CN112131765A - 一种火灾下t粱桥的力学性能评估方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及桥梁性能评估技术领域，公开了一种火灾下T梁桥的力学性能评估方法，包括以下步骤：建立T梁桥的有限元模型，根据火灾工况对所述有限元模型进行火灾分层模拟，得到火灾下T梁桥不同虚拟层的温度场；根据所述温度场计算所述T梁桥不同材料的烧损程度折算系数；根据所述烧损程度折算系数计算所述T梁桥的力学性能评估系数，实现力学性能评估。本发明具有评估效果好、效率高的技术效果。

Description

一种火灾下T粱桥的力学性能评估方法及装置
技术领域
本发明涉及桥梁性能评估技术领域，具体涉及一种火灾下T梁桥的力学性能评估方法、装置以及计算机存储介质。
背景技术
桥梁在发生火灾后，会导致混凝土烧损、桥面铺装损毁、主梁钢筋软化、预应力非正常损失等各类构件不同程度的损伤，导致桥梁的承载力降低，严重影响了桥梁的安全运营。在该类桥型经历火灾后，管养人员没有科学的依据对火灾后的结构进行准确科学地评估并采取有针对性的处治措施。
混凝土材料在高温下技术参数会劣化，性能会下降，但是不同的层位(T梁表面向内方向)由于混凝土温度不同，因此混凝土材料实际的技术参数也不同，如果直接计算T粱桥整体的正截面抗弯承载力和荷载横向分布系数，则评估结果与实际情况误差较大，不利于对火灾后桥梁结构进行准确的评估。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种火灾下T梁桥的力学性能评估方法、装置以及计算机存储介质，解决现有技术中火灾下T梁桥的力学性能评估精度不高的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种火灾下T梁桥的力学性能评估方法，包括以下步骤：
建立T梁桥的有限元模型，根据火灾工况对所述有限元模型进行火灾分层模拟，得到火灾下T梁桥不同虚拟层的温度场；
根据所述温度场计算所述T梁桥不同材料的烧损程度折算系数；
根据所述烧损程度折算系数计算所述T梁桥的力学性能评估系数，实现力学性能评估。
本发明还提供一种火灾下T梁桥的力学性能评估装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述火灾下T梁桥的力学性能评估方法。
本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现所述火灾下T梁桥的力学性能评估方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明为了更准确和快速的对T粱桥的性能进行评估，首先建立有限元模型，然后用虚拟层的概念对T梁截面的火灾过程进行分层模拟，模拟各类材料不同强度的结构层的温度变化，进而计算T梁桥在火灾下的正截面抗弯承载力和荷载横向分布系数。计算正截面抗弯承载力和荷载横向分布系数时，利用温度场对各类材料不同虚拟层的烧损程度折算系数进行计算，从而实现各类材料不同虚拟层的烧损程度评价，进而实现对火灾后力学性能的评估，实现了计算过程的简化，缩短计算时间，降低计算难度。
附图说明
图1是本发明提供的火灾下T梁桥的力学性能评估方法一实施方式的流程图；
图2a是本发明提供的混凝土实体单元一实施方式的模型图；
图2b是本发明提供的钢筋单元一实施方式的模型图；
图2c是本发明提供的T梁桥有限元模型一实施方式的模型图；
图3a是本发明提供的火灾状况PC1的火灾示意图；
图3b是本发明提供的火灾状况PC2的火灾示意图；
图3c是本发明提供的火灾状况PC3的火灾示意图；
图4a是本发明提供的混凝土材料在火灾状况PC1下60分钟时的温度场示意图；
图4b是本发明提供的混凝土材料在火灾状况PC2下60分钟时的温度场示意图；
图4c是本发明提供的混凝土材料在火灾状况PC3下60分钟时的温度场示意图；
图5a是本发明提供的钢筋材料在火灾状况PC1下60分钟时的温度场示意图；
图5b是本发明提供的钢筋材料在火灾状况PC2下60分钟时的温度场示意图；
图5c是本发明提供的钢筋材料在火灾状况PC3下60分钟时的温度场示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提供了火灾下T梁桥的力学性能评估方法，包括以下步骤：
S1、建立T梁桥的有限元模型，根据火灾工况对所述有限元模型进行火灾分层模拟，得到火灾下T梁桥不同虚拟层的温度场；
S2、根据所述温度场计算所述T梁桥不同材料的烧损程度折算系数；
S3、根据所述烧损程度折算系数计算所述T梁桥的力学性能评估系数，实现力学性能评估。
本实施例首先建立有限元模型，然后用虚拟层的概念对T梁截面的火灾过程进行分层模拟，模拟各类材料不同强度的结构层的温度变化，进而计算T梁桥在火灾下的正截面抗弯承载力和荷载横向分布系数，分层模拟的方式可以更准确的体现出T粱桥各不同结构层的受损程度，进而更精确的对火灾后桥梁性能进行评估。同时，计算正截面抗弯承载力和荷载横向分布系数时，利用温度场对各类材料不同虚拟层的烧损程度折算系数进行计算，从而实现各类材料不同虚拟层的烧损程度评价，进而实现对火灾后力学性能的评估，实现了计算过程的简化，缩短计算时间，降低计算难度。
优选的，建立T梁桥的有限元模型，具体为：
建立混凝土实体单元，建立钢筋单元；
对所述混凝土实体单元和钢筋实体单元进行节点间耦合。
具体的，本实施例30m等截面预应力混凝土简支T梁桥作为研究对象，预应力混凝土T梁桥使用的混凝土选用C50混凝土，预应力钢筋选用1860MPa高强度低松驰钢绞线。在Ansys软件中建立该T粱桥的有限元模型，首先建立混凝土实体单元，如图2a所示，然后建立钢筋单元，如图2b所示，最后对混凝土实体单元和钢筋单元进行节点间的耦合，得到有限元模型，如图2c所示。
通过Ansys软件模拟T梁桥遭受火灾时的温度时延变化，读取T梁截面不同部位的温度。图3a、图3b、图3c分别示出了三种不同的火灾状况，图3a中为火灾状况PC1，即T粱腹板底部受火，图3b中为火灾状况PC2，即桥面受火，图3c中为火灾状况PC3，即T粱腹板及翼缘板底部受火。图3a、图3b、图3c中可看出，该T梁桥包括四个T粱结构，从左至右依次编号为1、2、3、4号。利用Ansys软件对这三种火灾状况分别进行模拟，得到60分钟时混凝土材料的温度场分别如图4a、图4b、图4c所示，得到60分钟时钢筋材料的温度场分别如图5a、图5b、图5c所示。图4a、图4b、图4c分别对应火灾状况PC1、PC2、PC3，图5a、图5b、图5c分别对应火灾状况PC1、PC2、PC3。图4a、图4b、图4c、图5a、图5b、图5c中颜色的深浅表示不同的温度，具体参照图下方的温度尺。
混凝土材料在高温下技术参数会劣化，性能会下降，但是不同的层位(T梁表面向内方向)由于混凝土温度不同，因此混凝土材料实际的技术参数也不同，为了便于计算，用虚拟层的概念对T梁截面进行分层模拟，模拟不同强度的混凝土结构层，即虚拟层强度等效原理。基于材料的自身特性，每一层混凝土对截面强度都有贡献，每一层强度的总和即为混凝土截面的总强度。同时，用虚拟层的概念对T梁截面进行分层模拟，模拟不同刚度的混凝土结构层，即虚拟层合梁刚度等效原理。基于材料的自身特性，每一层材料对截面刚度均有贡献，每层材料刚度的总和即为截面的总刚度。
下面阐述各层混凝土截面强度和刚度的评估计算过程。
优选的，根据所述温度场计算所述T梁桥不同材料的烧损程度折算系数，具体为：
根据所述温度场计算所述T梁桥混凝土材料的抗压强度折算系数以及弹性模量折算系数；
根据所述温度场计算所述T梁桥钢筋材料的屈服强度折算系数。
根据混凝土材料在高温下材料参数的劣化，换算高温下T梁截面混凝土的抗压强度和弹性模量折减。换算公式如下：
Figure BDA0002646128120000051
Figure BDA0002646128120000052
式中：fcu(T)为混凝土在温度为T时的抗压强度；fcu为混凝土的初始抗压强度；Ecr(T)为混凝土在温度为T时的弹性模量；Ecr为混凝土的初始弹性模量。
根据钢筋材料在高温下材料参数的劣化，换算高温下跨中截面和L/4截面钢筋的强度折减。如下表所示：
表1：
Figure BDA0002646128120000053
Figure BDA0002646128120000061
优选的，根据所述烧损程度折算系数计算所述T梁桥的力学性能评估系数，具体为：
所述力学性能评估系数包括抗弯承载力；
根据所述混凝土材料的抗压强度折算系数以及所述钢筋材料的屈服强度折算系数，计算所述T梁桥的正截面抗弯承载力：
Figure BDA0002646128120000062
fpd,tAp＝fcdbx
h0＝ht-at
其中，γ0为桥涵结构的重要性系数，M0为弯矩设计值，Mu,t为延火时间t下所选截面的抗弯承载力，fcd为混凝土轴心抗压强度设计值，bt为延火时间t下的T梁桥T型腹板截面换算宽度，xt为延火时间t下的混凝土受压区高度；h0,t为延火时间t下的截面有效高度，x为受压区高度；fpd,t为不同延火时间下的预应力钢筋抗拉强度设计值，Ap为受拉区纵向预应力钢筋截面面积，b为腹板宽度；h0为初始延火时刻下混凝土截面换算高度，ht为延火时间t下的混凝土截面换算高度，at为预应力钢筋合力点到受拉区边缘的距离，取合力点以下的每层混凝土截面换算深度的叠加值。
根据混凝土材料在高温下抗压强度和弹性模量的衰减情况，对火灾下T梁截面的混凝土进行烧损深度换算。根据钢筋材料在高温下屈服强度的衰减，对钢筋的强度折减进行换算。结合混凝土材料的烧损和钢筋的强度折减，采用公式计算T梁正截面抗弯承载力。
根据公式计算高温下T梁桥在跨中截面与L/4截面处的正截面抗弯承载力。计算所得抗弯承载力与衰减系数如下表所示：
表2：跨中截面抗弯承载力
Figure BDA0002646128120000071
表3：L/4截面抗弯承载力
Figure BDA0002646128120000072
优选的，根据所述烧损程度折算系数计算所述T梁桥的力学性能评估系数，具体为：
所述力学性能评估系数包括荷载横向分布系数；
根据所述混凝土材料的弹性模量折算系数，结合虚拟层，换算T梁桥的抗弯惯性矩与抗扭惯性矩；
根据所述抗弯惯性矩以及所述抗扭惯性矩计算抗扭修正系数；
根据所述抗扭修正叙述计算横向影响线的竖标值；
根据所述竖标值计算所述荷载横向分布系数。
计算高温下T梁桥在跨中截面的抗弯惯性矩与抗扭惯性矩。计算公式如下：
Figure BDA0002646128120000073
Figure BDA0002646128120000074
Figure BDA0002646128120000075
式中：E为常温下混凝土弹性模量，I为T梁桥的抗弯惯性矩，Ei为第i层混凝土截面的弹性模量，N为T梁桥截面划分为单个矩形截面的层数，Ii为第i层混凝土截面的抗弯惯性矩，Ai为第i层混凝土截面的面积，di为第i层混凝土截面至中性轴的距离；IT为T梁桥的抗扭惯性矩，
根据抗弯惯性矩以及抗扭惯性矩计算抗扭修正系数。计算公式如下：
Figure BDA0002646128120000081
式中：β为抗扭修正系数，ε为与主梁根数有关的系数，G为混凝土的剪切模量，取0.425E，l为桥长，E为常温下混凝土弹性模量，I为T梁桥的抗弯惯性矩，B为桥宽。
优选的，根据所述抗扭修正叙述计算横向影响线的竖标值，具体为：
Figure BDA0002646128120000082
其中，ηki为k号梁的横向影响线的竖标值，Ik为k号梁的抗弯惯性矩，Ii为i号梁的抗弯惯性矩，ak为k号梁的梁位，ai为i号梁的梁位，e为偏心距，β为抗扭修正系数。
计算影响线零点距1号梁轴线的距离。计算公式如下：
Figure BDA0002646128120000083
其中，x为影响线零点距1号梁轴线的距离。
优选的，根据所述竖标值计算所述荷载横向分布系数，具体为：
Figure BDA0002646128120000084
其中，meq为荷载横向分布系数；，ηki为k号梁的横向影响线的竖标值，x为受压区高度，xqj为影响线零点至第j个汽车车轮的横向距离，j＝1,2,3,4。
根据公式计算T梁桥荷载横向分布系数。部分梁受火时的计算结果如下表所示：
表4：1号梁受火时的荷载横向分布系数
Figure BDA0002646128120000085
Figure BDA0002646128120000091
表5：1、2号梁受火时的荷载横向分布系数
Figure BDA0002646128120000092
本方法提出的合理简化的计算公式，其优势在于合理简化了计算模型，缩减了计算时间，降低了计算难度。在桥梁遭受火灾后，可以迅速的计算出T梁桥在火灾下的正截面抗弯承载力和荷载横向分布系数，验证这两项力学性能的安全性。
实施例2
本发明的实施例2提供了火灾下T梁桥的力学性能评估装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现实施例1提供的火灾下T梁桥的力学性能评估方法。
本发明实施例提供的火灾下T梁桥的力学性能评估装置，用于实现火灾下T梁桥的力学性能评估方法，因此，火灾下T梁桥的力学性能评估方法所具备的技术效果，火灾下T梁桥的力学性能评估装置同样具备，在此不再赘述。
实施例3
本发明的实施例3提供了计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现实施例1提供的火灾下T梁桥的力学性能评估方法。
本发明实施例提供的计算机存储介质，用于实现火灾下T梁桥的力学性能评估方法，因此，火灾下T梁桥的力学性能评估方法所具备的技术效果，计算机存储介质同样具备，在此不再赘述。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种火灾下T梁桥的力学性能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立T梁桥的有限元模型，根据火灾工况对所述有限元模型进行火灾分层模拟，得到火灾下T梁桥不同虚拟层的温度场；
根据所述温度场计算所述T梁桥不同材料的烧损程度折算系数；
根据所述烧损程度折算系数计算所述T梁桥的力学性能评估系数，实现力学性能评估。
2.根据权利要求1所述的火灾下T梁桥的力学性能评估方法，其特征在于，建立T梁桥的有限元模型，具体为：
建立混凝土实体单元，建立钢筋单元；
对所述混凝土实体单元和钢筋实体单元进行节点间耦合。
3.根据权利要求1所述的火灾下T梁桥的力学性能评估方法，其特征在于，根据所述温度场计算所述T梁桥不同材料的烧损程度折算系数，具体为：
根据所述温度场计算所述T梁桥混凝土材料的抗压强度折算系数以及弹性模量折算系数；
根据所述温度场计算所述T梁桥钢筋材料的屈服强度折算系数。
4.根据权利要求3所述的火灾下T梁桥的力学性能评估方法，其特征在于，根据所述烧损程度折算系数计算所述T梁桥的力学性能评估系数，具体为：
所述力学性能评估系数包括抗弯承载力；
根据所述混凝土材料的抗压强度折算系数以及所述钢筋材料的屈服强度折算系数，计算所述T梁桥的正截面抗弯承载力：
Figure FDA0002646128110000011
fpd,tAp＝fcdbx
h0＝ht-at
其中，γ0为桥涵结构的重要性系数，M0为弯矩设计值，Mu,t为延火时间t下所选截面的抗弯承载力，fcd为混凝土轴心抗压强度设计值，bt为延火时间t下的T梁桥T型腹板截面换算宽度，xt为延火时间t下的混凝土受压区高度；h0,t为延火时间t下的截面有效高度，x为受压区高度；fpd,t为不同延火时间下的预应力钢筋抗拉强度设计值，Ap为受拉区纵向预应力钢筋截面面积，b为腹板宽度；h0为初始延火时刻下混凝土截面换算高度，ht为延火时间t下的混凝土截面换算高度，at为预应力钢筋合力点到受拉区边缘的距离，取合力点以下的每层混凝土截面换算深度的叠加值。
5.根据权利要求3所述的火灾下T梁桥的力学性能评估方法，其特征在于，根据所述烧损程度折算系数计算所述T梁桥的力学性能评估系数，具体为：
所述力学性能评估系数包括荷载横向分布系数；
根据所述混凝土材料的弹性模量折算系数，结合虚拟层，换算T梁桥的抗弯惯性矩与抗扭惯性矩；
根据所述抗弯惯性矩以及所述抗扭惯性矩计算抗扭修正系数；
根据所述抗扭修正叙述计算横向影响线的竖标值；
根据所述竖标值计算所述荷载横向分布系数。
6.根据权利要求5所述的火灾下T梁桥的力学性能评估方法，其特征在于，根据所述抗扭修正叙述计算横向影响线的竖标值，具体为：
Figure FDA0002646128110000021
其中，ηki为k号梁的横向影响线的竖标值，Ik为k号梁的抗弯惯性矩，Ii为i号梁的抗弯惯性矩，ak为k号梁的梁位，ai为i号梁的梁位；e为偏心距，β为抗扭修正系数。
7.根据权利要求5所述的火灾下T梁桥的力学性能评估方法，其特征在于，根据所述竖标值计算所述荷载横向分布系数，具体为：
Figure FDA0002646128110000022
其中，meq为荷载横向分布系数；，ηki为k号梁的横向影响线的竖标值，x为受压区高度，xqj为影响线零点至第j个汽车车轮的横向距离，j＝1,2,3,4。
8.一种火灾下T梁桥的力学性能评估装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-7任一所述的火灾下T梁桥的力学性能评估方法。
9.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-7任一所述的火灾下T梁桥的力学性能评估方法。
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