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原文传递半开放环境下预应力混凝土薄腹梁抗火性能与设计方法

论文题名：	半开放环境下预应力混凝土薄腹梁抗火性能与设计方法
关键词：	桥梁工程;预应力混凝土薄腹梁;燃油火灾试验;车致桥梁火灾模型;CFD-FEM耦合分析方法;抗火性能
摘要：	交通基础建设是国家经济发展的重要驱动力，近些年来随着交通量的增大，火灾对桥梁造成的威胁日益显著。桥梁火灾大多数是由车辆碰撞或倾覆引发可燃物燃烧引起的，这类车辆火灾通常具有“爆燃性”特点，起火几分钟内温度便可达到1000℃以上，可能导致局部构件破坏甚至桥梁整体垮塌。预应力混凝土（PC）梁由于其诸多优点而广泛应用于桥梁工程建设中，然而火灾会对PC薄腹梁（箱形截面梁和T形截面梁）的安全造成严重威胁。火灾高温穿透薄腹梁截面导致预应力钢束温度升高，有效预应力衰退显著。火灾高温还可能致使梁体严重开裂、混凝土爆裂、预应力钢束外露并直接受火，从而导致钢束断裂、桥梁突然垮塌。此外，火灾高温导致材料的力学性能显著衰退，火灾持续作用下PC梁刚度和强度损失殆尽，变形和承载能力达到极限状态。因此，为确保桥梁的全寿命服务周期，保障人民的生命财产安全，非常有必要从根本上揭示桥梁结构在火灾下的结构损伤机理和承载能力衰退规律，明确桥梁的抗火性能，提出桥梁结构抗火设计方法。　　本文针对半开放环境下（桥下火灾场景）PC薄腹梁的抗火性能，通过试验研究、数值模拟、理论分析，开展了PC梁火灾响应及承载能力衰退研究，揭示了高强爆燃火灾作用下PC薄腹梁的损伤机理，并提出了一种PC桥梁实用抗火设计方法。主要研究内容如下：　　（1）采用场模型模拟了半开放环境下的桥梁火灾温度场，对桥下不同净空、不同车辆类型和不同受火位置的桥梁火灾温度场进行分析，得到随火源中心水平距离、高度和时间变化的温度非定场，提出了空间位置任意点温度随时间变化的函数关系，建立了桥梁半开放环境火灾温度场模型。　　（2）设计制作了5榀大比例PC简支缩尺模型试验梁（3榀箱形和2榀T形截面梁），开展了燃油火灾升温条件下PC梁局部受火试验，获得了梁截面温度场、挠度变化、有效预应力衰变、裂缝开展、高温爆裂和耐火极限的相关试验数据，分析了PC梁火灾损伤演化过程和破坏模式，研究了截面类型、荷载水平、预应力比和横隔板对PC梁抗火性能的影响规律。　　（3）提出了火灾下PC梁火灾响应CFD-FEM耦合分析方法，该方法涉及火灾动力学、三维瞬态传热和非线性结构响应的顺序耦合分析，利用试验结果对有限元分析方法进行验证，其中考虑了与温度相关的材料特性、材料非线性、几何非线性和边界非线性（支座接触和梁端约束），该分析方法能够考虑简支、连续以及各类复杂截面的PC梁的真实边界条件和实际火灾温度场的不均匀特性。　　（4）考虑桥梁真实火灾场的发生特点，采用CFD-FEM耦合分析方法对PC简支梁考虑弯曲和剪切荷载、不同桥下净空和受火位置的典型车辆火灾场共同作用下的挠度发展、破坏模式和预应力衰变进行分析，同时考虑荷载水平，识别和量化了各关键因素对PC简支梁抗火性能的影响，获悉PC简支梁受火时破坏的控制要素以及典型破坏模式。基于不同受火时间的荷载-位移曲线，获知PC简支梁抗弯和抗剪承载能力退化规律，分析了梁端约束对PC简支梁承载能力衰变的影响特征。　　（5）采用CFD-FEM耦合分析方法对PC连续梁分别在边跨跨中、中跨跨中和中支点典型车辆火灾场下的挠度发展、破坏模式和预应力衰变规律进行分析，考虑不同桥下净空以及不同大小的弯曲和剪切荷载作用，得到了PC连续梁的最不利火灾场景。基于不同受火时间的荷载-位移曲线，获悉PC连续梁抗弯和抗剪承载能力退化规律，研究了火灾下PC连续梁内力重分布规律，揭示了车辆火灾作用下PC连续梁的损伤机理。　　（6）提出桥梁结构实用抗火设计方法，考虑经济性能与结构性能的平衡建立PC桥梁两类抗火设计目标，提出了“中度火灾可修复、严重火灾不垮塌”的PC桥梁抗火设计原则，针对此原则提出安装PC桥梁纵向限位支座、设置备用预应力钢束等措施可以有效防止桥梁在严重火灾下的垮塌，采取在靠近混凝土表面区域的钢束波纹管内侧涂刷防火涂料可防止预应力高温损失过大，使火灾后的桥梁结构能尽快修复。基于混凝土损伤等效截面和钢筋损伤等效强度，提出了火灾下PC桥梁抗弯和抗剪承载能力简化计算方法，并与数值计算结果进行了对比验证，可为桥梁抗火设计提供初步判断依据。
作者：	宋超杰
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	张岗
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022