CN103711068A - 一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，具体是：首先，以吊索火灾下破坏时间最短为依据，确定了悬索桥最危险火灾场景，并获得吊索相应的极限承载力和悬索桥汽车燃烧极限状态；其次，将不同导热系数的防火材料的抗火性能进行对比，确定了硅酸铝为悬索桥主缆和吊索的外包防火材料；再次，将硅酸铝外包于主缆和吊索上进行热分析，确定吊索和主缆外包防火层的厚度的取值区间；最后由吊索不同高度截面处温度小于吊索破坏时的极限温度，可获得吊索的防护高度，计算出极限状态时主缆纵向不同位置截面处的温度场分布，为防止主缆最外层钢丝温度过高，获得主缆的防护范围。本发明可以推广到其他缆索系统的桥梁上，具有较大的实际工程应用价值。

Description

一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法

技术领域

本发明涉及交通运输业桥涵工程领域，具体是涉及一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法。

背景技术

悬索桥作为城市的重要交通通道，分担了巨大的交通流量，桥梁运营中汽车燃烧风险不断增大，一旦发生汽车燃烧突发事件，不仅会造成人员重大伤亡，导致桥梁交通陷于瘫痪，同时主缆和吊索作为桥梁结构至关重要的构件，由于其承受巨大的拉应力，在汽车燃烧火灾作用下，主缆和吊索抗拉极限承载力和弹性模量均会大幅下降，从而使悬索桥使用寿命大幅下降，增加桥梁修复难度，损失不可估量。目前国内外主要进行了大量的建筑火灾理论计算分析和相关的抗火试验，对于大跨径钢-混组合悬索桥结构中发生的火灾，主要研究集中在采用有限元数值模拟计算分析桥梁结构在火灾作用下的力学性能响应，并没有根据具体的火灾发生位置得到悬索桥最危险火灾场景和相应的极限承载力，也没有进一步提出最危险场景下悬索桥抗火设置方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，该方法计算分析悬索桥在不同火灾场景下的桥梁结构主缆和吊索的极限承载力，得出悬索桥危险火灾场景，从而针对危险火灾场景提出悬索桥抗火设置方法，确定主缆和吊索外包防火层的材料和厚度，并确定火灾下吊索的防护高度和主缆的防护范围，该方法具有较大的实际工程应用价值。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，具体是：确定悬索桥最危险火灾场景，采用随温度变化的热工参数计算得到高温下桥梁结构的极限承载力，得到悬索桥汽车燃烧极限状态，将不同导热系数的防火材料的防火性能进行对比，确定了硅酸铝为悬索桥主缆和吊索的外包防火材料，将硅酸铝外包于主缆和吊索上进行热分析，通过主缆和吊索的温度随防火层导热系数和厚度变化曲线，确定硅酸铝防火层厚度的取值区间，最后根据吊索不同高度截面处的温度场分布获得火灾下吊索的防护高度h，根据主缆纵向不同位置截面处的温度场分布获得主缆的防护范围。

本发明可以采用以下方法确定悬索桥的最危险火灾场景，具体是：汽车燃烧位置横桥向位于桥梁最外车道，纵桥向位于主缆竖向高度最低处，此位置距离悬索桥主缆吊索最近且主缆高度最低，为悬索桥危险火灾场景，在危险火灾场景下对桥梁结构施加恒载+汽车活载，得到吊索抗破坏时间最短所对应的场景为最危险火灾场景。

本发明可以采用以下方法确定悬索桥汽车燃烧下极限状态，具体是：当吊索在火灾作用下的应力大于吊索高温抗拉强度时，吊索会发生破坏，在最危险火灾场景下，得到悬索桥随时间变化的温度场结果和高温下随时间变化的吊索的拉应力σ（T）、抗拉强度f（T）、弹性模量E（T），当σ（T）=f（T）时，得到吊索的破坏时间t₀、吊索的极限承载力f₀、吊索极限温度T₀，此状态为悬索桥火灾的极限状态。

本发明可以采用以下方法确定悬索桥主缆和吊索防火层厚度，具体是：将防火材料外包作用于吊索上，通过赋予外包防火层和其内的吊索材料不同的热属性，建立外包防火层材料导热系数λ和吊索钢丝最高温度T的关系曲线，并将吊索最高温度T与火灾极限状态下的吊索极限温度T₀相比较，由T＜T₀确定外包防火层材料导热系数的取值区间，从而最终确定外包防火层材料为硅酸铝，改变硅酸铝防火层的厚度，施加热荷载，得到吊索最高温度T随防火层厚度d变化的关系曲线，根据火灾极限状态T＜T₀，确定吊索外包防火层的厚度的取值区间，计算得出极限状态时主缆内外层钢丝温度随时间变化曲线，为防止主缆最外层钢丝温度过高，确定主缆外包防火层厚度的取值区间。

本发明可以采用以下方法确定火灾下悬索桥吊索防护高度和主缆防护范围，具体是：根据火源高度计算出吊索不同高度截面处的温度场分布，得到不同截面高度吊索温度随时间变化的关系曲线，并与火灾极限状态下的吊索极限温度T₀相比较，由T＜T₀可获得火灾下吊索的防护高度；根据火源长度计算出极限状态时主缆纵向不同位置截面处的温度场分布，得到不同截面位置主缆内外层钢丝温度沿纵桥向分布曲线，为防止主缆最外层钢丝温度过高，可获得主缆的防护范围。

本发明具有以下的主要优点：

其一.确定了大跨径悬索桥最危险火灾场景和极限承载力。

其二.精确确定了悬索桥主缆和吊索外包防火层材料和防火层厚度。

其三.给出了火灾下吊索的防护高度和主缆的防护范围。

附图说明

图1为一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法实施流程图。

图2为三塔四跨钢-混组合悬索桥精细化节段划分示意图。

图3为三塔四跨悬索桥危险火灾场景横桥向示意图。

图4为三塔四跨悬索桥危险火灾场景纵桥向示意图。

图5为油罐车火灾作用下吊索拉应力和抗拉强度随时间变化曲线。

图6为设置防火层吊索计算模型图。

图7为吊索温度随防火层导热系数变化曲线。

图8为不同防火层厚度的吊索温度随时间变化曲线。

图9为吊索的温度随防火层厚度变化的关系曲线。

图10为120min时吊索截面温度随截面高度变化曲线。

图11为不同截面高度吊索温度随时间变化的关系曲线。

图12为主跨跨中主缆温度沿纵桥向分布图。

图13为边墩处主缆温度沿纵桥向分布图。

图中：1-5为主梁精细化节段，1为边墩处C,Ba节段，2为边跨跨中Aa节段，3为边塔处D,E节段，4为主跨跨中Aa节段，5为数变化曲线中塔处F,G节段，6为悬索桥主缆，7为悬索桥吊索，8为吊索应力，9为吊索抗拉强度，10为0.5cm厚硅酸铝防火层，11为0.6cm厚硅酸铝防火层，12为0.7cm厚硅酸铝防火层，13为0.8cm厚硅酸铝防火层，14为0.9cm厚硅酸铝防火层，15为1.0cm厚硅酸铝防火层，16为距主梁6m处吊索截面，17为距主梁7m处吊索截面，18为距主梁8m处吊索截面，19为主跨跨中主缆最外层钢丝，20为主跨跨中主缆最内层钢丝，21为边墩处主缆最外层钢丝，22为边墩处主缆最内层钢丝。

具体实施方式

本发明提供了一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，该方法基于有限元理论，采用随温度变化的热工参数，通过建立悬索桥热-结构耦合有限元模型，以吊索抗破坏时间最短为依据，得到悬索桥最危险火灾场景，计算得到悬索桥在最危险火灾场景下的极限承载力。根据外包防火层材料的导热系数与吊索温度之间的关系曲线，确定防火层导热系数取值区间，进行防火层材料选择。在进行主缆和吊索外包防火层材料选择后，通过赋予主缆和吊索不同厚度的外包防火层进行主缆和吊索的抗火性能分析，得到主缆和吊索的最高温度随防火层厚度变化的关系曲线，根据防火层作用下主缆和吊索的最高温度小于吊索破坏时的极限状态下的温度，确定主缆和吊索外包防火层的厚度。最后计算吊索不同高度截面处的温度场分布，根据吊索截面温度小于吊索破坏时的极限温度获得火灾下吊索的防护高度。根据火源长度计算出极限状态时主缆纵向不同位置截面处的温度场分布，得到不同截面位置主缆内外层钢丝温度沿纵桥向分布曲线，为防止主缆最外层钢丝温度过高，可获得主缆的防护范围。本发明根据悬索桥的危险火灾场景进行计算，能精确确定悬索桥主缆和吊索防火层厚度、吊索防护高度、主缆防护范围。本发明的具体实施步骤如下（图1）：

（1）采用全桥简化模型，关键部位为三维空间实体模型的建模思路，以ANSYS有限元软件系统为平台，通过节点在三维空间上平动与转动6个自由度保持一致，实现简化模型单元和三维空间实体单元的平滑连接，根据热传导方程和能量守恒热平衡方程，计算出结构的温度场，将其转化成热荷载，从而实现热-结构的有限元耦合，据此建立了三塔四跨悬索桥三维空间热-结构耦合精细化有限元模型。有限元模型中由于钢和混凝土的热工参数随温度变化明显，故本发明采用随温度变化的热工参数进行计算分析，具体公式如下：

1）导热系数：

式中：λ_c(T)为混凝土的导热系数函数，λ_s(T)为钢的导热系数函数，T为温度。

2）比热：

C_s(T)＝38.1×10^-8T²+20.1×10^-5T+0.473    (4)

式中：C_c(T)为混凝土的比热函数，C_s(T)为钢的比热函数，T为温度。

3）热膨胀系数：

α_c(T)＝(0.008T+6)×10^-6    （5）

式中：α_c(T)为混凝土的热膨胀系数函数，α_s(T)为钢的热膨胀系数函数，T为温度。

4）弹性模量：

$E_s\left(T\right)=\frac{E_s}{1.03+32\×{(T+108)}^6\×{10}^{-18}}---\left(8\right)$

式中：Ε_c(T)为混凝土的弹性模量函数，Ε_s(T)为钢的弹性模量函数，T为温度，E_C为常温下混凝土的弹性模量，E_S为常温下钢的弹性模量。

4）强度：

$f_s\left(T\right)=\left[\begin{array}{c}0.99+4.75\×{10}^{-4}\×T-5.57\×{10}^{-6}\×T^2+\\ 1.02\×{10}^{-9}\×T^3+4.55\×{10}^{-12}\×T^4\end{array}\right]f_s---\left(10\right)$

式中：f_c(T)为混凝土的强度函数，f_s(T)为钢的强度函数，T为温度，f_C为常温下混凝土的强度，f_S为常温下钢的强度。

（2）确定悬索桥最危险火灾场景，计算相应的极限承载力。桥梁上火灾主要是由于汽车燃烧引起，尤其是大型油罐车在主缆和吊索最低位置处的燃烧，对桥梁造成的危害最大，燃烧位置横桥向位于桥梁最外车道，纵桥向位于主缆竖向高度最低处，此位置为悬索桥火灾危险场景。在此危险火灾场景下进行热分析后将有限元模型的热单元转化为结构单元，读入热分析所得的三维温度场结果，对桥梁结构施加活载，得到高温下随时间变化的主缆和吊索的拉应力σ（T）、抗拉强度f（T）、弹性模量E（T），当吊索拉应力σ（T）和抗拉强度f（T）相等时，吊索发生破坏，以吊索火灾下破坏时间最短为依据，确定出悬索桥最危险火灾场景，得到此时相应的吊索的破坏时间、吊索的极限承载力、吊索极限温度，此状态为悬索桥火灾的极限状态。

（3）将防火材料外包作用于吊索上，通过赋予外包防火层和其内的吊索材料不同的热属性，建立外包防火层材料导热系数λ和吊索钢丝最高温度T的关系曲线（T—λ曲线），并将吊索最高温度T与火灾极限状态下的吊索极限温度T₀相比较，由T＜T₀确定外包防火层材料导热系数的取值区间，从而最终确定外包防火层材料的选择。改变外包防火层的厚度d，施加热荷载，得到吊索最高温度T随防火层厚度d变化的关系曲线（T—d曲线），根据火灾极限状态T＜T₀，确定吊索外包防火层的厚度区间。计算得出极限状态时主缆内外层钢丝温度随时间变化曲线，为防止主缆最外层钢丝温度过高，可确定主缆外包防火层厚度区间。

（4）根据火源高度计算出吊索不同高度截面处的温度场分布，得到不同截面高度吊索温度随时间变化的关系曲线，并与火灾极限状态下的吊索极限温度T₀相比较，由T＜T₀可获得火灾下吊索的防护高度。根据火源长度计算出极限状态时主缆纵向不同位置截面处的温度场分布，得到不同截面位置主缆内外层钢丝温度沿纵桥向分布曲线，为防止主缆最外层钢丝温度过高，可获得主缆的防护范围。

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1，某三塔四跨悬索桥抗火设置方法。

某三塔四跨悬索桥主桥跨度布置为200+2×850+200＝2100m，主缆和吊索在常温下的抗拉强度为1770MPa，主缆直径为70cm，吊索直径为6.2cm，中塔为人字形钢塔，边塔为混凝土塔，主梁采用q370QD，混凝土板采用C60混凝土。

（1）采用有限元软件ANSYS建立该三塔四跨悬索桥三维空间热-结构耦合精细化有限元模型，如图2。桥长总长200+850+850+200=2100米，共143个节段。主梁为空间梁单元+空间板壳单元混合模型，全桥主梁共设14个空间壳单元精细化节段，分别为边跨端部C和Ba节段1，边跨跨中Aa节段2，边塔处D和E节段3，主垮跨中Aa节段4，中塔处F和G节段5。其他节段采用空间梁单元，并和精细化节段进行连接，全桥共节点426951个，单元404852个，模型中钢和混凝土采用公式（1）～（10）定义的随温度变化的热工参数。

燃烧热分析时，钢梁空间精细化节段采用shell57单元，其他节段采用beam188单元，混凝土桥面板采用solid70，悬索桥主缆6（简称主缆）和悬索桥吊索7（简称吊索）在钢梁精细化阶段上采用solid70单元单元，其他节段采用link33单元，主塔采用solid70单元；热分析完后，将温度场作为热荷载施加到桥梁结构上，钢梁精细化节段转化为shell63单元，混凝土桥面板转化为solid45单元，主缆和吊索在钢梁精细化阶段处转化为solid45单元，在其他节段转化为link10单元，主塔转化为solid45单元。

（2）确定三塔四跨悬索桥最危险火灾场景，计算危险火灾场景下悬索桥极限承载力。三塔四跨悬索桥的危险火灾场景为主跨跨中和边墩，此位置处主缆竖向高度最低，火源横桥向位于桥梁的最外车道，纵桥向位于主跨跨中和边墩，如图3和图4所示。火源为高3m、宽3m、长10m的油罐车，计算得到随时间变化的主缆和吊索三维温度场。将悬索桥的热分析单元转化为结构分析单元，读入热分析时所得到的温度场并施加活载，得到悬索桥吊索的拉应力8和抗拉强度9随时间变化曲线，如图5，曲线的交点即为吊索破坏的极限状态，主跨跨中吊索抗破坏时间最短，对应的场景即为最危险火灾场景，此时吊索的破坏时间t₀为24min，吊索的极限承载力f₀为540MPa，吊索的破坏温度T₀为481℃。

（3）将防火材料外包作用于吊索上，如图6，通过赋予外包防火层和其内的吊索材料不同的热属性，建立一定厚度外包防火层材料导热系数λ和吊索钢丝最高温度T的关系曲线，如图7，将防火层作用下的吊索最高温度T与吊索极限温度T₀=481℃相比较，由T＜T₀确定外包防火层材料导热系数的取值区间为0～0.04W/(m·℃)，从而选择导热系数为0.035W/(m·℃)的硅酸铝作为吊索的防火层材料。改变硅酸铝防火层的厚度d，施加热荷载，计算整个燃烧阶段120min内0.5cm厚硅酸铝防火层的吊索10、0.6cm厚硅酸铝防火层的吊索11、0.7cm厚硅酸铝防火层的吊索12、0.8cm厚硅酸铝防火层的吊索13、0.9cm厚硅酸铝防火层的吊索14、1.0cm厚硅酸铝防火层的吊索15的温度随时间变化曲线，如图8，以及吊索最高温度T随防火层厚度d变化的关系曲线，如图9，由120min时T＜T₀=481℃确定吊索外包防火层的厚度d₁≥1.0cm，计算得出极限状态时主缆内外层钢丝温度随时间变化曲线，为防止主缆最外层钢丝温度过高，可确定主缆外包防火层厚度d₂≥0.5cm。

（4）计算出燃烧持续到120min时不设防火层的吊索距主梁不同高度6m处吊索截面16、7m处吊索截面17、8m处吊索截面18处的温度场分布，得到吊索截面温度随截面高度变化曲线（图10）和不同截面高度吊索温度随时间变化的关系曲线，如图11，并与火灾极限状态下的吊索极限温度T₀=481℃相比较，由T＜T₀可获得火灾下吊索的防护高度为8m。在吊索破坏时，主跨跨中主缆最外层钢丝19的温度在最大达到638℃，距跨中15m处仅达到123℃，最内层钢丝20的温度在跨中最大达到150℃，距跨中15m处仅达到33℃，如图12。故对跨中30m范围内主缆设置防火层，防止最外层钢丝温度过高。边墩锚固区主缆最外层钢丝21的温度在边墩锚固区最大达到635℃，距边墩锚固区15m处仅达到204℃，边墩处主缆最内层钢丝22的温度在边墩锚固区最大达到148℃，距边墩锚固区15m处仅达到62℃，如图13。对边墩锚固区15m范围内的主缆设置防火层，防止最外层钢丝温度过高。故主跨跨中主缆的防护范围为30m，边墩处主缆的防护范围为15m。

总之，该方法通过确定悬索桥危险火灾场景，采用随温度变化的热工参数计算桥梁结构的温度场，确定最危险火灾场景，得出悬索桥相应的极限承载力，获得相应的极限状态，建立主缆和吊索温度随外包防火层厚度和材料变化的关系曲线，确定主缆和吊索的防火材料取值区间和防火层的厚度，进而确定吊索的防护高度和主缆的防护范围。

Claims (5)

1.一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，其特征在于：确定悬索桥最危险火灾场景，采用随温度变化的热工参数计算得到高温下桥梁结构的极限承载力，得到悬索桥汽车燃烧极限状态，将不同导热系数的防火材料的防火性能进行对比，确定了硅酸铝为悬索桥主缆和吊索的外包防火材料，将硅酸铝外包于主缆和吊索上进行热分析，通过主缆和吊索的温度随防火层导热系数和厚度变化曲线，确定硅酸铝防火层厚度的取值区间，最后根据吊索不同高度截面处的温度场分布获得火灾下吊索的防护高度h，根据主缆纵向不同位置截面处的温度场分布获得主缆的防护范围。

2.根据权利要求1所述的大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，其特征在于采用以下方法确定悬索桥的最危险火灾场景，具体是：汽车燃烧位置横桥向位于桥梁最外车道，纵桥向位于主缆竖向高度最低处，此位置距离悬索桥主缆吊索最近且主缆高度最低，为悬索桥危险火灾场景，在危险火灾场景下对桥梁结构施加恒载+汽车活载，得到吊索抗破坏时间最短所对应的场景为最危险火灾场景。

3.根据权利要求1所述的大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，其特征在于采用以下方法确定悬索桥汽车燃烧下极限状态，具体是：当吊索在火灾作用下的应力大于吊索高温抗拉强度时，吊索会发生破坏，在最危险火灾场景下，得到悬索桥随时间变化的温度场结果和高温下随时间变化的吊索的拉应力σ（T）、抗拉强度f（T）、弹性模量E（T），当σ（T）=f（T）时，得到吊索的破坏时间t₀、吊索的极限承载力f₀、吊索极限温度T₀，此状态为悬索桥火灾的极限状态。

4.根据权利要求1所述的大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，其特征在于采用以下方法确定悬索桥主缆和吊索防火层厚度，具体是：将防火材料外包作用于吊索上，通过赋予外包防火层和其内的吊索材料不同的热属性，建立外包防火层材料导热系数λ和吊索钢丝最高温度T的关系曲线，并将吊索最高温度T与火灾极限状态下的吊索极限温度T₀相比较，由T＜T₀确定外包防火层材料导热系数的取值区间，从而最终确定外包防火层材料为硅酸铝，改变硅酸铝防火层的厚度，施加热荷载，得到吊索最高温度T随防火层厚度d变化的关系曲线，根据火灾极限状态T＜T₀，确定吊索外包防火层的厚度的取值区间，计算得出极限状态时主缆内外层钢丝温度随时间变化曲线，为防止主缆最外层钢丝温度过高，确定主缆外包防火层厚度的取值区间。

5.根据权利要求1所述的大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，其特征在于采用以下方法确定火灾下悬索桥吊索防护高度和主缆防护范围，具体是：根据火源高度计算出吊索不同高度截面处的温度场分布，得到不同截面高度吊索温度随时间变化的关系曲线，并与火灾极限状态下的吊索极限温度T₀相比较，由T＜T₀可获得火灾下吊索的防护高度；根据火源长度计算出极限状态时主缆纵向不同位置截面处的温度场分布，得到不同截面位置主缆内外层钢丝温度沿纵桥向分布曲线，为防止主缆最外层钢丝温度过高，可获得主缆的防护范围。

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