu)將會發(fā)生高溫破壞。因此，研究纜索體系橋梁在運營期不同車輛火災(zāi)燃燒下的力學(xué)性能，對保障橋梁的安全至關(guān)重要。

1 工程概況

某三塔懸索橋跨越長江，全寬32.5 m，橋型總體布置圖如圖2所示。橋梁采用雙向8車道，按照城市快速路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計行車速度為80 km/h，橋梁橫斷面布置見圖3。

圖2 橋型布置圖

圖3 懸索橋橫斷面布置圖

橋梁主跨850 m，邊跨200 m，主纜采用1 860級的平行鋼絲，主纜橫斷面見圖4。懸索橋中主纜和吊索將主塔和加勁梁連接起來，是十分重要的受力構(gòu)件，承擔(dān)了主梁的自重并將其傳遞給主塔。

圖4懸索橋主纜橫斷面布置圖

主梁由兩側(cè)的工字形縱梁和橋梁中心線處的小縱梁組成，工字形縱梁外側(cè)連接風(fēng)嘴，內(nèi)側(cè)由橫梁連接，整個主梁上布置C60混凝土橋面板，鋼主梁橫斷面布置如圖5所示。

圖5 主梁橫斷面圖

2 鋼材熱工參數(shù)及火災(zāi)升溫曲線的確定

鋼材的熱工參數(shù)和力學(xué)參數(shù)是熱分析中的重要參數(shù)，是進(jìn)行熱分析和力學(xué)計算的基礎(chǔ)。材料常用的熱工參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度、熱膨脹系數(shù)等，熱工參數(shù)主要是用來衡量材料的導(dǎo)熱傳熱能力以及溫度隨熱量的變化情況，用來計算熱源作用下結(jié)構(gòu)的溫度場。鋼材的熱工參數(shù)和力學(xué)參數(shù)會隨溫度的升高或者降低發(fā)生很大的變化，計算時不能按照常溫下的常量進(jìn)行取值，因此本研究在總結(jié)大量國內(nèi)外熱工參數(shù)和力學(xué)參數(shù)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，按照最具代表性的研究成果進(jìn)行取值，使參數(shù)的取值誤差降到最小。

鋼材隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)λs表達(dá)式為[8]：

(1)

鋼材隨溫度變化的比熱Cs表達(dá)式為[7]：

(2)

鋼材隨溫度變化的熱膨脹系數(shù)αs表達(dá)式為[6]：

αs=(11.0+5.75×10-3T)×10-6

(3)

鋼材隨溫度變化的彈性模量與常溫下的彈性模量之比ET/E按照表1進(jìn)行取值。

表1 EC3鋼材彈性模量隨溫度變化值表

鋼材隨溫度變化的強(qiáng)度與常溫下的強(qiáng)度之比f(T)/f按照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行取值，具體如下：

100 ℃≤T≤900 ℃

(4)

以上各式中：T為溫度(℃)。

圖6 火災(zāi)發(fā)展歷程曲線圖

由圖6可知，火災(zāi)從燃燒開始到結(jié)束可以劃分為燃燒發(fā)展階段、燃燒穩(wěn)定階段、火焰衰退減弱階段。火災(zāi)在發(fā)生的短時間內(nèi)，熱釋放率增長速率不斷增大，隨后達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定，最后由于燃料的燃燒殆盡，熱釋放率逐漸下降。

火災(zāi)升溫曲線可以影響計算中眾多參數(shù)，如溫度場、升溫速率、熱流密度、煙氣生成量等。計算中升溫曲線增長模型不同，會導(dǎo)致熱分析結(jié)果差異很大，因此近年來眾多學(xué)者通過火災(zāi)試驗研究了各種場景下的火災(zāi)升溫曲線的變化規(guī)律。橋梁上汽車的種類各異，不同汽車燃燒產(chǎn)生的熱量及持續(xù)時間也不相同。本文根據(jù)大量的文獻(xiàn)統(tǒng)計，并結(jié)合各類汽車的燃燒特征，確定橋梁上最危險的車輛為裝有易燃易爆品的油罐車。油罐車燃燒升溫曲線采用HCinc曲線[9]，即：

T=1320+1 080(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t/11

(5)

式中：t——時間(min)；

T——溫度(℃)。

3 懸索橋主纜熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

3.1 有限元分析模型

根據(jù)ANSYS中熱-結(jié)構(gòu)耦合分析模塊建立三塔懸索橋分析模型?？缰芯?xì)化節(jié)段處主梁和橫梁采用Shell63單元，橋面板采用Solid45實體單元，纜索體系采用Solid45實體單元。其他部位鋼梁頂板、底板、橫梁腹板、加勁肋采用Beam188單元，主纜、吊索均采用Link10單元，橋塔采用Beam188單元，跨中精細(xì)化節(jié)段與橋梁其他部位通過邊界采用剛域剛接方法連接，能使節(jié)點在三維空間上平動與轉(zhuǎn)動6個自由度保持一致，全橋共24 328個節(jié)點，22 586個單元，計算模型如圖7所示。

圖7 懸索橋有限元模型圖

此種模擬方法在大大減少了模型單元數(shù)目的基礎(chǔ)上，既能將通過熱分析模擬所得到的橋梁力學(xué)參數(shù)隨時間的退化關(guān)系精確定義到力學(xué)分析模型，又能分析纜索體系高溫下的力學(xué)性能，得出關(guān)鍵部位的破壞失效時間，獲得抗火救援時間。

在熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型上施加熱荷載和靜力荷載，熱荷載根據(jù)HCinc中定義的時間和溫度的關(guān)系進(jìn)行施加，汽車荷載根據(jù)《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》按城-A級進(jìn)行計算，根據(jù)實際車道數(shù)和主跨長度考慮橫向和縱向折減系數(shù)，非機(jī)動車道按2.5 kN/m2取值。

3.2 主纜高溫力學(xué)性能分析

由三塔懸索橋的結(jié)構(gòu)特性[10]可知，對于三塔懸索橋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在主跨跨中柔性最大，在恒載和最不利活載作用下，跨中豎向撓度最大，相應(yīng)主纜的拉應(yīng)力達(dá)到最不利值。汽車在主纜和吊索位置處燃燒時，主纜的溫度升高速率最快，此位置處發(fā)生火災(zāi)會對橋梁結(jié)構(gòu)造成極為不利的影響。因此，本文分析油罐車在三塔懸索橋主跨跨中發(fā)生燃燒時橋梁結(jié)構(gòu)主纜相應(yīng)的瞬態(tài)溫度場和力學(xué)時變性能，分析主纜在高溫下的安全系數(shù)及強(qiáng)度衰退變化規(guī)律，以此為依據(jù)確定橋梁在油罐車燃燒下的破壞時間，獲得懸索橋的抗火救援時間，為橋梁的抗火設(shè)計和制定抗火救援措施提供相關(guān)依據(jù)。

油罐車發(fā)生火災(zāi)后，周圍大氣溫度升高，大氣熱量通過對流輻射作用傳遞給主纜最外層鋼絲，然后通過熱傳導(dǎo)在主纜內(nèi)部傳遞，主纜的溫度會隨著時間的推移發(fā)生變化。

圖8 主纜溫度曲線圖

火災(zāi)發(fā)生后，主纜最外層鋼絲升溫迅速，整個火災(zāi)階段保持著很高的升溫速率。主纜內(nèi)層鋼絲由于受到外層鋼絲的隔熱，升溫速率同最外層鋼絲相比較慢，升溫速率開始階段較為平緩，隨后由于外層鋼絲熱傳導(dǎo)的作用大幅度增長，在火災(zāi)發(fā)生58 min時，最外層鋼絲升溫到587 ℃，最內(nèi)層鋼絲升溫到291 ℃，平均溫度達(dá)到439 ℃，火災(zāi)燃燒階段內(nèi)主纜的升溫曲線如圖8，在58 min時刻溫度場云圖如圖9所示。

(a)橫斷面

(b)縱斷面

高溫下主纜的彈性模量和抗拉強(qiáng)度會按照表1和公式(4)進(jìn)行變化。由于主纜最外層鋼絲的升溫速率和在同一時刻達(dá)到的溫度不同，相應(yīng)的彈性模量和抗拉強(qiáng)度變化速率也不同，最外層鋼絲下降速率很大，最內(nèi)層鋼絲下降速率平緩。平均彈性模量在58 min時候降低了47%，平均抗拉強(qiáng)度在58 min時降低了62%，如圖10所示。

(a)彈性模量

(b)抗拉強(qiáng)度

主纜在油罐車燃燒18 min后安全系數(shù)下降速率增大，34 min時，安全系數(shù)降低到2.19，<2.2，不滿足規(guī)范要求，如圖11所示。

圖11 主纜安全系數(shù)衰退曲線圖

高溫會使懸索橋的內(nèi)力發(fā)生重分布，主纜的拉應(yīng)力在火災(zāi)發(fā)生58 min時上升到719 MPa，而此時相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度降低到673 MPa，在油罐車火災(zāi)58 min時主纜由于拉應(yīng)力過大發(fā)生破壞，如圖12所示。

圖12 主纜拉應(yīng)力增大曲線圖

油罐車燃燒階段主纜索的瞬態(tài)溫度及高溫力學(xué)性能的變化如表2所示。

表2 主纜瞬態(tài)溫度及高溫力學(xué)性能時變表

4 結(jié)語

(1)本文利用ANSYS建立了大跨徑三塔懸索橋有限元分析模型。此種模擬方法在大大減少了模型單元數(shù)目的基礎(chǔ)上，既能將通過熱分析模擬所得到的橋梁力學(xué)參數(shù)隨時間的退化關(guān)系精確定義到力學(xué)分析模型，又能分析纜索體系高溫下的力學(xué)性能，得出關(guān)鍵部位的破壞失效時間。

(2)采用HCinc升溫曲線模擬油罐車的熱荷載變化規(guī)律，計算油罐車在三塔懸索橋運營階段發(fā)生火災(zāi)后主纜三維溫度場分布規(guī)律。根據(jù)熱-結(jié)構(gòu)耦合作用計算出主纜隨時間變化的應(yīng)力及抗拉強(qiáng)度變化特征，獲得主纜的安全系數(shù)隨時間的變化規(guī)律和失效時間。油罐車火災(zāi)燃燒下，懸索橋在最不利活載工況作用下的破壞時間為58 min。

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