火災(zāi)條件下混凝土箱梁梁端預(yù)應(yīng)力衰變規(guī)律

張崗++劉天龍++施穎++宣紀(jì)明

摘要：針對(duì)火災(zāi)下混凝土梁橋截面損傷所導(dǎo)致的梁端預(yù)應(yīng)力損失問題，研究了火災(zāi)高溫傳導(dǎo)模式和熱傳導(dǎo)混合邊界條件，設(shè)定了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的火災(zāi)場(chǎng)景，給出了混凝土高溫強(qiáng)度與剛度的衰減模型和燒損層計(jì)算方法；采用熱力耦合計(jì)算方法和子模型分析方法計(jì)算了不同火災(zāi)場(chǎng)景中混凝土箱梁梁端區(qū)域鋼束預(yù)應(yīng)力時(shí)程變化曲線；通過工程實(shí)例分析了混凝土箱梁梁端截面不同鋼束預(yù)應(yīng)力的時(shí)變狀態(tài)，揭示了火災(zāi)條件下混凝土箱梁梁端預(yù)應(yīng)力衰變規(guī)律；通過曲線的最優(yōu)與最差擬合及比較分析，提出了混凝土箱梁梁端預(yù)應(yīng)力衰變計(jì)算公式。結(jié)果表明：處于箱梁梁端腹板上部的鋼束預(yù)應(yīng)力變化趨勢(shì)受梁底部火災(zāi)面積的影響，梁底部受火面積較小時(shí)，隨延火時(shí)間的增加逐漸增大，增加趨勢(shì)平緩，梁底部受火面積增大時(shí)，隨延火時(shí)間的增加平緩衰減；處于箱梁梁端腹板中部的鋼束預(yù)應(yīng)力隨延火時(shí)間的增加始終呈減小趨勢(shì)，處于腹板下部的鋼束預(yù)應(yīng)力隨延火時(shí)間的增加下降幅度較大，延火至120 min時(shí)梁端鋼束預(yù)應(yīng)力的衰減終值介于常溫下初值的94%～96%；提出的混凝土箱梁梁端預(yù)應(yīng)力衰變計(jì)算公式簡(jiǎn)潔，可為類似預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁端部結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；混凝土箱梁；有限元法；預(yù)應(yīng)力；火災(zāi)條件；高溫

中圖分類號(hào)：U448.213 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁遭遇火災(zāi)受損后導(dǎo)致截面不同部位鋼束中有效預(yù)應(yīng)力變異，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力的正常分布，威脅預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的安全性能，因此預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的抗火性能受到學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注，尤其是火災(zāi)高溫下混凝土橋梁的預(yù)應(yīng)力衰變需要進(jìn)一步研究[1]?；炷料淞憾枕敺磸澨幍念A(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備值對(duì)整座橋梁抗力性能至關(guān)重要，相關(guān)調(diào)研資料顯示，預(yù)應(yīng)力橋梁下部受火后，由于結(jié)構(gòu)性能的變化致使梁端墩頂處預(yù)應(yīng)力管道附近的混凝土易爆裂，周圍混凝土大面積剝落，所以有必要對(duì)火災(zāi)下混凝土箱梁梁端墩頂反彎處鋼束預(yù)應(yīng)力變化趨勢(shì)進(jìn)行深入研究。目前，各國學(xué)者的研究大都集中在預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的抗火性能，實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確的災(zāi)后評(píng)價(jià)及抗火設(shè)計(jì)。Garlock等[2]總結(jié)了近年來美國橋梁火災(zāi)的特點(diǎn)，分析了橋梁火災(zāi)的特性，并通過實(shí)例給出了橋梁火災(zāi)后安全性能的評(píng)價(jià)方法和策略；Franssen等[34]均采用數(shù)值分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)的抗火性能進(jìn)行了分析，給出了較好的非線性迭代計(jì)算方法；在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)方面，國外已有多部規(guī)范給出了豐富的材料高溫特性，并提出了預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土的抗火設(shè)計(jì)方法[56]；Kodur等[78]總結(jié)了先前規(guī)范中有關(guān)橋梁抗火設(shè)計(jì)方面的嚴(yán)重不足，調(diào)查了美國等國家橋梁火災(zāi)發(fā)生的原因，研究了決定橋梁耐火性能的幾個(gè)主要內(nèi)部參數(shù)，給出了不同重要性的橋梁安全評(píng)價(jià)方法。張昊宇等[9]通過對(duì)1860級(jí)低松弛鋼絞線高溫下的試驗(yàn)研究，提出了高溫下1860級(jí)鋼絞線中鋼絲的多種力學(xué)性能計(jì)算公式；周煥廷等[10]通過試驗(yàn)得到了鋼絞線高溫下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量計(jì)算數(shù)據(jù)；侯煒[11]通過幾組試驗(yàn)測(cè)試了火災(zāi)高溫下預(yù)應(yīng)力模型梁的錨下應(yīng)力變化。張崗等[1216]分析了混凝土高溫傳導(dǎo)及層剝機(jī)理，提出了火災(zāi)高溫下預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的非線性分析方法，研究了火災(zāi)下預(yù)應(yīng)力混凝土薄腹梁的剛度衰變和支點(diǎn)鋼束的預(yù)應(yīng)力衰變速率，朱建明等[17]給出了單面受火時(shí)構(gòu)件等效剛度估算方法。雖然各國學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的材料高溫力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行了許多研究工作，但對(duì)火災(zāi)高溫下預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的預(yù)應(yīng)力損失未做深入研究，其火災(zāi)高溫下有效預(yù)應(yīng)力目前尚不明確。本文考慮混凝土材料強(qiáng)度和剛度損失分層折減，在箱梁支點(diǎn)鋼束模擬方法和預(yù)應(yīng)力衰變率等[1516]相關(guān)研究基礎(chǔ)上分析火災(zāi)條件下箱梁梁端預(yù)應(yīng)力的衰變規(guī)律，可為預(yù)應(yīng)力橋梁抗火實(shí)用設(shè)計(jì)方法提供依據(jù)。

4 預(yù)應(yīng)力計(jì)算

圖6為各計(jì)算工況下預(yù)應(yīng)力時(shí)程曲線。由圖6可知：當(dāng)混凝土箱梁底板下部受火時(shí)，處于梁端腹板上部的鋼束預(yù)應(yīng)力隨延火時(shí)間的增加逐漸增大，但增大幅度較小，考慮強(qiáng)度減損情況下，預(yù)應(yīng)力由延火初時(shí)的1 030 MPa增加到延火120 min的1 032 MPa，考慮剛度減損情況下，預(yù)應(yīng)力由延火初時(shí)的1 030 MPa增加到延火120 min的1 033 MPa；處于梁端腹板中部的鋼束預(yù)應(yīng)力隨延火時(shí)間的增加逐漸減小，但衰變趨勢(shì)較緩，考慮強(qiáng)度和剛度減損情況下，預(yù)應(yīng)力由延火初時(shí)的1 017 MPa分別衰減到延火120 min的1 014，1 013 MPa；處于梁端腹板下部的鋼束預(yù)應(yīng)力隨延火時(shí)間的增加急速減小，由延火初始的1 038 MPa衰減到延火120 min的999 MPa，大約為初值的96%。

由圖6還可知，不同火災(zāi)模式下，基于強(qiáng)度減損和剛度減損的梁端部鋼束預(yù)應(yīng)力變化趨勢(shì)大致相同，當(dāng)截面下部受火面積增大時(shí)，處于腹板上部的梁端預(yù)應(yīng)力從增加趨勢(shì)逐漸變?yōu)樗p趨勢(shì)，變化幅度較小，腹板和底板受火對(duì)有效預(yù)應(yīng)力的影響明顯，延火120 min時(shí)其可衰減至常溫值的94%。5 擬合公式

圖7為梁端預(yù)應(yīng)力擬合曲線對(duì)比。由圖7可知，二次多項(xiàng)式在設(shè)定的延火區(qū)間內(nèi)完全逼近預(yù)應(yīng)力的變化趨勢(shì)，線性函數(shù)擬合效果相對(duì)較差，則擬設(shè)梁端墩頂處預(yù)應(yīng)力與延火時(shí)間之間的變化關(guān)系呈二次曲線變化，可得如下計(jì)算公式

式中：Pa為梁端部墩頂處預(yù)應(yīng)力；n1，n2，n3均為相關(guān)系數(shù)。

表3為相關(guān)系數(shù)取值。由表3可知，相關(guān)系數(shù)包括強(qiáng)度折減和剛度折減2種工況，采用ORIGINLAB擬合的各參數(shù)下公式的判定系數(shù)R2≥0.997。6 結(jié) 語

（1）針對(duì)火災(zāi)情況下混凝土箱梁端部鋼束預(yù)應(yīng)力損失所導(dǎo)致的高溫連續(xù)破壞效應(yīng)，設(shè)定了梁體下部發(fā)生火災(zāi)的4種火災(zāi)場(chǎng)景，給出了溫度場(chǎng)計(jì)算的混凝土邊界模型和熱力耦合全過程分析方法，提出了混凝土高溫下強(qiáng)度與剛度累積換算計(jì)算公式，同時(shí)基于火災(zāi)混凝土強(qiáng)度和剛度減損計(jì)算了混凝土箱梁梁端鋼束預(yù)應(yīng)力全過程變化。

（2）梁底部受火面積較小時(shí)，處于箱梁梁端腹板上部的鋼束預(yù)應(yīng)力隨延火時(shí)間的增加逐漸增大，增加趨勢(shì)平緩，梁底部受火面積增大時(shí)，處于箱梁梁端腹板上部的鋼束預(yù)應(yīng)力隨延火時(shí)間的增加逐漸減小，衰減趨勢(shì)平緩；所有火災(zāi)模式下，處于箱梁梁端腹板中部的鋼束預(yù)應(yīng)力隨延火時(shí)間的增加逐漸減小，趨勢(shì)平緩，處于腹板下部的鋼束預(yù)應(yīng)力隨延火時(shí)間的增加下降幅度較大，延火至120 min時(shí)鋼束預(yù)應(yīng)力的衰減終值為常溫下初值的94%～96%。

（3）通過擬合曲線比較，提出了混凝土箱梁梁端錨部鋼束預(yù)應(yīng)力時(shí)程衰變計(jì)算公式，揭示了基于強(qiáng)度和剛度減損下的混凝土箱梁梁端預(yù)應(yīng)力衰變規(guī)律；本文提出的公式簡(jiǎn)潔，計(jì)算方便，可為類似預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的墩頂反彎處抗火設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。

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