火灾对钢拱桥承载力影响及自动报警系统研究

论文摘要

钢拱桥是一种历史并不久远的桥型，是随着工业革命的兴起而大力发展出来的结构形式，以其强劲的力度感、优美的曲线造型在大跨径拱桥中赢得了一席之地。桥梁作为现代交通运输系统重要的组成部分，一旦发生火灾将会带来严重的经济损失和恶劣的社会影响，所以开展钢拱桥火灾后力学性能以及桥梁报警系统的研究很有必要。本文主要着重于研究高温对结构整体力学性能以及线形的影响，采用基于计算的结构抗火研究方法，建模计算时采用ANSYS有限元软件，对上承式钢拱桥拱上立柱及拱肋弦杆在局部受火情况的每一阶段进行了具体分析，另外提出了适用于桥梁的火灾自动报警系统，本文的主要研究工作如下：①对现有的高温下钢材热物理特性和力学性能变化规律，以及高温下钢材应力应变曲线进行了归纳与总结；②基于Rubert.A和Schaumann.P的试验建立有限元分析模型，并对结果进行比较分析，验证了ANSYS有限元软件的正确性以及所采用系数的准确性；③研究火灾下上承式钢拱桥桥面线形和拱肋线形，指出了变化规律并分析了跨中和1/4跨的拱上立柱在火灾作用下影响范围；④分析指出了火灾下拱上立柱和与受火立柱相应的拱肋内力的变化规律；⑤分析指出三种位置拱肋弦杆受火时的临界温度和屈服时间；⑥提出了一套适用于桥梁的火灾自动报警系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 火灾的危害
• 1.1.2 桥梁抗火与报警系统研究意义
• 1.2 国内外桥梁抗火与报警系统研究现状
• 1.2.1 国内外抗火研究现状
• 1.2.2 国内外报警系统研究现状
• 1.3 桥梁抗火
• 1.3.1 桥梁抗火研究
• 1.3.2 钢拱桥抗火研究
• 1.4 本文的研究内容和目标
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究目标
• 第二章 高温下钢材的材料特性
• 2.1 高温下钢材的热物理特性
• 2.1.1 钢材的热传导系数
• 2.1.2 钢材的比热
• 2.1.3 钢材的热膨胀系数
• 2.1.4 钢材的质量密度
• 2.2 高温下钢材的力学特性
• 2.2.1 屈服强度
• 2.2.2 弹性模量
• 2.2.3 泊松比
• 2.2.4 应力应变关系模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 火源模型及热传导分析的有限单元法
• 3.1 火灾升温过程
• 3.2 火灾升温曲线
• 3.3 火灾的数值模拟方法
• 3.3.1 场模拟
• 3.3.2 区域模拟
• 3.3.3 经验模拟
• 3.4 传热学基本知识
• 3.4.1 温度场
• 3.4.2 热量传递的三种方式
• 3.5 热分析理论简介
• 3.5.1 稳态传热
• 3.5.2 瞬态传热
• 3.6 温度场的初始条件和边界条件
• 3.7 有限单元法在热分析中的应用
• 3.7.1 稳态热传导分析的有限单元法
• 3.7.2 瞬态传热的有限单元法
• 3.8 热变形与热应力计算
• 3.9 结构非线性有限元理论
• 3.9.1 屈服准则
• 3.9.2 加载准则
• 3.9.3 与 Mises 屈服条件相关的流动法则
• 3.9.4 热弹塑性有限元法
• 3.10 本章小结
• 第四章 钢拱桥火灾反应分析
• 4.1 ANSYS 有限元软件中的热结构分析
• 4.1.1 热分析模型
• 4.1.2 结构分析模型
• 4.1.3 实验算例验证计算
• 4.2 受火后对钢拱桥线形的影响分析
• 4.2.1 火灾对桥面线形影响
• 4.2.2 对拱肋线形的影响
• 4.3 火灾对钢拱桥承载力的影响
• 4.3.1 对钢拱桥立柱承载力的影响
• 4.3.2 立柱应力的影响
• 4.3.3 对钢拱桥拱肋承载力的影响
• 4.4 拱肋受火时临界温度的确定
• 4.4.1 拱肋单弦受火时临界温度
• 4.4.2 拱肋两根弦受火时临界温度
• 4.5 本章小结
• 第五章 桥梁火灾报警系统的设计
• 5.1 火灾自动报警系统原理
• 5.1.1 区域报警系统
• 5.1.2 集中报警系统
• 5.1.3 控制中心报警系统
• 5.2 桥梁火灾探测器选用
• 5.2.1 火灾探测器种类
• 5.2.2 适用于桥梁的火灾探测器选用
• 5.3 桥梁火灾控制器选用
• 5.3.1 火灾控制器种类
• 5.3.2 火灾报警控制器工作原理
• 5.4 桥梁火灾自动报警系统设计
• 5.4.1 报警系统的结构
• 5.4.2 报警系统的构成
• 5.4.3 平面系统设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文主要成果
• 6.2 今后的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及参与的科研项目