（工程力学专业论文）箱梁内部火灾影响下连续刚构桥结构状态研究.pdf

，。 重庆交通大学学位论文原创性声明 j j i j lij l l l l l l i j i l l i r j lij iij i i j j j p p i j i rjjjj y 19 0 2 2 6 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者妊石司 隰训年v 川日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 一躲石如蒂1 日期： t o1 1 年v 月2 日 。 指导教师签名： 日期：妒1 年叩月c 吕同 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k j 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 指导教师签名： 日期：岱1 1 年叩月【器日 钔 论日乃心 ： 月 名 签者 年 作 文 v 论 ： 位 期 学 日 摘要 桥梁发生火灾的概率不大，但是每年还是有不少桥梁碰到意外火灾、桥梁遭 受火灾后，高温下材料的物理与化学性质将会发生非常大的改变，使结构开裂， 承载力下降，j 下常功能恶化，甚至出现结构破损与倒塌，导致巨大的经济财产损 失及人员伤亡。 当前关于结构火灾的研究多集中在分析建筑火灾引起的高温对梁、柱、板、 墙等建筑构件的强度和变形影响方面。对于预应力混凝土结构火灾，特别是连续 刚构桥箱梁内部火灾对于桥梁结构状态影响的研究基本上没有相关报道。 2 0 0 9 年9 月3 同下午高家花园大桥右幅桥中跨跨中约5 0 m 长的区段发生火灾， 引起的重庆主城区将近一个月的交通大拥堵，以及至今为止的高家花园大桥交通 限行状况，给社会带来了较大的损失，给人民生活带来了极大的不变。而现行的 混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 只初步解决了常温下混凝土结构的计算 问题，尚无相应的高温后桥梁结构的安全状态评估规程可循。因此，桥箱梁内部 火灾引起的连续刚构桥结构状态变化是有必要研究的。 本文以温度场数值模拟的基本理论为依据，采用有限元软件对桥箱梁进行变 截面有限元实体建模，针对箱梁内火灾对连续刚构桥结构状态的影响进行了探索 与研究。首先，从热传导有限元法的基本原理出发，对计算瞬态温度场的有限元 一般格式，三维瞬态温度场的有限元方程组的求解以及六面体等参单元的特性进 行了介绍。通过对箱梁内火灾情况的分析，确定预应力混凝土箱梁结构在火灾情 况下的温度场分布问题的类型、定解条件及求解方法。然后，结合钢筋混凝土材 料在高温条件下的热工性能，在有限元理论的基础上使用有限元分析软件进行不 同规模的火灾模拟分析，得出连续刚构桥箱梁内部高温下的温度场分布的主要规 律及结构受力状态转变特性。最后，以高家花园大桥为对象，采用a b a q u s 通用有 限元软件对桥箱梁进行变截面有限元实体建模，利用其瞬态热传导分析功能及钢 筋混凝土模块，在准确模拟连续刚构桥箱梁结构的基础上，详细分析了箱梁内温 度场变化引起的结构挠度、应力及横截面变形的状态，并与已有的监测数据进行 比较分析，实证了连续刚构桥箱梁内部火灾实体有限元分析的效果。 本文所做的研究有望促进箱梁内部火灾引起的连续刚构桥结构状态变化研究 的深入，为全面正确地评价火灾后桥梁结构安全状况，进而制定科学合理的修复 加固和保养维护策略提供的理论依据。 关键字：箱梁；连续刚构桥；a b a q u s ；有限元；温度场分布 a b s t r a c t t h ep r o b a b i l i t yt h a tt h eb r i d g ec a t c hf i r ei sl o w , w h i l et h e r ei sn o taf e wf i r e a c c i d e n t so c c o u r e do nt h eb r i d g ea n n u a l l y a f t e rb e e nf i r e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e m a t e r i a lo ft h eb r i d g ew o u l db ec h a n g e dt r e m e n d o u s l y , w h i c hc o u l dl e a dt ot h e g r o w i n gd e f o r m a t i o n ，c r a c k e d ，as h a r pd e c l i n ei nc a r r y i n gc a p a c i t ya n ds oo n o n c et h e b r i d g ed i s r e p a i r e da n dt h e nc o l l a p s e d ，t h eo v e r s i g h ti s s u e si nh e a v yl o s s n o w a d a y s ，a n a l y s i s o nf i r ei s m o s t l y c o n c e n t r a t e do nt h e s t r e n g t h a n d d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sr e i n f o r e e dc o n c r e t es t r u c t u r a le l e m e n t si nt h e b u i l d i n gs u c ha sb e a m s ，c o l u m n s ，s l a b s ，w a l l se t c ，b u tl e s so np r e s t r e s s e dc o n c r e t e c o n t i u o u sr i g i ds t r u c t u r e ，s u c ha st h ef i r ei nt h ec o n t i n u o u sr i g i ds t r u c t u r eb r i d g e a tt h ea f t e r n o o no fs e p t 3 2 0 0 9 ，t h eg a o b r i d g ec a t c h e df i r ei nt h em i d - s p a n b o x g i r d e r , t h ee n t r a n c et ob r i d g eh a d b e e nb l o c ku p ，w h i c hl e a dt h ew h o l ec i t yg e ti n t o d i f f i c u l t i e s t h ec u r r e n t ”d e s i g no fc o n c r e t es t r u c t u r e s ”( g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) c a no n l y c a l c u l a t ec o n c r e t es t r u c t u r e sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h e r ei sn oc o r r e s p o n d i n g h i g h t e m p e r a t u r es a f e t ya s s e s s m e n tr u l e so fb r i d g et of o l l o w t h e r e f o r e ，t h ec h a n g eo f s t a t eo fr i g i df l a m eb r i d g ec a u s e db yf i r ei nt h eb o xg i r d e rn e e dt ob es t u d i e d b a s e do nt h et h e o r ya n da l g o r i t h mo fh e a tt r a n s f e ra n db yu s eo ft h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h et h e s i sc r e a t e dt h em o d e lo fb o xg i r d e rw i t hv a r y i n gs e c t i o n ， w h i c hi sa ne x p l o r a t o r yr e s e a r c ho nt h ef i r ea n a l y s i si nb r i d g e a tt h eb e g i n n i n g ，t h e t h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o do nt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s e si se x p l a i n e dp r o c e e d i n g f r o mt h eg e n e r a lf o r m a to ff i n i t ee l e m e n to fc a l c u l a t i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h e t r a n s i e n ts t a t e ，t h r e e - d i m e n s i o n a lb a s i ce q u a t i o no ft h eh e a t - c o n d u c t i o na n dt h e h e x a h e d r o ni s o p a r a m e t r i c a n dt h e n ，a c c o r d i n gt ot h ec a s ea n a l y s i so ft h eb r i d g e b o x g i r d e ra n dt h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo fs t e e la n dc o n c r e t em a t e r i a lu n d e rh i g h t e m p e r a t u r e ，t h ep r e - s t r e s s e dr e i n f o r c e dc o n c r e t ef i r em o d e li sa n a l y z e db yu s i n gt h e p o w e r f u la n a l y s i ss o f t w a r eo nt h eb a s i so ff i n i t ee l e m e n tt h e o r y t h em a i nl a wo ft h e p r e s t r e s s e dr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o n s t r u c t i o nt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o na n dt h e s t r e s sc h a r a c t e r i s t i co ft h eb i r d g ei sd r e w f i n a l l y , b a s e do nt h eb o x g i r d e rf i r eo fg a o b r i d g e ，b yu s eo ft h ea b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et h em o d e lo fb o x - g i r d e rh a s b e e nc r e a t e d w h e nt h ep r e s t r e s s e dr e i n f o r c e db o x g i r d e rw a sb u i l d ，t h ed e f l e c t i o n ， s t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fc r o s ss e c t i o no ft h eb r i d g ew a sa n a l y z e di nd e t a i l a n dt h e n ， i tc a l lb ec o m p a r e dw i t ht h em o n i t o r i n gd a t ao ft h ef i r eb r i d g ew h i c hv e r i f i e dt h e a c h i e v e dr e l i a b i l i t yo ft h em e t h o d i ti sau s e f u lt r y i n go ft h ew a y o fs i m u l i a t i o nf i r ei n t h eb o x g i r d e ro fp r e s t r e s s e dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g eb yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nt h et h e s i s ，t h er e a s e a r c ho nf i r ei nt h eb o x - g i r d e ro fc o n t i n u o u sr i g i df r a m e b r i d g ew o r k s t op r o m o t et h ei n v e s t i g a t i o no nf i r ei nb o x g i r d e ro fr e i n f o r c e dc o n c r e t e b r i d g e i th a sa w i d e rs i g n i f i c a n c ei ne v a l u a t i n gt h es a f t yo ft h eb r i d g e ，a n dt h e nd r a w s u ps c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l er e p a i r i n g ，r e i n f o r c i n ga n dm a i n t e n a n c es t r a t e g i e s k e yw o r d s ：b o x g i r d e r ；c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e ；a b a q u s ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 桥箱梁内火灾的研究方法2 1 3 桥梁火灾研究现状3 1 3 1 国外火灾研究现状3 1 3 2 国内火灾研究现状5 1 4 本文主要解决的问题6 1 5 本文的研究方法和内容7 第二章温度场数值模拟的基本理论9 2 1 热传导有限元法基本原理9 2 2 三维导热微分方程1 0 2 3 初始条件与边界条件1 l 2 4 温度场分析有限元法计算1 2 2 4 1 有限元法计算基本原理1 2 2 4 2 三维温度场的有限元方程1 3 2 4 3 六面体等参单元坐标变换及插值函数1 5 2 5 有限元软件在混凝土结构火灾分析中应用1 9 2 6 本章小结2 0 第三章预应力混凝土箱梁内火灾模拟参数分析2 l 3 1 钢筋混凝土热工参数分析2 l 3 1 1 混凝土热工参数2 1 3 1 2 钢筋热工参数2 7 3 2 火灾规模确定3 1 3 2 1 火源释热率 h e a tr e l e a s er a t e 的计算3 2 3 2 2 桥梁火灾损伤特点分析3 3 3 2 3 火灾规模的确定3 3 3 3 箱梁边界条件的处理3 5 3 3 1 对流换热3 5 3 3 2 辐射换热3 6 3 3 3 内腔边界处理3 6 3 4 火灾模型数值模拟算例3 7 3 4 1 算例1 预应力混凝土梁有限元模型3 7 3 4 2 算例2 预应力混凝土梁受火温度场模拟4 0 3 5 本章小结4 3 第四章连续刚构桥箱梁内温度场有限元分析4 5 4 1 概述4 5 4 2 温度场分析4 5 4 2 1 分析假设4 5 4 2 2 热传导方程及边界条件4 6 4 2 3 结构热传导有限元方程的建立4 7 ， 4 2 4 瞬态温度场有限元方程的求解4 7 4 3 连续刚构桥箱梁内温度场有限元模拟4 8 4 3 1 模型的建立4 8 4 3 2 升温曲线及模拟工况5 2 4 3 3 材料参数取值5 3 4 3 4 模型的计算结果及分析5 4 4 4 本章小结5 9 第五章高家花园大桥箱梁内火灾分析研究6 0 5 1 桥梁概况6 0 5 2 模型建立6 2 5 2 1 材料参数6 2 5 2 2 几何模型和边界设定6 2 5 2 3 实况模拟分析6 4 5 3 模型计算结果及分析6 5 5 3 1 火灾时火区附近桥梁的温度变化6 5 5 3 2 火灾时火区附近桥梁的应力及挠度变化6 6 5 4 模型与实际监测结果的比较分析7 l 5 5 本章小结7 2 第六章总结与展望7 3 6 1 本文主要结论7 3 6 2 存在的问题及有待进一步研究的工作7 4 致谢7 5 参考文献7 6 在学期间发表的论著及取得的科研成果8 1 害 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着科技的进步和经济发展的需要，桥梁建设在我国得到了飞速的发展。连 续刚构桥，具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变 形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点。加上这种桥型的设计施工均较 成熟，施工质量和施工工期能得到控制，成桥后养护工作量小。上述种种因素使 得这种桥型在我国公路、城市和铁路桥梁工程中得到广泛采用。 虽然火灾发生于桥梁的概率不大，但是每年还是有一部分桥梁发生意外火灾。 导致桥梁火灾的直接和间接原因很多，比如雷击引火，材料自燃，粉尘爆燃，机 电设备使用不当，绝缘层老化失效，燃料保管和使用不当，生产与生活用火失控， 或地震或战争的发生等偶然的情况。其次，由于桥梁的修建年代久远，建设期的 规划失误，荷载等级较低，桥梁设计标准偏低等原因，病桥和危桥在众多桥梁中 也占了一定的比例。对这些桥梁进行维护和维修也是摆在我们面前的一项迫切的 任务，因此在加固维修中意外导致的突发性火灾比例也有所升高。 桥梁火灾发生后，高温下材料的物理与化学性质会发生非常大的改变，由于 材料性能的严重劣化与剧烈的内力重分布，使结构变形增大，开裂，承载力下降， 正常功能恶化，甚至出现结构破损与倒塌，导致巨大的经济财产损失及人员伤亡。 2 0 0 9 年9 月，重庆高家花园大桥箱梁内用于支撑钢板的脚手架由于不明原因突然 起火。尽管短时间内明火被扑灭，但是高温灼烧箱梁内部，若直接使用水扑灭火， 混凝土表面遇凉水急速冷却降温会导致结构内外应力不均，产生裂缝，降低截面 刚度，加重强度损失，影响大桥的使用安全。根据现场情况，消防时先封闭桥梁， 待箱梁自然冷却降温，之后通过安全荷载试验检测，判断桥梁受损状况。但是期 间造成了重庆主城区的交通大拥堵，以及至今为止的高家花园大桥交通限行情况， 给社会带来了大的损失，给人民生活带来了极大的不变。 目前结构抗火方向是进行了大量的相关试验研究，但针对桥箱梁内火灾这种 特定情况的研究，至今为止，未查到相关研究成果资料。现行的混凝土结构设 计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 只初步解决了常温下混凝土结构的计算问题，尚无相应 的高温后桥梁结构的安全状态评估规程可循，不能适应桥梁工程养护的发展与灾 害事故处理的需要。为保证桥梁结构在火灾中和火灾后的安全性，进行桥箱梁内 2 第一章绪论 的意外火灾对桥梁结构状态影响的分析是有必要的。 1 2 桥箱梁内火灾的研究方法 火的本质是可燃物质经过高温触发后，与空气中的氧气发生氧化反应，并在 反应进行中释放大量热量的一种化学现象。在氧化反应中发出大量的热量通过多 种方式向周围进行高温辐射，使周围的空气和物体的温度升高，甚至触发新的燃 烧。钢筋混凝土本身是一种不可燃材料，因此遭遇火灾后不会产生燃烧发热现象。 火灾使混凝土结构吸入周围高温空气中的热量而升高温度，内外部形成温度差， 故箱梁结构火灾全过程分析主要由两部分构成：火灾燃烧模化分析、结构构件在 火灾下内部温度场全过程分析： 火灾燃烧模化分析。 一个相对空问的火灾，一般都要经历起火点燃、燃烧蔓延和熄灭衰减3 个递 进阶段，所以火灾的典型温度一时间曲线是相对固定的，但是整个过程的延续时间， 最高温度达到、高温持续时间及温度变化曲线的形状等，对于不同火灾都有很大 的不同。 随着构件和结构抗火性能的研究进展，许多国家和组织都制定了标准的室内 火灾升温曲线，以供耐火试验和耐火设计使用。其中比较常用的有出美国及加拿 大采用的a s t m e 1 1 9 标准升温曲线乜3 和国际标准组织制定的i s 0 8 3 4 标准升温曲线 3 。标准升温曲线具有极大的优点，但也有不可避免的缺陷。在耐火设计中，可 以采用标准升温曲线相应数据，但是对于真实的火灾，其自身温度变化有其特点， 不可能完全符合标准升温曲线。为了真实反映火灾对构件和结构的破坏程度，许 多火灾研究者致力于对火灾燃烧模态的分析，完成了许多燃烧火灾实验，在结果 分析的基础上，对火灾燃烧曲线进行了校正。吴波、马忠诚n 矧对二十世纪七、八 十年代进行的几次较大的火灾试验数据进行统计分析以后，提出了室内温度一时 间曲线。同济大学呻7 1 根据区域模型模化方法，运用空间有限元和时间差分相结 合的方法，开发了火灾模化系统，具有很强的通用性和实用性。 结构在火灾下内部温度场全过程分析。 火灾现象一般都是起火点燃、然后蔓延扩大，燃烧释放出的热量经对流、辐 射作用于结构表面，再经过热传导作传向结构内部，从而在结构内外部形成非均 匀的温度场。 结构火灾全过程反应是极难模拟的，就其过程而言，结构是在荷载和火灾作 用下，截面材性劣化、刚度减小、变形加大、甚至发生内力重分布；而且，钢材 第一章绪论 3 和混凝土的力学性能参数( 屈服强度、瞬时弹性模量、应力一应变关系等) 和热工 性能参数( 混凝土导热系数、比热、容重、热膨胀系数、热徐变和钢材热蠕变等) 在不同的温度一应力下的变化规律是不同的，导致不同的温度一应力路径和不同 的温度应力史，对截面力学性能和变形特性影响很大。同时作用在结构上的荷载 随着人员的疏散和燃烧物的燃烧是不断变化的，且随着主动防火设施及消防水的 作用又可能使结构处于反复升降温作用。 结构火灾全过程分析把火灾燃烧、结构经受火灾作用和经过降温冷却作用作 为连续的全过程来分析，可以使人们更为真实地了解结构火灾后的安全性和可加 固性，为进行准确的火灾后检测和评估，确定是否具备继续使用的安全性和f 常 使用的要求，为合理确定灾后加固方案提供更可靠的依据。 1 3 桥梁火灾研究现状 1 3 1 国外火灾研究现状 火灾无论是发生在桥梁还是任何建筑或构筑物上，均将给人类的生命、财产 安全以及资源环境造成巨大的危害。为了防止火灾发生以及减少火灾造成的损失， 国外在2 0 世纪4 0 年代就开始了混凝土结构抗火的系列研究，并成立了许多国家 都成立了专门的研究机构。比较著名的有：美国建筑火灾研究实验b f r l ( b u i l d i n g f i r er e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 、美国波特兰水泥协会p c a ( p o r t l a n dc e m e n ta s s o c i a t i o n ) 、 英国建筑研究委员会b r e ( b u i l d i n gr e s e a r c he s t a b l i s h m e n t ) 等。这些组织对建筑结 构的抗火性能进行了系统的研究，研究内容涉及建筑材料高温下的物理力学性能； 结构或构件火灾反应：火灾作用下结构和构件的极限承载力及抗火设计方法；以 及相应的建筑行业规则的编制等。 火灾时的燃烧氧化过程是一个复杂的传热、传质、湍流过程，由于燃烧过程 不易控制，边界条件较难确定等原因，使得准确计算出火灾过程中各时刻的温度 场比较困难。长期以来，实验研究一直是结构火灾领域中的重要研究手段之一。 针对火灾时期的结构状态等问题，国外做了大量的研究。国外学者在预应力混凝 土梁、板等方面已对预应力混凝土结构在火灾作用下的承载力及极限耐火时间有 了较全面认识。他们认为温度是影响预应力混凝土结构蠕变性能的主要因素，要 建立合理的分析方法必须考虑混凝土温度蠕变特性，蠕变率的分析方法被认为是 预测整个加载阶段结构特性较满意的方法。他们的试验研究为预应力混凝土抗火 设计提供了直接依据。表1 1 是国外一些研究结构火灾的单位代表人物及主要研 究内容。 4 第一章绪论 表1 1 国外相关研究概况 t a b l e1 1i n f o r m a t i o no ns o m ef o r e i g nf i r er e s e a r c ho r g a n i z a t i o n s 研究单位主要研究人员主要研究内容 b f r l ；n i s t ： r i c h a r dgg a n m j o e l火灾物理、火灾化学、火灾试验新技术、室内火 p z i n g e s e r ：j a m e sr 灾足尺试验、火灾模拟软件1 s h a v e r 美国波特兰水 t t l i e ： 材料、构什耐火哪些试验n 2 1 ；结构抗火没计阎； 泥协会t d l i m大型混凝土构件足尺耐火试验”引；高性能混凝土 b r u c ee 11i n g w o o d ： 抗火性能崎m 1 美国麻省理工 j a m e sm b e c k e r ：构件内温度场分析软件引；结构耐火分析软件 学院；美国伯r i d i n g ：啪1 ，混凝土构件内水蒸气压力1 克利加州人学 b o r isb r e s l e r ： 英国火灾研究r b a l d w i n ： 火的燃烧、发展；材料在火灾中行为；高温f 混 所m a n o r t h凝十应力一应变关系k 2 5 1 英国谢菲尔德h a s a a b ：钢筋混凝土结构、组合结构在火灾中反应数值模 大学r o g e rp l a n k ：拟2 纠9 1 z h a o h uih u a n g 加拿大国家研t t l i e ： 建筑材料热工性能、构件内温度场分析、结构抗 究院m o h a m e da s l u t a n ；火设计方法3 7 r k o d u r ： 近年来，随着计算机技术及计算数学的发展，计算流体力学、计算传热学以 及计算燃烧学等一批相关学科的渐进成熟，越来越多的人致力于火灾过程的数值 模拟研究。从8 0 年代以来，世界许多国家已将数值模拟方法应用于结构火灾的的 研究当中。随着理论和试验的深入，数值模拟已成为了一种广泛应用的研究火灾 发展过程的方法。国外研究者编制了火灾下建筑构件温度场分析专用程序。如： 1 9 7 7 年麻省理工学院和伯克利加州大学联合开发了钢筋混凝土框架结构在火灾 中反应的分析软件中的热反应分析模块f i r e s t 和结构反应分析模块 f i r e s r c u 以捌；1 9 8 2 年a n d e r b e r g 和f o r s e n 在对平板条和柱进行详细的分析和试 验研究的基础上，开发了温度场分析程序t a s f e r 一2 及结构反应分析程序 c o n f i r e h3 。1 9 8 8 年t t l i e 开发了钢筋混凝土柱耐火分析程序f r c p 啪1 。1 9 9 4 年 以来，英国谢菲尔德大学的z h h u a n g 及n a j j a r 等陆续开发了温度场分析程序 f p r c b e - t 、钢结构抗火分析程序v u l c a n 口引、二维混凝土构件耐火分析程序 f p p r c m - s 1 。1 9 9 8 年英国帝国大学的j t e r r o 在伦敦大学的应力分析软件l u s a s 第一章绪论 5 的基础上，开发了钢筋混凝土结构在火灾中反应分析软件s t r u c t h 引。除了这些专 用程序以外，一些大型的通用软件如a n s y s 、a b a q u s 、i - d e a s 等也可以用于温度 场分析。这些软件程序为研究火灾提供了强有力的分析工具，加快了火灾研究理 论和相关技术的发展。 1 3 2 国内火灾研究现状 在国内，2 0 世纪6 0 年代冶金部建筑科学研究院进行过高温下混凝土强度的 试验研究h5 j 。中国建筑科学研究院建筑防火研究部对建筑材料热工性能、构件及 结构的耐火性能等进行了系统研究h 引。8 0 年代，同济大学、清华大学、江苏省建 筑科学研究院、西南交通大学、中国人民解放军武装警察学院等单位对建筑材料 的热工性能、建筑构件及结构的耐火性能进行了一系列试验研究及理论分析，推 进了我国火灾科学研究的发展。表1 2 是我国一些研究单位代表及主要研究内容： 表1 2 国内相关研究单位及主要研究内容 t a b l e1 2i n f o r m a t i o no ns o m ec h i n e s ef i r er e s e a r c ho r g a n i z a t i o n s 研究单位主要研究人员主要研究内容 中国科学技术大学；火范维澄单室火灾模拟、多室火灾模拟、大空间建筑火 灾科学国家重点实验王清安灾模拟、火灾探测与定位、火灾蔓延及烟气运 室吴龙标动模拟。4 8 1 ； 同济大学 朱伯龙火火模化、混凝土高温下热工性能、混凝土高 陆洲导温下力学性能小5 2 ：火灾后结构检测及加i 古i 呻1 ； 沈祖炎 清华大学过镇海构件内温度场计算、混凝土高温本构关系5 7 叫； 时旭东简支梁、连续梁、框架抗火性能5 ，7 ； 原哈尔滨建筑人学吴波室内火灾模化临1 ；高温后混凝土本构关系；钢 马忠诚筋混凝土构件内温度场分析 6 。 欧进萍 中国建筑科学研究院李引擎建筑材料热特性、构件及结构的耐火性能；构 史毅件抗火性能；结构抗火设计 班衍 江苏省建筑科学矽r 究闽明堡钢筋混凝士构件耐火性能试验研究、火灾后结 院李延和构加固方法研究、火灾后结构残余承载力计算 【1 4 】 浙江大学钱在兹构件内温度场试验研究啪1 ；火灾后梁的受力性 金贤玉能研究n 7 1 6 第一章绪论 国内从8 0 年代后期起就有相关抗火研究组织着手进行钢筋混凝土结构的抗火 性能研究，取得了一定的成果。但是在预应力混凝土抗火方面的试验研究尚处于 起步阶段。在火灾方面进行的研究较为分散，相比国外缺少整体性和系统性。 热工参数方面，陆洲导晦铂对混凝土的热工性能进行了试验研究，得出导热系 数、比热等热工参数随温度变化的计算公式；我国建筑结构防火设计计算和构 造处理n 踟在试验的基础上给出了混凝土、钢筋的热工参数。但是在高性能混凝 土的热工参数方面还缺少相关资料。国内对高性能混凝土材料的抗火性能进行了 初步探讨心2 簟3 矧，发现高温下高性能混凝土更容易产生爆裂现象，得出了高性能混 凝土的抗火性能比普通混凝土差的结论。 试验研究方面，国内主要是以室内模型试验为主，研究内容着重于通风控制 火灾时的温度以及火灾的消防方法，对火灾时的火焰动态特性以及火灾增长发展 的规律涉及不多。中国科学技术大学范维澄院士的课题组在2 1 世纪初对建筑火灾 发展过程进行了系统研究，内容涉及单室火灾、多室火灾、大空间火灾等，建立 了相关的模型，并开发了相应的模拟软件h 7 瑚1 。另外，同济大学、清华大学等开 发了构件内温度场计算程序、框架分析程序n 毛5 1 ，5 2 3 ，也较好地模拟了结构火灾反应。 目前，数值模拟模型有区域模型、网络模型、场模型及混合模型等“7 4 8 5 13 。在 火灾反应数值模拟分析方面，时旭东口编制了计算温度场的有限元程序h t a r c ； 姚亚雄1 编制了用于框架火灾反应的计算程序f f r s a p l ；刘永军等瞳刀介绍的 t e i e l d 软件可用于钢筋混凝土构件的温度场非线性有限元分析，并可研究各种参 数对温度场的影响；四川消防科学研究所编制了“火灾温度作用下钢筋混凝土梁、 板、柱温度场计算系统”软件程序，并开发了相应的适用于火灾结构烧伤鉴定的 计算系统软件。 在对火灾后的结构进行损伤分析和检测时，考虑到人们更关心构件内各点经 历的最高温度，吴波盯引、杨彦克等提出构件内各点最高温度是表面最高温度和 对称中心点最高温度( 这两个值可通过现场检测获得) 的理论，并给出了矩形截面 构件两面、三面、四面受火情况下的构件内各点最高温度的统计公式。 1 4 本文主要解决的问题 目前在结构抗火方向是进行了大量的相关试验和数值模拟分析方面的研究， 但就桥箱梁内火灾这种特定情况下的研究，至今为止，未查到相关研究资料。箱 梁内发生火灾虽属小概率事件，但是一旦发生后，其对社会资源和人民生产生活 的影响也是巨大的。从高家花园大桥的箱梁内火灾事故后导致的至今仍存在的交 通拥堵现象，以及经常性的交通限行以保证桥梁的运营安全中不难看出这一点。 第一章绪论 7 而现行的混凝土结构设计规范只初步解决了常温下混凝土结构的计算问题， 尚无相应的高温后桥梁结构的安全状态评估规程可循，不能适应桥梁工程养护发 展与结构事故处理的需要。为保证桥梁结构在火灾中和火灾后的安全性，进行桥 梁意外火灾影响分析是有必要的。故本文就特定箱梁内火灾对连续刚构桥结构状 态的影响进行研究，对箱梁内火灾的温度场变化及其引起的结构挠度、应力以及 横截面的变形状态做了详细的分析，为全面正确地评价火灾后结构的安全状况， 进而制定科学合理的修复加固和保养维护策略具有一定的理论意义和参考价值。 1 5 本文的研究方法和内容 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法。桥梁结构火灾 有限元模拟分析是箱梁内火灾影响下连续刚构桥结构状态研究的重要方法之一。 它解决了结构火灾无法进行足尺模型试验的条件限制及试验经费的问题。目前， 在工程领域也已广泛应用有限元法，通过大型有限元分析软件解决工程中遇到的 各种复杂问题。a b a q u s 是国际上最先进的大型通用有限元分析软件之一，具有杰 出的计算和分析能力。作为通用的模拟工具，除了能够进行结构计算，分析结构 的应力、位移以外，还可以模拟热传导、质量扩散、热电耦合等工程传热问题。 本文采用a b a q u s 通用有限元软件对桥梁进行实体建模和分析，以高家花园大 桥为工程背景，利用已有的a b a q u s 箱梁参数化建模插件对变截面箱梁桥进行有限 元实体建模和分析，利用其瞬态热传导分析功能及钢筋混凝土模块，在准确模拟 预应力筋的基础上，详细分析箱梁内的温度场、挠度、各处应力以及横截面的变 形状态，就箱梁内火灾对连续刚构桥结构状态的影响进行评估，为全面正确地评 价火灾后结构安全状况提供理论依据。 具体包括以下几方面内容： 从热传导有限元法的基本原理出发，利用温度场分析有限元理论、瞬态温 度场的有限元一般格式，对求解三维瞬念温度场的有限元方程组以及六面体等参 单元进行阐述，并对有限元软件在结构火灾中的应用进行了说明。 通过对钢筋混凝土材料在高温条件下的热工性能及箱梁内火灾情况的分 析，确定预应力混凝土箱梁结构在火灾情况下温度场分布类型、定解条件及求解 方法。 在有限元理论的基础上，使用大型有限元分析软件a b a q u s 进行箱梁内不 同规模的火灾模拟分析，得出预应力混凝土箱梁构件在高温下的温度场分布及温 度变化引起的结构内力的变化情况。 以高温下的温度场分布及温度变化引起的结构内力的变化为基础，对实际 8 第一章绪论 发生过箱梁内火灾事故的高家花园大桥进行实况模拟分析，将火灾后桥梁监测实 测数据与模拟数值进行比较分析，为桥梁安全评估提供参考依据。 第二章温度场数值模拟的皋奉理论 9 第二章温度场数值模拟的基本理论 在火灾作用下，混凝土结构会发生材料损伤，应力重分布、构件变形增大、 承载力下降等一系列反应。因此要进行钢筋混凝土结构的抗火分析，了解高温下 钢筋混凝土结构的承载能力和变形规律，必须首先进行钢筋混凝土结构的温度场 分析，之后才可以进一步分析火灾作用下变形反应等。 钢筋混凝土构件和结构遭受火灾时，热辐射和热对流使得其表面温度急剧增 长，热传导使得其内部温度不断发生变化，并随火灾时间的延续而不断发生变化， 因此构件内部形成的是一个动态( 瞬态) 的温度场。有限元法是根据变分原理求解 数学物理问题的数值计算方法。目前，己成为用计算机求解复杂工程问题的一种 十分普及的方法，可以求解许多用解析方法无法求解的问题。本章主要就三维温 度场数值模拟分析的热传导有限元理论进行简要介绍。 2 1 热传导有限元法基本原理 按照传热学的定义，传热是在介质中由于存在温度梯度而引起的能量转移。 一般来说，这种能量转移的过程有三种不同的模式，分别为：热传导、热对流和 热辐射啪1 。热传导是指当介质中存在着温度梯度时，介质之间的热交换过程称为 热传导，简称导热。热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差 的存在引起的热量交换过程；热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。对流 只能发生在流体中。辐射是固体、液体和某些气体由于温差而引起的电磁波传递 能量的现象。热辐射是指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交 换过程。热辐射无须任何介质，温度越高，单位时间辐射的热量越多。实验证明 只有当物体的温度大于4 0 0 时，因辐射而传递的能量才比较显著。火灾时结构 物温度一般都高于4 0 0 ，因此辐射传递的热量不可以忽略不计。 温度场是指某一时刻物体空间所有点温度分布的总称，它是时间和空间的函 数，温度场可以用式( 2 1 ) 来表示： t 一厂0 ，y ，z ，f ) ( 2 1 ) 如果温度场不随时间而变化即o t o t = 0 ，则称为稳态温度场，具有稳态温度 场的导热过程叫做稳态导热；反之则称为非稳态温度场，其导热过程叫做瞬态导 热。同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的曲面，叫做等温面。等 温面与一平面相交，在此平面上留下的一条曲线，称为等温线。在等温面上，没 有热量的传递，热量传递只发生在不同的等温面之间。自等温面上某点到另一个 等温面，以该点法线方向的温度变化率为最大，以该法线方向为方向，数值上也 正好等于这个最大温度变化率的向量称为温度梯度，用g r a d t 表示。温度梯度可 1 0 第二章温度场数值模拟的基本理论 用式( 2 2 ) 来表示。 g r a d 丁= 鼍以一罢i + 詈，+ 詈七 ( 2 2 ) 单位时间内单位面积上所传递的热量称为热流密度。同一点在不同方向上热 流通量的大小是不同的，等温面上某点，以通过该点最大热流通量的方向为方向， 数值上也j 下好