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        火荷載下混凝土箱梁溫度場(chǎng)分布與變形分析

        2011-05-04 08:41:08王翠娟
        鐵道建筑 2011年7期
        關(guān)鍵詞:箱形簡(jiǎn)支梁保護(hù)層

        張 崗,王翠娟

        (長(zhǎng)安大學(xué) 交通行業(yè)舊橋檢測(cè)與加固重點(diǎn)試驗(yàn)室,西安 710064)

        目前,各種結(jié)構(gòu)火災(zāi)時(shí)有發(fā)生,鐵路橋梁火災(zāi)也不可忽視,受到了設(shè)計(jì)維護(hù)及研究人員的廣泛關(guān)注?;馂?zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)承載力降低主要有兩方面原因[1-7]:火災(zāi)荷載作用下混凝土和鋼筋材料性能、工作性能劣化;鐵路橋梁結(jié)構(gòu)承載重量大,發(fā)生火災(zāi)后,在重載作用下容易坍塌。著名學(xué)者對(duì)火災(zāi)下各種形式的柱以及多種組合結(jié)構(gòu)做了深刻的研究,進(jìn)行了大量的試驗(yàn),并提出了火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的加固方案及安全評(píng)價(jià)方法。鋼筋混凝土 T梁承載能力強(qiáng),應(yīng)用廣泛,然而一旦發(fā)生火災(zāi),在重荷載作用下非常危險(xiǎn)。本文在各國(guó)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,引入William-Warnker五參數(shù)強(qiáng)度模型和非線性本構(gòu)關(guān)系,分析了鋼筋混凝土T梁火災(zāi)下的截面溫度分布,研究了高溫下的撓度時(shí)變效應(yīng)及破壞形式。

        1 工程背景

        圖1為箱梁結(jié)構(gòu)截面尺寸及構(gòu)造。由圖1(a)可知,某混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁,跨長(zhǎng)均為16.0 m,截面頂板寬度為3.2 m,底板寬度為1.7 m,梁截面高度為1.7 m,腹板高度為1.3 m,懸臂板端部厚度為0.3 m,懸臂板根部厚度為0.4 m,頂板厚度為0.15 m,底板厚度為0.28 m,上部倒角為30 cm×20 cm,下部倒角為20 cm×20 cm。由圖1(b)可知,C為混凝土保護(hù)層厚度,在計(jì)算中C取不同的值分析其對(duì)火荷載作用下箱梁跨中撓度的影響程度。

        圖1 箱梁結(jié)構(gòu)截面尺寸及構(gòu)造(單位:cm)

        2 熱溫模式

        國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO834)建議的建筑構(gòu)件抗火試驗(yàn)曲線如圖2所示,其計(jì)算表達(dá)式為

        式中,T0表示試驗(yàn)爐內(nèi)的初始溫度(℃);T(t)表示燃燒開(kāi)始后t min時(shí)試驗(yàn)爐的空氣平均溫度(℃)。

        如圖2所示,ISO834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度—時(shí)間曲線,升溫過(guò)程單調(diào),無(wú)論燃燒時(shí)間多長(zhǎng),溫度呈對(duì)數(shù)曲線光滑上升,始終沒(méi)有衰減熄滅過(guò)程。作為一個(gè)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),它在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火試驗(yàn)、高溫性能分析或抗火極限驗(yàn)算中統(tǒng)一應(yīng)用,可保證結(jié)構(gòu)具有一致的抗火性能,并可對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷計(jì)算和抗火安全性及火后評(píng)價(jià)。針對(duì)強(qiáng)外熱場(chǎng)景的設(shè)定,對(duì)于強(qiáng)熱區(qū)的抗火計(jì)算和焰圍域的溫度,選擇式(1)進(jìn)行分析。

        3 SFM箱形截面梁分析

        3.1 分析模型

        圖3為鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁火災(zāi)模型。如圖3所示,混凝土采用 C50,主拉鋼筋采用Ⅲ級(jí)鋼,詳細(xì)尺寸參見(jiàn)圖1。采用整跨受熱模式,箱室外側(cè)(除頂板頂面)和翼緣板底面升溫(按標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)ISO834升溫曲線加熱),所受均布荷載為 q kN/m(不含自重),計(jì)算火災(zāi)高溫200 min不同保護(hù)層厚度和不同荷載等級(jí)下鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁的變形狀況;分析其撓度時(shí)變效應(yīng)過(guò)程,確定耐火極限。

        圖2 標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度—時(shí)間曲線

        表1為鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁火災(zāi)模型設(shè)計(jì)參數(shù)。

        圖3 火災(zāi)場(chǎng)鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁模型

        表1 火災(zāi)模型梁設(shè)計(jì)參數(shù)

        3.2 高溫場(chǎng)分析

        圖4為火災(zāi)高溫場(chǎng)鋼筋混凝土箱形截面梁隨火延時(shí)間的溫度分布云圖。分析圖4說(shuō)明:由于箱梁外側(cè)和翼緣板下側(cè)受火,所以迎火側(cè)溫度相對(duì)其它部位較高;從箱形截面外側(cè)到內(nèi)側(cè),火災(zāi)溫度逐漸降低,呈明顯的梯度分布;隨著火災(zāi)時(shí)間的延伸,高溫層逐漸向內(nèi)擴(kuò)展,擴(kuò)展寬度遞增,由于混凝土箱梁腹板、底板厚度較小,火災(zāi)高溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng),高溫會(huì)穿透腹板和底板,使得整個(gè)箱室的溫度升高,從而改變了整個(gè)箱室內(nèi)部的環(huán)境溫度。

        圖4(c)和圖4(d)給出了火災(zāi)高溫場(chǎng)鋼筋混凝土箱形截面梁和實(shí)心截面梁隨火延時(shí)間的等溫線,具有空腔薄壁結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的特色。根據(jù)流固耦合熱傳導(dǎo)模式可知,封閉空腔結(jié)構(gòu)中的氣體對(duì)流熱耦合效應(yīng)具有影響,混凝土箱形截面屬于空腔薄壁結(jié)構(gòu),空腔內(nèi)氣體有熱對(duì)流傳導(dǎo)作用,能夠改變空腔附近的溫度分布形狀,擴(kuò)展等溫線分布的寬度,空腔截面近腔處等溫線值比同等條件下實(shí)心截面等溫線偏高。由此看出,在火災(zāi)高溫場(chǎng)中,空腔薄壁結(jié)構(gòu)截面的溫度擴(kuò)展效應(yīng)較實(shí)心截面顯著,從而導(dǎo)致明顯的力學(xué)效應(yīng),空腔薄壁截面結(jié)構(gòu)的變形大于同等條件下實(shí)心截面結(jié)構(gòu)的變形。

        圖4 火災(zāi)模型截面溫度梯度分布

        3.3 形變分析

        圖5為不同保護(hù)層厚度相應(yīng)荷載比下鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁跨中撓度時(shí)程曲線。分析圖5說(shuō)明,火延20 min內(nèi)跨中撓度基本無(wú)變化、火延20 min后跨中撓度大約呈緩拋物線下降,整個(gè)火延期內(nèi)混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁跨中撓度時(shí)程曲線隨火災(zāi)時(shí)間的延伸呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì),隨荷載比的增加而增大,撓度時(shí)程曲線增大的程度隨保護(hù)層厚度增加而減小。由圖5(a)可知,混凝土保護(hù)層為3 cm、荷載比ζ=1.0時(shí),火延時(shí)間100 min跨中撓度為90 mm、150 min跨中撓度值為140 mm、200 min跨中撓度值為220 mm;荷載比 ζ=1.5時(shí),火延時(shí)間 100 min跨中撓度為 100 mm、150 min跨中撓度值為170 mm、200 min跨中撓度值為260 mm;荷載比ζ=2.0時(shí),火延時(shí)間100 min跨中撓度為150 mm、150 min跨中撓度值為210 mm、200 min跨中撓度值為320 mm。

        由圖5(b)可知,混凝土保護(hù)層為4 cm、荷載比ζ=1.0時(shí),火延時(shí)間100 min跨中撓度為70 mm、150 min跨中撓度值為120 mm、200 min跨中撓度值為170 mm;荷載比ζ=1.5時(shí),火延時(shí)間100 min跨中撓度為90 mm、150 min跨中撓度值為 150 mm、200 min跨中撓度值為220 mm;荷載比 ζ=2.0時(shí),火延時(shí)間 100 min跨中撓度為120 mm、150 min跨中撓度值為180 mm、200 min跨中撓度值為250 mm。

        由圖5(c)可知,混凝土保護(hù)層為5 cm、荷載比ζ=1.0時(shí),火延時(shí)間100 min跨中撓度為60 mm、150 min跨中撓度值為100 mm、200 min跨中撓度值為150 mm;荷載比ζ=1.5時(shí),火延時(shí)間100 min跨中撓度為80 mm、150 min跨中撓度值為 130 mm、200 min跨中撓度值為180 mm;荷載比 ζ=2.0時(shí),火延時(shí)間 100 min跨中撓度為90 mm、150 min跨中撓度值為 150 mm、200 min跨中撓度值為210 mm。

        圖6為火災(zāi)高溫200 min不同保護(hù)層厚度各荷載等級(jí)下鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁跨中撓度比較。由圖6可知,火災(zāi)高溫200 min時(shí),鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁撓度隨荷載比的增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),荷載比<1.0時(shí),跨中撓度隨荷載比變化平緩;荷載比為2.0時(shí),跨中撓度顯著增大。當(dāng)保護(hù)層厚度分別為5 cm和4 cm時(shí),鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁火災(zāi)高溫200 min,荷載比ζ=1.0時(shí)、跨中撓度值不大于170 mm,荷載比ζ=1.5時(shí)、跨中撓度值不大于210 mm,荷載比 ζ=2.0時(shí)、跨中撓度值不大于250 mm;保護(hù)層厚度為3 cm時(shí),鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁火災(zāi)高溫200 min,荷載比ζ=2.0時(shí),跨中撓度值為320 mm,其值遠(yuǎn)大于混凝土保護(hù)層為4 cm和5 cm相應(yīng)荷載等級(jí)的撓度值,大約為混凝土保護(hù)層4 cm和5 cm相應(yīng)荷載比的撓度值的1.5倍。提高混凝土保護(hù)層厚度,可減小火災(zāi)高溫場(chǎng)鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁的跨中撓度,有效控制火災(zāi)高溫場(chǎng)鋼筋混凝土箱形截面簡(jiǎn)支梁的變形。

        圖5 不同保護(hù)層厚度各荷載比撓度時(shí)程曲線

        圖6 200 min不同保護(hù)層厚度各荷載等級(jí)撓度比較

        4 結(jié)論

        1)熱傳導(dǎo)及熱輻射的速度與測(cè)點(diǎn)至混凝土表面的距離相關(guān),測(cè)點(diǎn)靠近混凝土表面,升溫快;遠(yuǎn)離混凝土表面,升溫緩慢。

        2)混凝土箱形截面梁隨火災(zāi)場(chǎng)溫度的升高,高溫度區(qū)會(huì)穿透混凝土薄壁層,致使箱梁的有效區(qū)域完全破壞;并且,混凝土箱形截面屬于空腔薄壁結(jié)構(gòu),空腔內(nèi)氣體有熱對(duì)流傳導(dǎo)作用,能夠改變空腔附近截面的溫度分布,擴(kuò)展等溫線分布的寬度,比實(shí)心截面等溫線偏高。

        3)整跨受熱模式下鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁跨中撓度時(shí)程曲線隨荷載等級(jí)的增加呈非線性變化趨勢(shì),撓度時(shí)程曲線增大的程度隨保護(hù)層厚度增加而減小,火延時(shí)間對(duì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁跨中撓度有較大影響。因此,控制火災(zāi)時(shí)間或者提高混凝土保護(hù)層厚度,可有效控制火災(zāi)高溫場(chǎng)鋼筋混凝土橋梁的撓度值。

        [1]張崗,賀拴海.時(shí)變對(duì)流模式混凝土箱梁厚壁結(jié)構(gòu)內(nèi)生熱場(chǎng)分布[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,30(2):64-69.

        [2]張崗,賀拴海,任偉.火災(zāi)高溫下 RC簡(jiǎn)支梁極限彎矩計(jì)算模型研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2010,34(1):134-136.

        [3]張崗,賀拴海.混凝土箱梁熱—力耦合模型與剪力滯時(shí)變效應(yīng)[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,11(2):131-136.

        [4]張崗,賀拴海,王翠娟.火災(zāi)后混凝土橋梁高溫場(chǎng)優(yōu)權(quán)評(píng)判方法與安全評(píng)價(jià)[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2011,10(6):211-215.

        [5]張崗,王亞堃,王翠娟.過(guò)火混凝土橋梁評(píng)價(jià)方法及耐久性損傷評(píng)估模型[J].公路交通科技(學(xué)術(shù)版),2010,27(9):88-92.

        [6]陳夢(mèng)成,袁方,許開(kāi)成.鋼管微膨脹混凝土的水化熱與限制膨脹性能分析[J].鐵道建筑,2010(8):133-136.

        [7]李竹,王文達(dá),于清.地下工程中鋼管混凝土柱的抗火計(jì)算與實(shí)踐[J].鐵道建筑,2009(9):60-63.

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