箱梁内部火灾影响下连续刚构桥结构状态研究

论文摘要

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,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。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。2009年9月3日下午高家花园大桥右幅桥中跨跨中约50m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》（GB50010-2002）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ABAQUS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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 桥箱梁内火灾的研究方法
• 1.3 桥梁火灾研究现状
• 1.3.1 国外火灾研究现状
• 1.3.2 国内火灾研究现状
• 1.4 本文主要解决的问题
• 1.5 本文的研究方法和内容
• 第二章 温度场数值模拟的基本理论
• 2.1 热传导有限元法基本原理
• 2.2 三维导热微分方程
• 2.3 初始条件与边界条件
• 2.4 温度场分析有限元法计算
• 2.4.1 有限元法计算基本原理
• 2.4.2 三维温度场的有限元方程
• 2.4.3 六面体等参单元坐标变换及插值函数
• 2.5 有限元软件在混凝土结构火灾分析中应用
• 2.6 本章小结
• 第三章 预应力混凝土箱梁内火灾模拟参数分析
• 3.1 钢筋混凝土热工参数分析
• 3.1.1 混凝土热工参数
• 3.1.2 钢筋热工参数
• 3.2 火灾规模确定
• 3.2.1 火源释热率[Heat Release Rate]的计算
• 3.2.2 桥梁火灾损伤特点分析
• 3.2.3 火灾规模的确定
• 3.3 箱梁边界条件的处理
• 3.3.1 对流换热
• 3.3.2 辐射换热
• 3.3.3 内腔边界处理
• 3.4 火灾模型数值模拟算例
• 3.4.1 算例1——预应力混凝土梁有限元模型
• 3.4.2 算例2——预应力混凝土梁受火温度场模拟
• 3.5 本章小结
• 第四章 连续刚构桥箱梁内温度场有限元分析
• 4.1 概述
• 4.2 温度场分析
• 4.2.1 分析假设
• 4.2.2 热传导方程及边界条件
• 4.2.3 结构热传导有限元方程的建立
• 4.2.4 瞬态温度场有限元方程的求解
• 4.3 连续刚构桥箱梁内温度场有限元模拟
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 升温曲线及模拟工况
• 4.3.3 材料参数取值
• 4.3.4 模型的计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 高家花园大桥箱梁内火灾分析研究
• 5.1 桥梁概况
• 5.2 模型建立
• 5.2.1 材料参数
• 5.2.2 几何模型和边界设定
• 5.2.3 实况模拟分析
• 5.3 模型计算结果及分析
• 5.3.1 火灾时火区附近桥梁的温度变化
• 5.3.2 火灾时火区附近桥梁的应力及挠度变化
• 5.4 模型与实际监测结果的比较分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 存在的问题及有待进一步研究的工作
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果