一種大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法，具體是：首先，以吊索火災下破壞時間最短為依據(jù)，確定了懸索橋最危險火災場景，并獲得吊索相應(yīng)的極限承載力和懸索橋汽車燃燒極限狀態(tài)；其次，將不同導熱系數(shù)的防火材料的抗火性能進行對比，確定了硅酸鋁為懸索橋主纜和吊索的外包防火材料；再次，將硅酸鋁外包于主纜和吊索上進行熱分析，確定吊索和主纜外包防火層的厚度的取值區(qū)間；最后由吊索不同高度截面處溫度小于吊索破壞時的極限溫度，可獲得吊索的防護高度，計算出極限狀態(tài)時主纜縱向不同位置截面處的溫度場分布，為防止主纜最外層鋼絲溫度過高，獲得主纜的防護范圍。本發(fā)明可以推廣到其他纜索系統(tǒng)的橋梁上，具有較大的實際工程應(yīng)用價值。
【專利說明】一種大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及交通運輸業(yè)橋涵工程領(lǐng)域，具體是涉及一種大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法。
【背景技術(shù)】
[0002]懸索橋作為城市的重要交通通道，分擔了巨大的交通流量，橋梁運營中汽車燃燒風險不斷增大，一旦發(fā)生汽車燃燒突發(fā)事件，不僅會造成人員重大傷亡，導致橋梁交通陷于癱瘓，同時主纜和吊索作為橋梁結(jié)構(gòu)至關(guān)重要的構(gòu)件，由于其承受巨大的拉應(yīng)力，在汽車燃燒火災作用下，主纜和吊索抗拉極限承載力和彈性模量均會大幅下降，從而使懸索橋使用壽命大幅下降，增加橋梁修復難度，損失不可估量。目前國內(nèi)外主要進行了大量的建筑火災理論計算分析和相關(guān)的抗火試驗，對于大跨徑鋼-混組合懸索橋結(jié)構(gòu)中發(fā)生的火災，主要研究集中在采用有限元數(shù)值模擬計算分析橋梁結(jié)構(gòu)在火災作用下的力學性能響應(yīng)，并沒有根據(jù)具體的火災發(fā)生位置得到懸索橋最危險火災場景和相應(yīng)的極限承載力，也沒有進一步提出最危險場景下懸索橋抗火設(shè)置方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法，該方法計算分析懸索橋在不同火災場景下的橋梁結(jié)構(gòu)主纜和吊索的極限承載力，得出懸索橋危險火災場景，從而針對危險火災場景提出懸索橋抗火設(shè)置方法，確定主纜和吊索外包防火層的材料和厚度，并確定火災下吊索的防護高度和主纜的防護范圍，該方法具有較大的實際工程應(yīng)用價值。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明提供的大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法，具體是:確定懸索橋最危險火災場景，采用隨溫度變化的熱工參數(shù)計算得到高溫下橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載力，得到懸索橋汽車燃燒極限狀態(tài)，將不同導熱系數(shù)的防火材料的防火性能進行對比，確定了硅酸鋁為懸索橋主纜和吊索的外包防火材料，將硅酸鋁外包于主纜和吊索上進行熱分析，通過主纜和吊索的溫度隨防火層導熱系數(shù)和厚度變化曲線，確定硅酸鋁防火層厚度的取值區(qū)間，最后根據(jù)吊索不同高度截面處的溫度場分布獲得火災下吊索的防護高度h，根據(jù)主纜縱向不同位置截面處的溫度場分布獲得主纜的防護范圍。
[0006]本發(fā)明可以采用以下方法確定懸索橋的最危險火災場景，具體是:汽車燃燒位置橫橋向位于橋梁最外車道，縱橋向位于主纜豎向高度最低處，此位置距離懸索橋主纜吊索最近且主纜高度最低，為懸索橋危險火災場景，在危險火災場景下對橋梁結(jié)構(gòu)施加恒載+汽車活載，得到吊索抗破壞時間最短所對應(yīng)的場景為最危險火災場景。
[0007]本發(fā)明可以采用以下方法確定懸索橋汽車燃燒下極限狀態(tài)，具體是:當?shù)跛髟诨馂淖饔孟碌膽?yīng)力大于吊索高溫抗拉強度時，吊索會發(fā)生破壞，在最危險火災場景下，得到懸索橋隨時間變化的溫度場結(jié)果和高溫下隨時間變化的吊索的拉應(yīng)力σ (Τ)、抗拉強度f(T)、彈性模量E (Τ)，當O (T)=f (T)時，得到吊索的破壞時間tQ、吊索的極限承載力fQ、吊索極限溫度Ttl，此狀態(tài)為懸索橋火災的極限狀態(tài)。
[0008]本發(fā)明可以采用以下方法確定懸索橋主纜和吊索防火層厚度，具體是:將防火材料外包作用于吊索上，通過賦予外包防火層和其內(nèi)的吊索材料不同的熱屬性，建立外包防火層材料導熱系數(shù)λ和吊索鋼絲最高溫度T的關(guān)系曲線，并將吊索最高溫度T與火災極限狀態(tài)下的吊索極限溫度Ttl相比較，由T < Ttl確定外包防火層材料導熱系數(shù)的取值區(qū)間，從而最終確定外包防火層材料為硅酸鋁，改變硅酸鋁防火層的厚度，施加熱荷載，得到吊索最高溫度T隨防火層厚度d變化的關(guān)系曲線，根據(jù)火災極限狀態(tài)T < T0,確定吊索外包防火層的厚度的取值區(qū)間，計算得出極限狀態(tài)時主纜內(nèi)外層鋼絲溫度隨時間變化曲線，為防止主纜最外層鋼絲溫度過高，確定主纜外包防火層厚度的取值區(qū)間。
[0009]本發(fā)明可以采用以下方法確定火災下懸索橋吊索防護高度和主纜防護范圍，具體是:根據(jù)火源高度計算出吊索不同高度截面處的溫度場分布，得到不同截面高度吊索溫度隨時間變化的關(guān)系曲線，并與火災極限狀態(tài)下的吊索極限溫度Ttl相比較，由T < Ttl可獲得火災下吊索的防護高度；根據(jù)火源長度計算出極限狀態(tài)時主纜縱向不同位置截面處的溫度場分布，得到不同截面位置主纜內(nèi)外層鋼絲溫度沿縱橋向分布曲線，為防止主纜最外層鋼絲溫度過高，可獲得主纜的防護范圍。
[0010]本發(fā)明具有以下的主要優(yōu)點:
[0011]其一.確定了大跨徑懸索橋最危險火災場景和極限承載力。
[0012]其二.精確確定了懸索橋主纜和吊索外包防火層材料和防火層厚度。
[0013]其三.給出了火災下吊索的防護高度和主纜的防護范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為一種大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法實施流程圖。
[0015]圖2為三塔四跨鋼-混組合懸索橋精細化節(jié)段劃分示意圖。
[0016]圖3為三塔四跨懸索橋危險火災場景橫橋向示意圖。
[0017]圖4為二塔四跨懸索橋危險火災場景縱橋向不意圖。
[0018]圖5為油罐車火災作用下吊索拉應(yīng)力和抗拉強度隨時間變化曲線。
[0019]圖6為設(shè)置防火層吊索計算模型圖。
[0020]圖7為吊索溫度隨防火層導熱系數(shù)變化曲線。
[0021]圖8為不同防火層厚度的吊索溫度隨時間變化曲線。
[0022]圖9為吊索的溫度隨防火層厚度變化的關(guān)系曲線。
[0023]圖10為120min時吊索截面溫度隨截面高度變化曲線。
[0024]圖11為不同截面高度吊索溫度隨時間變化的關(guān)系曲線。
[0025]圖12為主跨跨中主纜溫度沿縱橋向分布圖。
[0026]圖13為邊墩處主纜溫度沿縱橋向分布圖。
[0027]圖中:1-5為主梁精細化節(jié)段，I為邊墩處C，Ba節(jié)段，2為邊跨跨中Aa節(jié)段，3為邊塔處D，E節(jié)段，4為主跨跨中Aa節(jié)段，5為數(shù)變化曲線中塔處F，G節(jié)段，6為懸索橋主纜，7為懸索橋吊索，8為吊索應(yīng)力，9為吊索抗拉強度，10為0.5cm厚硅酸鋁防火層，11為0.6cm厚硅酸鋁防火層，12為0.7cm厚硅酸鋁防火層，13為0.8cm厚硅酸鋁防火層，14為0.9cm厚硅酸鋁防火層，15為1.0cm厚硅酸鋁防火層，16為距主梁6m處吊索截面，17為距主梁7m處吊索截面，18為距主梁Sm處吊索截面，19為主跨跨中主纜最外層鋼絲，20為主跨跨中主纜最內(nèi)層鋼絲，21為邊墩處主纜最外層鋼絲，22為邊墩處主纜最內(nèi)層鋼絲。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明提供了一種大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法，該方法基于有限元理論，采用隨溫度變化的熱工參數(shù)，通過建立懸索橋熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型，以吊索抗破壞時間最短為依據(jù)，得到懸索橋最危險火災場景，計算得到懸索橋在最危險火災場景下的極限承載力。根據(jù)外包防火層材料的導熱系數(shù)與吊索溫度之間的關(guān)系曲線，確定防火層導熱系數(shù)取值區(qū)間，進行防火層材料選擇。在進行主纜和吊索外包防火層材料選擇后，通過賦予主纜和吊索不同厚度的外包防火層進行主纜和吊索的抗火性能分析，得到主纜和吊索的最高溫度隨防火層厚度變化的關(guān)系曲線，根據(jù)防火層作用下主纜和吊索的最高溫度小于吊索破壞時的極限狀態(tài)下的溫度，確定主纜和吊索外包防火層的厚度。最后計算吊索不同高度截面處的溫度場分布，根據(jù)吊索截面溫度小于吊索破壞時的極限溫度獲得火災下吊索的防護高度。根據(jù)火源長度計算出極限狀態(tài)時主纜縱向不同位置截面處的溫度場分布，得到不同截面位置主纜內(nèi)外層鋼絲溫度沿縱橋向分布曲線，為防止主纜最外層鋼絲溫度過高，可獲得主纜的防護范圍。本發(fā)明根據(jù)懸索橋的危險火災場景進行計算，能精確確定懸索橋主纜和吊索防火層厚度、吊索防護高度、主纜防護范圍。本發(fā)明的具體實施步驟如下(圖1):
[0029](I)采用全橋簡化模型，關(guān)鍵部位為三維空間實體模型的建模思路，以ANSYS有限元軟件系統(tǒng)為平臺，通過節(jié)點在三維空間上平動與轉(zhuǎn)動6個自由度保持一致，實現(xiàn)簡化模型單元和三維空間實體單元的平滑連接，根據(jù)熱傳導方程和能量守恒熱平衡方程，計算出結(jié)構(gòu)的溫度場，將其轉(zhuǎn)化成熱荷載，從而實現(xiàn)熱-結(jié)構(gòu)的有限元耦合，據(jù)此建立了三塔四跨懸索橋三維空間熱-結(jié)構(gòu)耦合精細化有限元模型。有限元模型中由于鋼和混凝土的熱工參數(shù)隨溫度變化明顯，故本發(fā)明采用隨溫度變化的熱工參數(shù)進行計算分析，具體公式如下:
[0030]I)導熱系數(shù):`[0031]

il.9-0.000857' (OsC < T < 800°C)
A (T) = ^(I)
[ 1.22 (7'>80(rc)
[0032]

1-0.0227- + 48 (0T； <T< 900°C)
I (T) =v
1 [ 28.2 (T > 900°C)⑵
[0033]式中:λ。(!0為混凝土的導熱系數(shù)函數(shù)，λ s(T)為鋼的導熱系數(shù)函數(shù)，T為溫度。
[0034]2)比熱:
[0035]
C (7') = 892 + 80—4(—)2 (20°C < 7' < 1200°C)
' 120 1.20 (3)
[0036]Cs (T) = 38.1X 10-8Τ2+20.I X 10-5Τ+0.473 (4)
[0037]式中:(；(Τ)為混凝土的比熱函數(shù)，Cs(T)為鋼的比熱函數(shù)，T為溫度。[0038]3)熱膨脹系數(shù):
[0039]a c(T) = (0.008Τ+6) X 10-6 (5)
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法，其特征在于:確定懸索橋最危險火災場景，采用隨溫度變化的熱工參數(shù)計算得到高溫下橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載力，得到懸索橋汽車燃燒極限狀態(tài)，將不同導熱系數(shù)的防火材料的防火性能進行對比，確定了硅酸鋁為懸索橋主纜和吊索的外包防火材料，將硅酸鋁外包于主纜和吊索上進行熱分析，通過主纜和吊索的溫度隨防火層導熱系數(shù)和厚度變化曲線，確定硅酸鋁防火層厚度的取值區(qū)間，最后根據(jù)吊索不同高度截面處的溫度場分布獲得火災下吊索的防護高度h，根據(jù)主纜縱向不同位置截面處的溫度場分布獲得主纜的防護范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法，其特征在于采用以下方法確定懸索橋的最危險火災場景，具體是:汽車燃燒位置橫橋向位于橋梁最外車道，縱橋向位于主纜豎向高度最低處，此位置距離懸索橋主纜吊索最近且主纜高度最低，為懸索橋危險火災場景，在危險火災場景下對橋梁結(jié)構(gòu)施加恒載+汽車活載，得到吊索抗破壞時間最短所對應(yīng)的場景為最危險火災場景。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法，其特征在于采用以下方法確定懸索橋汽車燃燒下極限狀態(tài)，具體是:當?shù)跛髟诨馂淖饔孟碌膽?yīng)力大于吊索高溫抗拉強度時，吊索會發(fā)生破壞，在最危險火災場景下，得到懸索橋隨時間變化的溫度場結(jié)果和高溫下隨時間變化的吊索的拉應(yīng)力σ (Τ)、抗拉強度f (Τ)、彈性模量E (Τ)，當σ (T)=f (T)時，得到吊索的破壞時間h、吊索的極限承載力L、吊索極限溫度Ttl，此狀態(tài)為懸索橋火災的極限狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法，其特征在于采用以下方法確定懸索橋主纜和吊索防火層厚度，具體是:將防火材料外包作用于吊索上，通過賦予外包防火層和其內(nèi)的吊索材料不同的熱屬性，建立外包防火層材料導熱系數(shù)λ和吊索鋼絲最高溫度T的關(guān)系曲線，并將吊索最高溫度T與火災極限狀態(tài)下的吊索極限溫度Ttl相比較，由T < Ttl確定外包防火層材料導熱系數(shù)的取值區(qū)間，從而最終確定外包防火層材料為硅酸鋁，改變硅酸鋁防火層的厚度，施加熱荷載，得到吊索最高溫度T隨防火層厚度d變化的關(guān)系曲線，根據(jù)火災極限狀態(tài)T < Ttl，確定吊索外包防火層的厚度的取值區(qū)間，計算得出極限狀態(tài)時主纜內(nèi)外層鋼絲溫度隨時間變化曲線，為防止主纜最外層鋼絲溫度過高，確定主纜外包防火層厚度的取值區(qū)間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨徑懸索橋汽車燃燒抗火設(shè)置方法，其特征在于采用以下方法確定火災下懸索橋吊索防護高度和主纜防護范圍，具體是:根據(jù)火源高度計算出吊索不同高度截面處的溫度場分布，得到不同截面高度吊索溫度隨時間變化的關(guān)系曲線，并與火災極限狀態(tài)下的吊索極限溫度Ttl相比較，由T < Ttl可獲得火災下吊索的防護高度；根據(jù)火源長度計算出極限狀態(tài)時主纜縱向不同位置截面處的溫度場分布，得到不同截面位置主纜內(nèi)外層鋼絲溫度沿縱橋向分布曲線，為防止主纜最外層鋼絲溫度過高，可獲得主纜的防護范圍。
【文檔編號】E01D11/02GK103711068SQ201310752828
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】劉沐宇, 王瑩, 高宗余, 張強, 朱斌, 盧志芳, 陳齊風, 李倩, 田偉, 荊武, 徐鏡, 黃根, 方柯, 張磊, 史晶 申請人:武漢理工大學