公路火灾温度场数值模拟及大跨径缆索承重桥梁火灾分析

论文摘要

斜拉桥拉索和悬索桥主缆、吊索是主要承重构件，多采用平行钢束、钢丝绳或钢绞线作为承重材料。耐火性能差是钢结构的一个致命弱点。随着公路运输事业的发展，车辆火灾发生的频率越来越高，火灾规模越来越大，对结构物的破坏越来越严重。目前，对大跨径缆索承重桥梁的火灾研究尚处于空白阶段，开展大跨径缆索承重桥梁火灾对结构安全性能影响的研究极其必要，可为今后缆索承重桥梁的抗火设计提供重要的科学依据。本文主要研究内容如下：（1）在国内外研究工作的基础上，基于Ingason H.平方增长模型，提出了适用于公路桥梁火灾研究的车辆火灾和汽油池火灾的热释放率数学模型。（2）采用火灾动力学模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator）对公路火灾下缆索承重桥梁瞬态空间温度场进行数值模拟，并通过开放空间油罐火灾实验中实测的温度场数据与数值模拟的结果进行对比分析，证实了模拟过程中模型建立的正确性。（3）建立了公路火灾大气最高温度空间温度场。建立了公路桥梁火灾的物理模型，确定了车辆火灾和油池火灾各工况燃烧热源的尺寸和单位面积释热率。根据建立的物理模型，通过数值模拟得出了公路火灾大气温度场随释热率变化的规律、编制了各工况恒定温度场释热口平面上的温度值分布表格，给出空间温度场随高度变化的规律公式，从而模拟出整个空间大气温度场的最高温度分布。（4）建立了公路火灾下缆索承重桥梁承重构件瞬态空间温度场。根据建立的物理模型，通过数值模拟给出火灾各工况下悬索桥主缆、吊索以及不同直径斜拉索表面温度及热流密度随火灾的发展过程而变化的规律公式，并编制了最大燃烧持时处的温度及热流密度表格，从而建立了承重构件瞬态空间温度场。通过温度场的建立，得出了钢构件截面尺寸对其表面温度及热流密度变化过程的影响；同一火灾工况下，不同直径的悬索桥主缆不同位置具有相同的Tt2时，可以采用相同的表面温度及热流密度随火灾的发展过程而变化的规律公式。（5）通过对国内外已有的高温下钢材材料特性的研究做了详细比较，确定采用欧洲规范EUROCODE4规定的预应力钢筋的高温强度和弹性模量降低系数和高温下钢材的应力-应变关系Rubert-Schaumann模型进行缆索承重桥梁（悬索桥和斜拉桥）在火灾下的全过程分析。（6）给出了公路火灾下缆索承重桥梁承重构件的安全距离，明确了其抗火设计范围。通过热—结构耦合分析，确定了火灾各工况作用下悬索桥0.4～1.0m范围内不同直径主缆的安全距离、悬索桥吊索的安全距离、斜拉桥0.05～0.2m范围内不同直径斜拉索的安全距离；安全距离之内的构件，火灾对其力学性能不会造成影响，不需要考虑抗火设计。（7）根据建立的缆索承重桥梁承重构件瞬态空间温度场，采用ANSYS有限元程序，选择间接耦合法进行斜拉桥和悬索桥实例的热—结构耦合全过程数值模拟，分析了结构的温度场分布、内力和位移特征以及破坏模式，得到了不同火源模型下结构的极限状态。不同缆索承重桥梁在公路火灾下的极限状态可根据本文建立的承重构件瞬态空间温度场进行热—结构耦合的全过程数值分析。综上所述，公路火灾最不利状态下会对缆索承重桥梁的安全造成隐患，火灾如果得不到及时扑救，将使其丧失正常使用功能，严重时会导致大桥的损毁；火灾对悬索桥的影响是致命的，悬索桥主缆是不可更换构件，一旦在火灾作用下主缆发生较大的伸长变形，将会导致加劲梁的变形，使其丧失使用功能。本文的研究成果，对缆索承重桥梁抗火设计和工程实践具有重要的参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 公路火灾
• 1.1.2 公路火灾案例
• 1.1.3 公路火灾燃烧规律
• 1.2 国内外公路桥梁火灾研究现状
• 1.2.1 火灾研究现状
• 1.2.2 空间结构火灾研究现状
• 1.2.3 桥梁结构火灾研究现状
• 1.3 本文主要研究内容及意义
• 第二章 公路火灾热释放率模型研究
• 2.1 公路车辆火灾热释放速率模型
• 2.1.1 公路车辆火灾热释放率设定方式
• 2.1.2 公路车辆火灾热释放率模型
• 2.2 公路汽油池火灾热释放率模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 FDS 数值模拟开放空间火灾温度场实验验证
• 3.1 开放空间火灾数值模拟研究
• 3.1.1 火灾数值模拟控制方程
• 3.1.2 火灾湍流流动的数值模拟
• 3.2 FDS 实验验证
• 3.2.1 油罐火灾的实验研究
• 3.2.2 FDS 模拟火灾场景
• 3.3 本章小结
• 第四章 公路桥梁火灾瞬态空间温度场数值模拟
• 4.1 火灾物理模型的建立
• 4.1.1 火灾模型假定
• 4.1.2 边界条件
• 4.1.3 火源的设定
• 4.1.4 火灾模型坐标
• 4.2 热源
• 4.3 公路火灾大气空间温度场数值分析
• 4.3.1 数值模拟采用的释热率时程曲线
• 4.3.2 温度场温度随释热率变化趋势
• 4.3.3 恒定温度场
• 4.3.4 恒定温度场温度变化规律
• 4.4 公路火灾下钢结构构件表面的温度及热流密度变化数值模拟
• 4.4.1 数值模拟采用的释热率时程曲线
• 4.4.2 各工况火灾下钢结构构件的升温数值模拟
• 4.4.3 火灾下钢构件截面尺寸对其表面温度及热流密度变化过程的影响
• 4.4.4 各工况火灾下钢结构构件表面温度与周围温度场温度比较
• 4.5 公路火灾下悬索桥吊索表面温度及热流密度变化过程
• 4.5.1 悬索桥吊索
• 4.5.2 车辆火灾各工况下悬索桥吊索表面温度及热流密度变化过程
• 4.5.3 汽油池火灾各工况下悬索桥吊索表面温度及热流密度变化过程
• 4.5.4 车辆火灾各工况下悬索桥吊索表面温度Tt 2及热流密度HFt 2汇总
• 2400汇总'>4.5.5 油池火灾各工况下悬索桥吊索表面温度T2400及热流密度HF₂400汇总
• 4.6 公路火灾下直径 20cm 拉索表面温度及热流密度变化过程
• 4.6.1 斜拉桥拉索
• 4.6.2 车辆火灾各工况下直径 20cm 拉索表面温度及热流密度变化过程
• 4.6.3 油池火灾各工况下直径 20cm 拉索表面温度及热流密度变化过程
• t2汇总'>4.6.4 车辆火灾各工况下直径 20cm 拉索表面温度Tt 2及热流密度HF_t2汇总
• 2400汇总'>4.6.5 油池火灾各工况下直径 20cm 拉索表面温度T 2400及热流密度HF₂400汇总
• 4.7 公路火灾下悬索桥主缆表面温度及热流密度变化过程
• 4.7.1 悬索桥主缆
• 4.7.2 主缆截面尺寸对其表面温度及热流密度变化过程的影响
• 4.7.3 车辆火灾各工况下主缆表面温度及热流密度变化过程
• 4.7.4 油池火灾各工况下主缆表面温度及热流密度变化过程
• t2汇总'>4.7.5 火灾各工况下 0.4m 直径主缆表面温度Tt 2及热流密度HF_t2汇总
• t2汇总'>4.7.6 火灾各工况下 1.0m 直径主缆表面温度Tt 2及热流密度HF_t2汇总
• 4.8 本章小结
• 第五章 大跨径缆索承重桥梁热—结构耦合方法研究
• 5.1 大跨径缆索承重桥梁
• 5.2 高温下钢材的材料性能
• 5.2.1 高温下钢材的热物理性能
• 5.2.2 高温下钢材的力学性能
• 5.3 热—结构耦合分析
• 5.3.1 传热学基本理论
• 5.3.2 热传导的有限元法
• 5.3.3 热—结构耦合分析方法
• 5.4 本章小结
• 第六章 大跨径缆索承重桥梁火灾热—结构耦合数值分析
• 6.1 悬索桥火灾分析
• 6.1.1 主缆安全距离的确定
• 6.1.2 吊索安全距离的确定
• 6.1.3 悬索桥实例分析
• 6.2 斜拉桥火灾分析
• 6.2.1 斜拉索安全距离的确定
• 6.2.2 苏通大桥火灾分析
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢