火灾过程预应力混凝土梁桥力学性能分析及灾后评价方法
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摘要
目前我国道路桥梁基础建设发展迅速，高速公路中桥梁的比例较高，而且多为箱型截面的预应力混凝土梁式桥。伴随而来的是各类桥梁灾害频发，其中火灾对桥梁的结构安全造成了严重威胁，甚至存在着导致桥梁垮塌的风险。因此，有必要对预应力混凝土箱梁桥在火灾高温下的抗火性能进行研究。由于火灾试验的费用较高、缩尺模型存在缩尺比问题、并且不能模拟复杂边界条件，本文通过有限元方法针对预应力混凝土箱梁桥进行了高温下桥梁结构力学性能分析，并对灾后预应力桥梁评价方法进行了深入研究。主要内容如下：
研究了国内外有关混凝土和预应力钢筋的热工参数随温度变化规律，进行对比分析，确定出适用于预应力箱梁桥温度场分析所需的热工性能指标。并对国内外有关混凝土和预应力钢筋的高温下及高温后各项力学性能指标随温度变化规律进行了研究，确定出适用于预应力箱梁桥位移场分析所需的热力参数指标。
基于热力学基本原理，推导有限元求解温度场的基本方法和步骤。采用瞬态分析法，对箱梁跨中截面火灾温度场进行非线性分析，获得了在标准升温曲线下的箱梁火灾温度分布规律。并通过对ANSYS的二次开发，编制了温度场计算软件，为高温桥梁截面温度场分布的确立提供的依据。
对有限元法求解有粘结预应力结构位移场的过程进行了理论推导。并在此础上，采用热-结构间接耦合的方法，主要对预应力混凝土箱梁桥的高温位移场进行了非线性求解分析，并对受火时间、受火位置、翼缘板长度、外荷载大小、预应力度、配束率、保护层厚度、截面尺寸、跨径长度及混凝土强度等级等影响因素进行了计算分析，获得了它们对箱梁跨中挠度的影响规律。通过以上敏感参数的分析计算确定预应力箱梁桥火灾高温下影响结构受力的主要因素，为预应力箱梁抗火设计提供依据。
提出了针对预应力混凝土梁桥高温受火后的受损诊断程序，基于多级模糊综合评价法，确定预应力混凝土桥梁评价因子及其权值，采用横张增量法进行灾后有效预应力测试，建立了有关预应力损失、混凝土强度折减及梁体烧损深度的评价模型，为预应力混凝土桥梁火灾后评估加固提供依据。
The basic construction of road and bridge has been developed rapidly at present in ourcountry. Most bridges, with high proportion in highway, are pre-stressed concrete box sectionbeam bridge. As various bridge disasters taking place frequently, fire cause serious threat tostructural security of bridge, even the risk of bridge collapse existed. It is necessary to studythe fire resistance of pre-stressed concrete box girder bridge on the condition of hightemperature fire. Due to the high cost of fire experiment, scaled ratio of scaled model andnon-simulation of complex boundary conditions, the bridge structure mechanical property inhigh temperature by finite element method is analyzed in this paper, aiming at pre-stressedconcrete box girder bridge. Main content as follow:
With the study of the law on thermal parameter of concrete and pre-stressed iron varywith temperature at home and abroad, the indexes of thermal function suitable for the analysisto pre-stressed box girder temperature field are settled. Besides, the indexes of thermalparameters applicable to the analysis of pre-stressed box girder displacement field isdetermined by the domestic and overseas research on various mechanical properties ofconcrete and pre-stressed iron under and after hyperthermia changing with temperature.
Basic method and steps of solving temperature field are finite element deduced, based onfundamental thermodynamics theories. With transient analysis method, the temperaturedistribution law of box girder fire disasters under standard fire curve is obtained by nonlinearanalysis towards fire temperature field of box girder mid-span section. Moreover, temperaturefield calculating software is made through secondary development of ANSYS to provideevidence for establishing temperature field distribution of hyperthermia bridge section.
Theoretical derivation is made by the process of solving cohesive prestress structuredisplacement field with finite element method. On this basis with thermal structure method,hyperthermia displacement field of pre-stressed concrete girder box bridges is nonlinearlyanalyzed and solved. Factors such as fire duration, fire position, length of flange plate, size ofexternal load, prestress degree, steel beam, thickness of protective layer, section size, lengthspan and concrete strength are calculated and analyzed in order to find the their influence law on deflection of girder box span. Main factors of influencing structure stress of pre-stressedgirder box bridge under high temperature are determined through the analysis of abovesensitivity parameters computation to provide evidence for the design of pre-stress girder boxfire-resistance.
The procedure of damage diagnosis is provided for pre-stress concrete bridge after hightemperature and fire, base on multilevel fuzzy comprehensive evaluation method to determineevaluation factors and weights of concrete bridge. Evaluation model of pre-stress loss andconcrete strength reduction and girder body burning depth is built, adopted verticallyincrement method to test effective prestress after-fire.
研究了国内外有关混凝土和预应力钢筋的热工参数随温度变化规律，进行对比分析，确定出适用于预应力箱梁桥温度场分析所需的热工性能指标。并对国内外有关混凝土和预应力钢筋的高温下及高温后各项力学性能指标随温度变化规律进行了研究，确定出适用于预应力箱梁桥位移场分析所需的热力参数指标。
基于热力学基本原理，推导有限元求解温度场的基本方法和步骤。采用瞬态分析法，对箱梁跨中截面火灾温度场进行非线性分析，获得了在标准升温曲线下的箱梁火灾温度分布规律。并通过对ANSYS的二次开发，编制了温度场计算软件，为高温桥梁截面温度场分布的确立提供的依据。
对有限元法求解有粘结预应力结构位移场的过程进行了理论推导。并在此础上，采用热-结构间接耦合的方法，主要对预应力混凝土箱梁桥的高温位移场进行了非线性求解分析，并对受火时间、受火位置、翼缘板长度、外荷载大小、预应力度、配束率、保护层厚度、截面尺寸、跨径长度及混凝土强度等级等影响因素进行了计算分析，获得了它们对箱梁跨中挠度的影响规律。通过以上敏感参数的分析计算确定预应力箱梁桥火灾高温下影响结构受力的主要因素，为预应力箱梁抗火设计提供依据。
提出了针对预应力混凝土梁桥高温受火后的受损诊断程序，基于多级模糊综合评价法，确定预应力混凝土桥梁评价因子及其权值，采用横张增量法进行灾后有效预应力测试，建立了有关预应力损失、混凝土强度折减及梁体烧损深度的评价模型，为预应力混凝土桥梁火灾后评估加固提供依据。
The basic construction of road and bridge has been developed rapidly at present in ourcountry. Most bridges, with high proportion in highway, are pre-stressed concrete box sectionbeam bridge. As various bridge disasters taking place frequently, fire cause serious threat tostructural security of bridge, even the risk of bridge collapse existed. It is necessary to studythe fire resistance of pre-stressed concrete box girder bridge on the condition of hightemperature fire. Due to the high cost of fire experiment, scaled ratio of scaled model andnon-simulation of complex boundary conditions, the bridge structure mechanical property inhigh temperature by finite element method is analyzed in this paper, aiming at pre-stressedconcrete box girder bridge. Main content as follow:
With the study of the law on thermal parameter of concrete and pre-stressed iron varywith temperature at home and abroad, the indexes of thermal function suitable for the analysisto pre-stressed box girder temperature field are settled. Besides, the indexes of thermalparameters applicable to the analysis of pre-stressed box girder displacement field isdetermined by the domestic and overseas research on various mechanical properties ofconcrete and pre-stressed iron under and after hyperthermia changing with temperature.
Basic method and steps of solving temperature field are finite element deduced, based onfundamental thermodynamics theories. With transient analysis method, the temperaturedistribution law of box girder fire disasters under standard fire curve is obtained by nonlinearanalysis towards fire temperature field of box girder mid-span section. Moreover, temperaturefield calculating software is made through secondary development of ANSYS to provideevidence for establishing temperature field distribution of hyperthermia bridge section.
Theoretical derivation is made by the process of solving cohesive prestress structuredisplacement field with finite element method. On this basis with thermal structure method,hyperthermia displacement field of pre-stressed concrete girder box bridges is nonlinearlyanalyzed and solved. Factors such as fire duration, fire position, length of flange plate, size ofexternal load, prestress degree, steel beam, thickness of protective layer, section size, lengthspan and concrete strength are calculated and analyzed in order to find the their influence law on deflection of girder box span. Main factors of influencing structure stress of pre-stressedgirder box bridge under high temperature are determined through the analysis of abovesensitivity parameters computation to provide evidence for the design of pre-stress girder boxfire-resistance.
The procedure of damage diagnosis is provided for pre-stress concrete bridge after hightemperature and fire, base on multilevel fuzzy comprehensive evaluation method to determineevaluation factors and weights of concrete bridge. Evaluation model of pre-stress loss andconcrete strength reduction and girder body burning depth is built, adopted verticallyincrement method to test effective prestress after-fire.
引文
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