翻译译文.pdf

评估桥梁中钢梁的耐火性评估桥梁中钢梁的耐火性 摘自 桥梁工程 Venkatesh Kodur F ASCE1 Esam Aziz2 and Mahmud Dwaikat3 摘要摘要 在目前的实践中 没有特别的措施用来提高钢桥钢梁结构的防火安全 此 外 关于桥梁构件的耐火极限的研究文献很有限 在本文中 用有限元程序来分 析钢桥主梁在火的作用下的不同反应 分析的关键因素影响耐火性 即火灾场景 防火隔热 并综合考虑钢混凝土相互作用所产生的复合作用 数值计算的研究结 果表明 钢箱梁混凝土梁板的相互作用而产生的复合作用使着火条件下钢箱梁桥 结构性能 和耐心性 显著增强 其他影响钢桥主梁的耐火性的重要因素是防火 绝缘材料和防火方案的类型 CE 数据库关键词 数据库关键词 火灾 防火性 梁桥 钢梁桥 关键词 关键词 桥梁火灾 耐火性 钢梁 有限元分析 简介简介 火灾严重的危害环境 据此 建立基础设施需考虑这一点 在最近几十年 来 由于城市地面交通的快速发展以及有害物质的增加运输 如 易燃液体 自 燃物质 有毒物质等 桥梁火灾引起了越来越多的关注 然而一般感觉桥梁不 会在火灾下崩坍 美国运输部最近的的一次调查显示在 1990 2005 年期间由火 灾导致的桥梁崩坍比地震导致的多三倍以上 在某些情况下 桥梁火灾可能导致 结构构件的崩溃 导致大量的交通延误 走弯路 和昂贵的维修费用 下面的火 灾事件说明了桥梁火灾问题的严重性 2009 年 7 月 15 号 一辆运载 13000 加仑易燃液体的油罐车与另一辆卡车在 密歇根淡褐色公园附近的高速公路上的立交桥上相撞 这座桥包括 10 热轧大钢 梁在 24 米钢筋混凝土楼板的跨度内 高温达到 1100 摄氏度 这热度削弱了钢梁 导致了天桥的崩坍 如图一所示 火灾开始的 20 分钟左右桥梁垮塌了 消防队 员花了 105 分钟才将大火扑灭 该事故造成了数百万美元的损失 火灾引起桥梁垮塌的另一个例子发生在加利福尼亚州的奥克兰和麦克阿瑟 迷宫的交界处 2007 年 4 月 29 日 一辆运载 8600 加仑的卡车翻倒在高速公路 上 其中包括由六板梁支撑的钢筋混凝土路面 消防队员在 14 分钟内赶到了现 场 但大火导致的事故现场温度达到了 1100 摄氏度 这种强高温导致钢梁强度 的损失 22 分钟后最终导致了 580 跨度内的崩坍 初步分析表明 该故障是高 温影响下过应力的影响 这次事故花费了 9 百万美元来修复这座桥 翻新了好几 个月才完成 桥梁结构构件在火灾的影响下反应不同的原因有 1 火源 桥梁着火的常见原因是桥梁附近油罐车的碰撞引起的汽油燃烧 然 而 共同的原因是建筑物中包含能燃烧的材料 主要是以木材和塑料为基础的产 品 2 消防通风 大多数建筑物是封闭的或者通风量是有限的 然而 桥梁火灾 一般在露天的条件下 能无限的通风 氧气 3 火灾严重程度 桥梁火灾比建筑火灾更激烈 更有代表性 因为火源一般 是汽油 4 消防 建筑物都提供了主动防火系统 如洒水装置和被动防火等防火措施 但在桥梁中没有特殊的防火措施 5 故障极限状态 桥梁主梁比建筑物主梁更长 剪切破换在主梁中占的比重 大 弯曲破话在横梁中占的比重大 6 连接 桥梁主梁通常用底部法兰轴承 相反 建筑通过钢筋网或者法兰 支撑条件的不同影响结构的耐火性 回顾文献表明缺乏关于桥梁的耐火性能的相关信息 这主要是因为关心桥梁 结构防火安全的人很少 关于桥梁耐火性的研究主要来自于多锐普 克多 巴耶 利弗特和加洛克 这些研究清楚的表明 桥梁火灾是一个严重的问题并且通常是 由桥梁附近的机械爆炸引起的 桥梁坍塌的时间通常在 30 分钟之内 留给消防 队员作出回应的时间很少 此外 缺乏影响桥梁主梁耐火性的主要信息 为了弥 补这些不足 密歇根州立大学成立了一个研究钢桥耐火性能的研究项目 本文给 出了钢桥的防火性能的数值研究结果 有限元模型有限元模型 为了说明钢梁在火中的反应 使用有限元程序 ANSYS 进行了数字研究 这 个程序能够处理结晶器内部发生的热力耦合和非耦合问题 通过分析 剪支钢箱 梁桥被选中 这种桥通常包括不同的结构元件 即梁 钢筋混凝土楼板和中间隔 膜 两组离散化模型用于热和机械的分析 将热体荷载均布于结构模型的主梁跨 度得到了热分析的结果 高温热与机械属性的钢铁 混凝土和绝缘性都纳入了分 析 把强度极限状态定义为故障 也就是说当梁无法承担所承受的荷载 图 1 由火灾引起的密歇根州榛园立交桥的梁坍塌 拍于 Zapletal 2009 年 热分析热分析 对所选的钢 混凝土组合梁进行了两种情况下的传热分析 即有和没有加劲 肋 SOLID70 元素英语离散梁 板和加强筋 SOLID 是一种三维元件有三维热 传导能力 并具有八个节点自由 即每个单节点处的温度程度 此元件一般用于 三维稳态或瞬态热分析 该 SOLID70 元件的表面区域除了板的顶表面外都处于 火中 分别用来模拟钢梁在对流和辐射下所发生的表面效应 对所采用的离散化 热模型图如图 2 所示 图 2 b 所示的板主件线段 AB 是网状的 SOLID70 元件 两个热对流和热辐 射荷载施加在表面区域 对流系数和热分析中使用的碳氢化合物和外部火是根据 欧洲法规 欧洲标准化委员会 确定的 一个 0 7 倍有效发射率因子用于底部和 侧面梁的下翼缘的表面 一个 0 5 倍发射率的因子用在网的侧表面 而 0 3 倍的 用于法兰板的顶部和底部 发射率的变化说明在网络 顶部法兰和平板处深度的 变化对辐射的影响较大 钢铁和混凝土的热性能 即热导电率 比热 热膨胀随 温度的变化而变化 在分析中 高温性能假设是按照欧洲规范 2 和欧洲规范 3 来确定的 温度 T 是由有限元分析每个组件 如法兰 板等 每个时间段的平 均温度得到的 如图 3 所示 分析离散的结构分析离散的结构 结构分析中桥主梁有两个建模元件 即元件 SHELL181 底部法兰 网络 上翼缘 加强剂和元素 SOLID65 混凝土板 SHELL181 有四个节点 每个节点 有六个自由度 即 X Y Z 上的三个方向和三个转角 这个元件可以定位法兰 和网络的屈曲程度和侧向扭转程度 因此很适合用于大旋转 大变形的非线性问 题 SOLID65 有八个节点三个自由度 即在 X Y Z 三个方向上 这个元件可 以用于固体或无加固的三维建模 并能用于计算混凝土在拉伸开裂 混凝土徐变 下的应力 输出的热分析 温度 用来评估钢 混凝土结构模型的力学效应 三 维结构模型的分析如图 4 a 所示 考虑到混凝土板和钢梁的上翼缘之间的复合作用 将节点和节点的相互作用 进行离散分析 如图 4 b 的结构模型所示 混凝土板和钢梁上翼缘有相同的节点 有限元的模型是离散型的 桥梁主梁边界的支撑条件用于法兰的下表面 如图 4 c 所示 这种边界状态反应了实际情况 减小了边界节点的应力集中并改善了 有限元方案 同时 考虑到混凝土的连续性效应 板在横向的运动受到了限制 参 见图 4 c 材料特性材料特性 型钢在火中的变化取决于火灾场景和型钢的组成材料的热性质 即热导率 比热和热膨胀 其变化作为温度的变化 钢和混凝土的力学性能对耐火性 应力 应变关系和弹性模量至关重要 它也随温度而变化 温度取决于钢筋和混凝土的 热学和机械性能 假设是按照欧洲规范 2 CEN 2004 和欧洲法规 3 CEN 2005 确定的 热导率 比热 结构钢的热膨胀系数和应力 应变曲线的分析如图 5 8 所示 应用于钢梁中消防隔热的是 CAFCO300 这种绝缘体的导热系数为 0 078W mC 密度为 240 公斤 立方米 CAFCO300 通常用于室内 但这种类型的 绝缘物的热属性 即热导率和比热 在室内和室外的的性能是十分相似的 高温 绝缘层的热性能按照本茨和普拉萨德的建议来假定 与温度有关的热导率和绝缘 体的比热值都是温度的函数 其关系如图 9 所示 模型验证模型验证 目前缺乏在火灾条件下桥梁主梁的防火测试数据 因此 英国钢铁公司开发 了钢束混凝土板这一模型 这种在建筑物中很典型的梁板被用来做火灾测试 验 证过程包括比较从防火测试报告中预测的热度和结构反应 钢梁不绝缘 用于测 试的梁板支架和带热电藕的布局如图 10 所示 图 11 表示用有限元模型进行防火测试测量的钢的温度 可以看出该梁的上 翼缘的温度比底部法兰的温度要低 这是因为混凝土板在顶部法兰处消散的温度 较低 因为混凝土与钢相比有较低的热导率和较高的热容量 网络温度比底部法 兰的温度略高 这是因为网络的厚度比法兰的小 总体而言 由分析得到的预测 温度数据比实验得到的测量温度数据要好 轻微的区别可能是因为传热参数的变 化 比如辐射和对流系数 由 ANSYS 模型得到的跨中挠度和实验测得的跨中挠度的比较如图 12 所示 由图可知 在火灾的早期 跨中挠度随时间逐渐增大 这些初始挠度主要是由于 顶部和底部的法兰型钢和钢梁在高温下弹性模量发生变化而引起的 10 分钟后 由于可塑性的扩展 偏转率会略微增加 从而导致钢的强度和刚度在高温下更迅 速的退化 在大约 21 分钟时 底板和斜腹板的温度约为 600 度 在高温的作用下 跨中的偏转度增大 并在 23 分钟的时候跨中截面断裂 总的来说 由 ANSYS 模型得到的数据同实验报告的数据很接近 细微的不 同可能是因为采用理想化的分析 比如实验和分析假设的处于火中的长度不同 在有限元模型中整个跨度 4 5 米 置于火中 而在测试过程中只有 4 米置于火 中 并且所述的支撑区域在炉外 据英国钢铁技术和 Swinden 实验室 1989 报 道 从 ANSYS 模型预测的出现故障的时间具有很好的可接受性 例如 以偏转 极限状态作为故障准则预测到的时间是 22 5 分钟而实验得到的是 23 分钟 研究案例研究案例 桥梁的选择桥梁的选择 简支钢箱梁桥被选来研究桥梁主梁在火灾下的的反应 该钢桥的 RC 楼板厚 200 毫米由五个 W333141 热轧钢梁支撑 钢梁和板连接为一体 横向隔板在中 间和两端横向连接防止板横向运动 如图 13 所示 该桥主梁长 12 2 米 在两端 有两个宽为 36 毫米的伸缩缝 该梁由 50 级钢制成 屈服强度是 350 兆帕 而 使用的混凝土板的抗压强度是 30 兆帕 不同的参数不同的参数 用已验证的有限元模型评估了桥梁在五种不同情况下的的耐火性 防火措 施和钢筋混凝土所产生的复合作用是变量 表 1 表示分析结果的测试参数和总 结 该分析是在两个火灾场景下进行的 即碳氢化合物和外部火灾场景 分两种情况来讨论钢梁和混凝土板的相互作用 在案例一中忽略板的相互作 用 只分析梁对应的强度 在案例二中考虑钢梁和混凝土板的相互作用 在案例 三中 同案例二一样只是把评估耐火性的火灾场景改为室外火灾场景 外部的火 没有碳氢化合物类火那么激烈 也是桥梁火灾场景之一 碳氢化合物类火和外部 火的时间和温度的关系曲线如图 14 所示 在主梁上施加相当于自重的百分之三十的活荷载进行耐火性分析 梁段的自 重为 2 0KN m 混凝土板的磨损面积和自重是按照 AASHTO 标准规定的 均布 荷载为 9 3KN m 相当于施加的活荷载的 0 3 倍 结果和讨论结果和讨论 用 ANSYS 分析案例 2 得到的结果如图 15 所示 图中显示 在烃类火灾下 组合梁中钢筋混凝土的温度分布是时间的函数 由图 15 可以看出 顶部法兰的 温度远低于底部法兰 这主要是因为混凝土板的隔热效果 热度从顶部法兰板消 散 此外 网络处的温度比底部法兰略高 因为网络处比法兰薄 这就使网络处 的温度迅速上升 案例2 非隔热梁 和案例4 隔热梁 的梁板坯的横截面的热梯度变化如图 16所示 20分钟时案例2中的温度为950C 案例4为500C 案例2中因为混凝土板 的温度与底部法兰的温度相差较大 所以横截面的热梯度变化较显著 然而 在 案例4中 由于隔热体的存在 最大限度的减小了热梯度的变化 直到60分钟时 温度才达到874C 因此 案例4下的隔热梁比案例2下的非隔热梁存活时间长 火的类型也影响热梯度 这可以通过比较案例2和案例3的温度梯度得出 案例2 中 碳氢化合物火灾场景 60分钟时的梯度是945C 案例3中 外部火灾场景 60分钟时的梯度是530C 这是因为外部火的温度比烃类火低 从图14可以看出 在一般情况下 更高的热梯度产生更高的温度 因此 热曲率变化显著的梁导致 高热应力 开始阶段曲率的变化与施加的荷载无关 只与热梯度效应有关 因此 早期的曲率变化是因为钢暴露在火中的热梯度变化 一旦钢的温度超过400C 由于钢的机械性能降低变形量显著增大 由图16可知 整个网络的温度是均匀的 热分析的结果表明轴承处的温度分 布和网络处的非常相似 这是因为两者的的加强件相似 因此 对网络和轴承加 强筋施加同样的温度来进行热分析 图17为一个典型的桥桁结构示意图 梁的跨中挠度是处于火中的时间的函 数 这些挠度曲线分五种情况来分析 偏转级数的总体趋势可以分为不同的阶段 在火灾的早期阶段 跨中挠度线性增大 这主要是因为横截面温度级数的变化 因此 挠度在不同时间内变化的原因是不同的 挠度在火灾早期显著增大时因为 钢筋和混凝土的强度和刚度在高温下被破坏 在火灾的后期 除了案例3外的其 他案例都是因为高温蠕变的影响 案例 1 没有复合作用 的故障是因为底部法兰发生了弯曲 因为在这种情 况下没有楼板的影响 案例 2 4 和 5 有板的复合作用 梁破换的原因是网络附近 的支撑作用 通过上述分析可知 钢 混凝土的复合作用产生的相互作用增大梁 的抗弯能力 但是抗剪能力没有显著的增大 事实上 由于温度的升高 网络失 去强度的速度比法兰快 在案例 3 中 外部火灾产生的较低温度使梁产生疲劳 其中最大温度可达 680C 表一中为五种情况下跨中挠度和失效时间的分析结果摘要 有复合作用时结 构的耐火性提高 案例 1 中与没有复合作用的梁相比 有复合作用时故障出现的 时间长 12 分钟 案例 2 中考虑混凝土板和钢梁的相互作用时长 21 分钟 在碳氢 化合物的火灾场景下分析案例