局部火灾下混凝土箱梁悬臂板变形与有效分布宽度

针对受火后混凝土箱梁悬臂板的挠变与塌裂耦合灾害,利用热-力耦合方法对局部火灾模式下混凝土箱梁高温场、悬臂板变形及有效分布宽度进行了分析,研究了混凝土箱梁单侧局部火灾高温强热模式,计算了此模式下混凝土箱梁横桥向和纵桥向温度场的分布状态,分析了迎火面和背火面悬臂板变形和有效分布宽度随延火时间与荷载比的变化规律。研究结果表明:箱梁单侧腹板和翼缘板下侧受火,迎火面温度相对其他部位较高,背火区温度无变化,火温从箱形截面外侧到内侧呈明显的半渗层状梯度分布;顺桥向温度梯度线以强热区为中心沿跨径呈层流状分布,火灾的局部效应显著;迎火面悬臂板挠度随延火时间的增加逐渐增大,背火面悬臂板挠度随延火时间的增加直线下降,迎火面悬臂板挠度变化趋势明显大于背火面悬臂板挠度的变化趋势,并且挠度随荷载比的增加呈非线性增长关系;迎火面悬臂板有效分布宽度随延火时间的增加而减小,背火面悬臂板有效分布宽度随延火时间的增加而增大。研究可为桥梁的抗火设计实用方法的提出与火灾后桥梁加固提供依据。     

油罐车火灾下考虑混凝土高温爆裂的PC箱梁承载能力

针对油罐车火灾对预应力混凝土桥梁的破坏过程,选取桥梁工程建设中应用较为广泛的预应力混凝土(PC)箱梁为研究对象,建立油罐车火灾下预应力混凝土箱梁桥混凝土高温爆裂的"三级指标",并设定了相应油罐车火灾下混凝土的爆裂场景,采用单元生死技术模拟混凝土高温爆裂特征,分析考虑混凝土高温爆裂的预应力混凝土箱梁截面温度场的完整分布形态,计算混凝土不同高温爆裂指标下的预应力混凝土箱梁极限承载能力,拟合并建立计算公式。研究结果表明:截面关键点的温度曲线呈三阶段上升趋势;爆裂导致混凝土截面的温度在传导过程中产生突变,温度分布以爆裂后截面形态分层递进;混凝土的高温爆裂使钢束、钢筋的强度显著下降;混凝土的爆裂深度越大,正截面抗弯承载能力下降越快;混凝土发生重度爆裂,延火时间180min时,箱梁跨中截面的抗弯承载能力从未爆裂时的60.73%降至14.87%,箱梁L/4截面(L为跨径)的抗弯承载能力从未爆裂时的64.37%降至19.37%;混凝土高温爆裂不同深度下预应力混凝土箱梁桥抗弯承载能力衰变呈现多阶段特征。混凝土爆裂对预应力混凝土箱梁的截面温度分布和抗弯承载能力影响显著,提出的考虑爆裂的承载能力计算公式简单实用。     

火灾作用下预应力连续梁桥的力学性能分析

为研究火灾对预应力连续梁桥力学性能的影响,以福建某受火连续箱梁桥为背景,参考桥梁火灾的现场资料,确定模型的边界条件,选取适当的混凝土、预应力筋本构模型,考虑混凝土及钢筋热工参数随温度的变化,通过对火灾时桥梁的瞬态温度场分析,得出温度随时间和空间的变化,并分别比较在自重作用下以及车道荷载作用下火灾前和火灾时桥梁的力学性能变化,研究火灾对桥梁中混凝土、预应力筋等材料的影响.结果表明,对大跨度桥梁结构来说,火灾后,结构的传热速度相对较慢,热量从受火面向非受火面逐渐扩散,温度呈平流状分布;火灾发生后,混凝土材料强度的损失要远远高于预应力筋强度的损失.     

油罐车火灾下钢-混组合连续箱梁性能及失效机理

针对钢-混组合连续箱梁在油罐车火灾下性能退化过程,以两跨钢-混组合连续箱梁为研究对象,采用热-力耦合计算方法,基于ANSYS软件建立有限元模型,在温度场中提取研究截面的控制点温度值,分析油罐车火灾下钢-混组合连续箱梁的温度场分布特点,得到其火灾下的竖向温度梯度,获得热-力耦合作用下所研究关键截面的荷载-位移曲线,揭示油罐车火灾下两跨钢-混组合连续箱梁极限承载力的衰减规律,并分析不同桥梁火灾场景下两跨钢-混组合连续箱梁的破坏过程。研究结果表明:桥下火灾时,钢-混组合连续箱梁的钢箱梁部位整体升温剧烈,根据距火源远近,钢梁温度从高到低依次为底板、腹板、翼板,混凝土整体升温幅度较小;桥面火灾时,混凝土板整体升温较桥下火灾时大,钢梁部位升温较桥下火灾时小,不同桥梁火灾场景下受火断面沿梁高方向均呈现较大的温度梯度;桥下火灾时极限承载力丧失较桥面火灾时更为严重,受火25min中支点附近受火极限承载力丧失95%以上,跨中受火时丧失约68%,边支点受火时丧失约64%,中支点附近受火发生屈曲破坏,跨中受火及边支点受火发生弯曲破坏;桥面受火25min极限承载力丧失较少,仅为29%,由于混凝土隔热作用显著,钢梁性能退化较少,最终在跨中位置形成塑性铰。     

油罐车火灾致简支钢-混组合箱梁抗弯承载力衰变机理

针对油罐车火灾导致的简支钢-混组合箱梁的极限破坏问题,选取某简支钢-混组合箱梁为研究对象,给出桥梁火灾与建筑火灾的区别及热-力耦合的火灾全过程数值计算方法和强度分区的等效计算方法,分析碳氢(HC)火灾下简支钢-混组合箱梁的截面温度分布特征,研究各构件强度衰变过程,揭示不同延火时间下正截面抗弯承载力的衰变机理,建立简支体系钢-混组合箱梁抗弯承载力与HC火灾的时程衰变阶段关系,通过截面抗弯承载力与荷载效应的对比得到简支钢-混组合箱梁在HC火灾下的破坏时间。研究结果表明:所提方法能够预测HC火灾下钢-混组合箱梁的温度响应和结构响应;截面测点温度平均值受各构件厚度的影响;有横隔板的断面温度峰值低于无横隔板的断面;HC火灾下简支钢-混组合箱梁跨中截面抗弯承载力随延火时间呈四阶段下降;前8min内跨中截面抗弯承载力保持初始状态,8～16min跨中截面抗弯承载力衰变率增大,16～48min截面中性轴特征逐渐发生改变,48min后结构破坏;简支钢-混组合箱梁在HC火灾下的灭火时间应该控制在8min之内;拟合建立的HC火灾下简支钢-混组合箱梁正截面抗弯承载力时程衰变四阶段计算公式,进一步明确了油罐车火灾下其抗弯承载力的衰变机理,该公式简单实用,可为桥梁抗火设计及智能评估提供依据。     

整跨火荷载下PC薄壁多室变宽箱梁桥的变形

针对火荷载作用下预应力混凝土薄壁多室箱梁桥的变形状况,基于温变模型和材料的热力参数,利用大型空间有限元程序ANSYS分析了三跨火荷载作用下预应力混凝土薄壁多室变宽箱梁桥的变形,研究了三跨受火、单跨加载和三跨受火、多跨加载模式,并分析了各模式三跨跨中最大挠度在单荷载比下随延火时间的变化规律。研究结果表明:整跨受火、单跨加载或多跨加载模式下,中跨跨中挠度在延火前期均下挠,延火后期有返挠和走平趋势;第一跨和第三跨的跨中挠度在整个延火期内随延火时间呈下挠趋势,均大于第二跨跨中挠度,延火前期第一跨跨中的挠度稍大于第三跨跨中的挠度,延火终期以第三跨的挠度值最为显著。三跨挠度值受箱梁的变宽结构形式、火荷载模式影响较大。     

钢板组合连续桥梁的耐火极限

针对油罐车火灾对钢结构桥梁造成的严重威胁,选取四跨双肋钢板组合连续梁(4×35 m)作为研究对象。根据油罐车火灾燃烧特点选取最为贴近的碳氢(HC)火灾升温曲线,以实际受火特征还原了4种受火模式,采用热-力耦合计算方法,建立有限元模型,并对模型有效性进行了验证。首先分析了油罐车火灾作用下钢板组合梁的温度场,然后推导了火灾下双肋钢板组合梁塑性抗弯承载力计算方法,基于温度场分析结果计算了油罐车火灾下钢板组合梁正弯矩区域的抗弯承载能力衰退曲线,分析4种火灾作用下钢板组合梁的挠度变化过程,采用抗弯承载力和挠度破坏准则得出组合梁的耐火极限;最后对4种火灾场景下钢板组合梁的破坏形态进行了分析。研究结果表明:油罐车火灾下,钢材整体升温幅度远大于混凝土,组合梁截面沿梁高方向出现明显的温度梯度,其最大值为1 020℃,这种温度梯度导致的热拱是钢板组合梁在延火初期下挠的主要原因;截面抗弯承载力在延火初期降低缓慢,在进入高温阶段后截面抗弯承载力急剧降低,最终在30 min左右降低至荷载效应以下,组合梁破坏;在火灾作用下组合梁挠度总体呈三阶段发展,边跨受火长度对组合梁挠度变化影响较大,边跨受火长度越大,挠度增长越快;采用挠度准则判断组合梁的破坏相较于抗力准则偏于不安全,并基于抗力破坏准则对挠度准则进行了修正;边跨在火灾作用下表现为整体垮塌破坏,中跨受火表现为混凝土板的挠曲破坏和钢梁的鼓胀破坏。     

爆燃火灾全程下多梁式PCT型梁桥剪力滞效应

针对火灾下预应力混凝土T(PCT)型梁桥顶板的开裂,利用热力耦合方法分析了爆燃火灾下4片预应力混凝土T梁桥的温度场和剪力滞时程演变规律。研究结果表明:火温全程T型梁翼缘板连接部位温度值高于翼缘板根部,呈现出以腹板与顶板交合部位为中心逐渐向翼缘板边缘部位呈稀疏温度带间隔梯度过渡的"V"状分布云;火温初时,恒载作用下顶板最大压应力位于两边肋顶部,最小压应力位于两边梁外侧悬臂板端部,单片梁体顶板呈负剪力滞状态,4片梁体顶板剪力滞呈"W"状,其峰值之比接近1.0;随火温时间延增,两中肋的应力峰值点出现在半悬臂板宽度处,应力变化幅值大于两边肋与四肋同时受火的顶板应力变化幅值,顶板部分出现拉应力;随火温时间延增,各片T梁顶板处于负剪力滞状态;研究可为预应力桥梁实用抗火设计提供依据。     

火灾后预应力混凝土连续板力学性能试验与分析

完成了7块火灾后两跨无黏结预应力混凝土单向连续板受力性能试验.基于试验结果,拟合出火灾后预应力混凝土连续板中无黏结筋剩余应力、极限应力的计算公式,提出了火灾后预应力混凝土连续板正截面承载力计算公式.根据火灾下温度场分布沿板厚方向将截面分条带,引入火灾后钢筋、混凝土本构关系,基于截面轴力、弯矩平衡,获得了火灾下预应力混凝土板任意截面的弯矩-曲率关系全曲线.基于支座变形协调方程,可用割线刚度法对支座反力进行迭代求解,计算板在外荷载(曲率荷载)与支座反力共同作用下的弯矩、挠度和支座位移,进而对截面曲率积分可求得连续板的变形.试验结果表明:初始有效应力越高、受火时间越长,火灾后连续板预应力钢丝应力损失越严重;保护层厚度越小、受火时间越长、荷载水平越大,火灾后板跨中截面承载力降低幅度越大;受火时间越长、荷载水平越大,板中支座截面承载力降低幅度越大.     

高温下无黏结预应力混凝土中钢绞线预应力的损失

对高温作用下无黏结预应力混凝土中钢绞线的预应力损失进行了试验研究,根据试验结果分析了高温作用下产生预应力损失的主要因素,并建立了高温作用下无黏结预应力混凝土结构预应力损失的计算模型.结果表明:在高温作用下,预应力混凝土结构会产生预应力损失,钢绞线的预应力损失随温度的升高而增大;试件完全冷却后,钢绞线的预应力损失会有所恢复,但钢绞线经历的温度越高,其恢复值就越小.受高温作用的预应力构件产生附加预应力损失的主要因素有高温作用下预应力钢筋的松弛和蠕变、混凝土的高温徐变和钢筋与混凝土的热膨胀差.高温作用下无黏结预应力混凝土结构预应力损失的计算模型可为无黏结预应力混凝土结构的抗火设计和火灾后预应力混凝土结构的评估提供参考.