波形钢腹板-钢底板组合箱梁抗火性能研究.pdf
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1、桥梁建设 年第 卷第期(总第 期)B r i d g eC o n s t r u c t i o n,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目(,);江西省研究生创新资金项目(Y C S )P r o j e c t so fN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(,);P r o j e c to fP o s t G r a d u a t eI n n o v a t i o nF u n do fJ i a n g x
2、 iP r o v i n c e(Y C S )作者简介:郑尚敏,讲师,E m a i l:l a n x i a o w e n l i n c o m.研究方向:组合结构桥梁抗火性能.通信作者:程海根,教授,E m a i l:b r i d g e c o m.研究方向:桥梁结构分析,钢结构疲劳与腐蚀,既有桥梁性能评估与加固技术.文章编号:()D O I:/j i s s n 波形钢腹板钢底板组合箱梁抗火性能研究郑尚敏,沈强,程海根,唐维胜,管冲(华东交通大学土木建筑学院,江西 南昌 ;华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室,江西 南昌 )摘要:为研究波形钢腹板钢底板
3、组合箱梁的抗火性能,以某简支波形钢腹板钢底板组合箱梁为研究对象,采用AN S Y S软件建立组合梁的热力耦合有限元模型,分析组合梁的温度分布、挠度变化、抗弯承载力衰退规律,并进行参数敏感性分析.结果表明:火灾作用下波形钢腹板钢底板组合箱梁截面沿高度方向产生较大的温度梯度;组合梁挠度在火灾暴露初期、中期和后期三阶段分别呈现缓慢增长、快速增长和极速增长的特征;组合梁抗弯承载力衰退速率随受火时间的增加呈现先增大后减小的趋势;组合梁耐火时间随着荷载比的增大而减小,改变钢腹板型号和腹板加劲肋数量对组合梁耐火时间影响较小,增设底板加劲肋可有效延缓组合梁的挠度发展进入火灾暴露后期,从而增加其耐火时间.关键词
4、:组合梁;波形钢腹板;温度场;抗火性能;挠度;抗弯承载力;耐火时间;有限元法中图分类号:U 文献标志码:AR e s e a r c ho nF i r eR e s i s t a n tP e r f o r m a n c eo fC o m p o s i t eB o xG i r d e rw i t hC o r r u g a t e dS t e e lW e ba n dS t e e lB o t t o mP l a t eZ H E N GS h a n g m i n,S H E NQ i a n g,C H E N GH a i g e n,T A N GW e
5、i s h e n g,G U A NC h o n g(E a s tC h i n aJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,N a n c h a n g ,C h i n a;S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fP e r f o r m a n c eM o n i t o r i n gP r o t e c t i n go fR a i lT r a n s i t I n f r a s t r u c t u r e,E a s tC h i n aJ i a o t o n gU n i v e r s i
6、 t y,N a n c h a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:A ne x i s t i n gs i m p l y s u p p o r t e db o xg i r d e r w i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b sa n ds t e e lb o t t o mp l a t e s i sa p p l i e da sac a s et os t u d yt h ef i r er e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo ft h eb r i d g eo
7、 fs i m i l a rt y p e Af i n i t ee l e m e n tm o d e lr e f l e c t i n gt h et h e r m a l f o r c ec o u p l i n g w a sb u i l tu pi n AN S Y St oa n a l y z et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n,d e f l e c t i o nv a r i a t i o na n df l e x u r a ls t r e n g t ha t t e n u a
8、t i o na n dc a r r yo u tp a r a m e t r i ca n a l y s i s T h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e r ee x i s t ss i g n i f i c a n tt h e r m a lg r a d i e n t sa l o n gt h ed e p t ho f t h ec o m p o s i t eb o xg i r d e rw i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b sa n ds t e e lb o t
9、t o mp l a t e s T h ed e f l e c t i o no f t h ec o m p o s i t eb o xg i r d e r i n c r e a s e ss l o w l yi nt h ei n i t i a ls t a g eo faf i r ed i s a s t e r,t h e nr a p i d l ya n dd r e a d f u l l yi n c r e a s e si nt h em i d d l ea n dl a t es t a g e s,r e s p e c t i v e l y T h
10、 ef l e x u r a ls t r e n g t ha t t e n u a t i o n r a t e o ft h ec o m p o s i t e b o x g i r d e ri n c r e a s e sf o rat i m e,b u t d e c r e a s e sa f t e r w a r d sa s t h e f i r ee x p o s u r e t i m e l a s t s l o n g e r T h e f i r ee n d u r i n g t i m eo f t h e c o m p o s i
11、 t eg i r d e r i sr e d u c e da s t h e l o a d r a t i o i n c r e a s e s,c h a n g i n g t h e s p e c s o fw e b s a n d t h en u m b e r o f s t i f f e n i n g r i b s o ft h ew e b sh a sm i n i m a l i n f l u e n c eo n t h e f i r e e n d u r i n g t i m eo f t h e c o m p o s i t eg i r
12、 d e r A d d i n gs t i f f e n i n gr i b s t ob o t t o mp l a t e s c a nd e l a yt h ed e f l e c t i o no f t h ec o m p o s i t eg i r d e rd e v e l o p i n g i n t o t h e l a t es t a g eo f f i r ee x p o s u r e,t h e r e b ym a k i n gt h ec o m p o s i t eg i r d e rm o r e f i r er e s
13、 i s t a n t 波形钢腹板钢底板组合箱梁抗火性能研究郑尚敏,沈强,程海根,唐维胜,管冲K e y w o r d s:c o m p o s i t eg i r d e r;c o r r u g a t e ds t e e l w e b;t e m p e r a t u r ef i e l d;f i r er e s i s t a n c e;d e f l e c t i o n;f l e x u r a l s t r e n g t h;f i r ee n d u r i n gt i m e;f i n i t ee l e m e n tm e t h
14、o d引言近年来,波形钢腹板组合梁因具有自重轻、力学性能好以及外形美观等诸多优点,广泛应用于国内外桥梁工程.相关学者对该类组合梁的抗弯、抗剪、抗扭等力学性能开展了大量研究 ,为其在桥梁工程中的应用提供了支撑.然而,已有研究结果表明,该类组合梁下翼缘混凝土板施工难度较大,在正弯矩作用下容易过早开裂,为此,N i e等提出以钢底板取代混凝土底板,形成一种受力更加合理的新型钢混组合结构,即波形钢腹板钢底板组合箱梁,并被广泛应用于实际工程中.现有文献表明,钢材较强的热敏感性导致钢混组合梁桥在火灾下承载性能的损失较大,短时间内极易 发 生 破 坏 和 坍 塌,造 成 巨 大 的 经 济 财 产 损失 .
15、因此,火灾下组合梁的结构响应受到国内外学者广泛关注.A z i z等 对根典型的钢混组合梁的抗火性能开展了试验研究,得出不同腹板长细比与加劲肋布置形式对组合梁的破坏模式影响较大.A l o s M o y a等 通过火灾试验研究根钢混组合梁在天然火灾下的结构响应,结果表明火灾发生的剧烈程度与位置是影响组合梁抗火性能的关键因素.K o d u r等 基于数值模拟提出一种评估桥梁火灾风险的方法.目前,针对钢混组合梁桥抗火性能的研究主要是以钢筋混凝土板与工字钢梁或槽形钢梁等组合结构为研究对象 ,针对波形钢腹板钢底板组合箱梁这种新型组合梁抗火性能的研究尚未见报道.而波形钢腹板钢底板组合箱梁与其它组合梁
16、的力学性能和抗火性能相比存在较大差异,鉴于此,为深入了解波形钢腹板钢底板组合箱梁的火灾响应,本文以某简支波形钢腹板钢底板组合箱梁为研究对象,采用AN S Y S软件建立有限元模型,对该类新型组合梁的抗火性能及其主要影响参数进行分析,以期为该类新型桥梁的抗火设计提供参考.有限元模型 波形钢腹板钢底板组合箱梁概况某单片简支波形钢腹板钢底板组合箱梁,钢梁主要由上翼缘板、波形钢腹板、底板以及横隔板组成,跨 径 m,梁 高 m.钢 梁 上 翼 缘 板 宽 mm、厚 mm;腹板采用 型波形钢腹板,厚 mm;钢底板宽 mm、厚 mm,在钢底板设道 mm高的纵向一字形加劲肋,厚 mm;钢梁内部每隔 m设置道厚
17、 mm的横隔板.混凝土顶板宽 mm、厚 mm.组合梁中混凝土强度等级为C ,钢材采用Q 钢,普通钢筋为 mmH P B 钢筋.波形钢腹板钢底板组合简支箱梁布置见图.图波形钢腹板钢底板组合简支箱梁布置F i g C o n f i g u r a t i o no fS i m p l y S u p p o r t e dB o xG i r d e rw i t hC o r r u g a t e dS t e e lW e b sa n dS t e e lB o t t o mP l a t e s 模型建立采用AN S Y S有限元软件的间接热结构耦合方法分析高温下波形钢腹板钢底板组
18、合箱梁的抗火性能.热分析模型中,混凝土板和钢梁分别采用具有导热能力的S h e l l 和S o l i d 单元模拟,混凝土板中钢筋采用L i n k 单元模拟,S u r f 单元覆盖在S o l i d 和S h e l l 单元表面模拟组合梁受热辐射和热对流的影响.对流传热系数采用欧洲规范 中推荐值 W/(m)并用于碳氢(HC)升温曲线.底板和腹板表面辐射系数分别取 和,顶部翼缘和混凝土板底部外表面辐射系数均取,箱梁内部辐射系数取 .混凝土、钢材和钢筋的热力性能参数均按欧洲规范取值.结构分析模型中,通过将热分析单元S h e l l 、L i n k 和S o l i d 分别转换为结
19、构单元S h e l l 、L i n k 和S o l i d 模拟构件的真实应力状态.组合梁热力耦合有限元模型见图.为分析波形钢腹板钢底板组合箱梁热力耦合作用下的结构响应,在简支组合梁近三分点处进行桥梁建设B r i d g eC o n s t r u c t i o n ,()图组合梁热力耦合有限元模型F i g F i n i t eE l e m e n tM o d e lR e f l e c t i n gT h e r m a l F o r c eC o u p l i n go fC o m p o s i t eB o xG i r d e r两点加载,受火位置横桥向
20、为钢梁上翼缘板下部、腹板外侧以及底板下部,顺桥向为跨中 m部分,受力和受火按对称布置.组合梁受力和受火布置见图.图组合梁受力和受火布置F i g B o u n d a r yC o n d i t i o n so fC o m p o s i t eB o xG i r d e r 模型验证为验证结构有限元模型的可靠性,对文献 中进行火灾试验的跨径 m的简支钢混组合梁进行建模分析.试验梁相关尺寸、试验荷载及材料特性见文献 ,将有限元模型得出的温度和跨中挠度计算值与火灾试验中的实测值进行对比,结果见图.由图可知:选取的简支钢混组合梁模型热力耦合作用下的温度和跨中挠度计算值与实测值吻合良好,微
21、小误差主要是由于有限元模型材料特性的理想化引起的,表明本文所建立的有限元模型能够较好地模拟组合梁在火灾下的结构响应.温度场分析组合梁HC火灾作用下跨中截面沿梁高方向不同受火时间的温度梯度见图,图中各点分别对应组合梁各个时刻t混凝土顶板中心、钢梁上翼缘板、波形钢腹板上部与下部及底板的平均温度.由图可知:组合梁沿梁高方向产生明显的温度梯度.截面各测点温度随受火时间增加而逐渐升高,其中钢梁升温速率高于混凝土板,这是因为与钢材相比,混凝土具有较强的热惰性,故钢梁温度始终高于混凝土板,从而形成了明显的温度梯度.受火 m i n波形钢腹板的上部与下部温度梯度呈现图试验梁计算值与实测值对比F i g C o
22、 m p a r i s o no fC a l c u l a t e da n dM e a s u r e dD a t ao fT e s tG i r d e r先增大、减小再增大种变化趋势,这主要是由种效应叠加引起的,第一种效应是腹板上部与混凝土顶板较接近,混凝土的热惰性导致钢腹板上部的升温速率小于钢腹板下部,使得钢腹板的温度梯度逐渐增大;第二种效应是钢材在 时的比热容远高于其它温度时的,先达到 区间的钢腹板下部在该温度区间的升温速率减小,导致钢腹板的温度梯度减小,当钢腹板下部温度超过 时,钢材比热容减小,钢腹板下部升温速率增大,故钢腹板的温度梯度又逐渐增大.图跨中截面梁高方向温度
23、梯度F i g T e m p e r a t u r eG r a d i e n t a l o n gD e p t ho fM i d s p a nC r o s s S e c t i o n波形钢腹板钢底板组合箱梁抗火性能研究郑尚敏,沈强,程海根,唐维胜,管冲抗火性能分析 挠度分析为研究热力耦合作用下波形钢腹板钢底板组合箱梁的刚度退化性能,开展荷载比(组合梁受火施加荷载与常温极限荷载之比)为 时的组合梁跨中挠度随受火时间增加的变化规律研究,组合梁跨中挠度受火时间曲线见图.图跨中挠度受火时间曲线F i g R e l a t i o n s h i pb e t w e e nM
24、i d s p a nD e f l e c t i o na n dF i r eE x p o s u r eD u r a t i o n由图可知:组合梁在荷载比为 时,跨中挠度受火时间曲线可分为个阶段:火灾暴露初期(阶段一),受火时间m i n,此时跨中挠度呈缓慢增长,可归结于组合梁截面沿梁高方向的温度梯度产生的热弯曲和荷载作用效应.火灾暴露中期(阶段二),受火时间 m i n,此时跨中挠度呈非线性增长且增长速度较快,这主要是由于底板和腹板温度超过 ,两者力学性能衰减.火灾暴露后期(阶段三),受火 m i n后,钢梁温度达 以上,钢材力学性能基本丧失,跨中挠度从 mm迅速增至 mm,超
25、过了L/(L为组合梁计算跨径),可认为组合梁因达到了挠度极限而失效.抗弯承载力分析考虑组合梁结构自重作用,火灾作用下组合梁跨中截面抗弯承载力时程衰退曲线见图.由图可知:抗弯承载力时程衰退曲线可分为个阶段:阶段,受火时间m i n,组合梁抗弯承载力降低较少,这是因为钢梁温度小于 ,钢材的力学特性变化较小;阶段,受火时间 m i n,钢梁温度急剧上升,使得钢材强度显著降低,抗弯承载力迅速降低至常温抗弯承载力的;阶段,受火 m i n后,中性轴上移至混凝土顶板,抗弯承载力下降呈缓慢趋势,这是因为混凝土顶板温度较低,力学性能受温度影响较小.对比图和图可知:组合梁抗弯承载力衰退至施加荷载产生的弯矩的时间
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