鋼箱梁橋抗火性能研究

徐克勤，毛小勇

（蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州215011）

鋼箱梁橋翼緣寬度大，具有很大的抗彎能力，跨越能力比工形鋼板梁大得多，目前鋼箱連續(xù)梁橋的最大跨徑達300 m；它具有抗扭剛度大，施工方便，施工速度快等特點；其梁高小，適用于立交橋和建筑高度受到限制的橋梁等；而加勁肋和橫隔板都設置在箱內(nèi)，外形美觀；箱內(nèi)為中空結(jié)構(gòu)，便于布置附屬設施[1]。

目前國內(nèi)外學者對火災下橋梁的反應已取得一些研究成果。王翠娟[2]利用熱-力耦合方法對五片混凝土T型梁橋火災場形變和主拉應力進行了分析。Payá-Zaforteza I等[3]通過使用3D數(shù)值模型分析一個跨度長度12.20 m橋梁的響應，探討橋梁的火災響應。劉揚[4]采用HCM火災溫升曲線分析了不同受火模式下各片梁截面溫度場變化規(guī)律和應力-時間關(guān)系。李國強等[5]采用數(shù)值模擬方法研究鋼-混凝土組合梁橋在大型車輛火災下的結(jié)構(gòu)響應，并分析了橋梁形式、火災工況及荷載比的影響。Gong X等[6]對大跨度桁架橋火災全過程進行數(shù)值模擬，并對橋面板火災下的結(jié)構(gòu)響應作了詳細研究。

當前國內(nèi)外對鋼箱梁橋的抗火性能研究還未見報導，作為國家大力推廣橋梁形式之一，其抗火性能尚不確定，因此文中研究鋼箱梁橋在火災高溫下的性能具有重要的意義。

1 鋼箱梁橋有限元模型簡介

以兩端簡支鋼箱梁橋為研究對象，分析時假定如下：忽略不同材料之間的接觸熱阻；忽略截面變形對溫度場的影響；不考慮鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)、滑移。

1.1 鋼箱梁橋設計

鋼箱梁橋為單箱單室，跨度為40 m，橋面板采用混凝土，板厚度為200 mm，混凝土強度C40，質(zhì)量密度為2 300 kg/m3，混凝土板內(nèi)選用Ⅱ級鋼筋，分上下兩層布置。鋼箱梁頂板、底板厚度均為16 mm，腹板厚度10 mm，每隔4 m設置1道橫隔板，橫隔板厚度10 mm，腹板內(nèi)側(cè)、底板、頂板內(nèi)側(cè)均設置縱向加勁肋，沿梁長度方向布置，加勁肋截面尺寸120 mm×10 mm，鋼箱梁橋橫截面示意圖見圖1，鋼箱梁橋有限元模型見圖2。

圖1 鋼箱梁橋橫截面示意

圖2 鋼箱梁橋有限元模型

1.2 單元類型及抗火參數(shù)

溫度場分析時，鋼箱梁、加勁肋、橫隔板、混凝土板均采用的是八結(jié)點線性傳熱六面體單元（DC3D8），鋼筋采用的是兩結(jié)點傳熱連接單元（DC1D2），溫度場分析時，設定初始溫度為20℃，選擇HC升溫曲線[2]。綜合輻射系數(shù)取 0.5，對流換熱系數(shù)為 50 W/m2·K。

力學分析時，首先將溫度場計算結(jié)果導入到力學模型中。將鋼箱梁和加勁肋作為一個部件進行創(chuàng)建，然后與橫隔板、鋼箱梁、混凝土板底面TIE在一起，鋼筋采用嵌入約束（EMBEDED REGION）嵌入到混凝土板中。鋼箱梁橋兩端采用鉸接約束。

1.3 模型驗證

周宏宇[7]對兩根鋼-混凝土組合梁進行試驗研究，截面形式見圖3，受火條件均為梁下部受火，兩個試件的邊界條件均為兩端鉸接，所施加荷載均為集中力，每隔梁跨度的四分之一處布置。建立的組合梁有限元分析模型如圖4所示。

圖3 試件截面尺寸

圖4 有限元模型

圖5～6所示為試件主梁和次梁跨中撓度-時間曲線，前期撓度變形基本一致，后期撓度計算值下降緩慢，是由于試驗在升溫后期混凝土在高溫下發(fā)生爆裂，混凝土板表面出現(xiàn)橫向貫穿主梁跨中的壓潰主裂縫，壓型鋼板因受熱過度膨脹與混凝土板相互脫開，承載能力急劇下降；而在模擬計算中板與鋼梁始終是連接在一起的，所以后期撓度變形有一定的差距。但從撓度-時間曲線看，整體趨勢基本相同，可見模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

圖5 主梁跨中撓度試驗值與計算值對比

圖6 次梁跨中撓度試驗值與計算值對比

2 火災下鋼箱梁橋的力學性能分析

根據(jù)可能發(fā)生的火災情況，共討論了5種火災場景（如表1所列）[2]。每一種火災場景分別考慮全橋面加載、半橋面加載、1/4橋面加載、橋梁自重4種荷載模式。

表1 火災場景

不同火災場景和荷載模式下鋼箱梁橋的撓度-時間曲線如圖7所示。

（1）橋面全跨受火時，撓度-時間曲線如圖7（a），在不同荷載模式下，隨著溫度的升高，鋼箱梁底部拉應力不斷減小，橋面板頂部壓應力先增大然后逐漸減小。由于橋面板溫度不斷升高，而鋼箱梁溫度不變，橋面板溫度越高，混凝土膨脹就越嚴重。開始一段時間混凝土膨脹較小，橋面板在外荷載的作用下頂部壓應力不斷增大；18 min以后橋面板膨脹變形不斷增大，底部受到鋼箱梁的約束作用，膨脹變形產(chǎn)生的拉應力不斷抵消橋面板在外荷載作用下產(chǎn)生的壓應力，橋面板頂部的壓應力不斷減小，而鋼箱梁受到橋面板膨脹變形的約束作用，鋼箱梁底部的拉應力不斷減小。高溫下橋面板厚度方向發(fā)生很大的膨脹變形，橋面板厚度方向的變形受到鋼箱梁的約束作用，使鋼箱梁橋產(chǎn)生反拱的現(xiàn)象，鋼箱梁橋跨中撓度不斷減小，橋面板膨脹使鋼箱梁橋向上產(chǎn)生了位移，并且隨著荷載的變化（全橋面加載、半橋面加載、1/4橋面加載、橋梁自重），跨中位移越來越大，說明外荷載在一定程度上限制了橋面板的膨脹變形。

（2）橋下全跨受火、橋面橋下全跨受火、橋下中跨1/2受火時，撓度-時間曲線如圖7（b）～（d）所示，3 min以內(nèi)鋼箱梁底部拉應力不斷增大，橋面板壓應力不斷減小，原因在于鋼箱梁在高溫下的膨脹受到橋面板的約束作用，同時受到外荷載的作用；3 min之后由于溫度不斷升高，外荷載的作用和鋼材的彈性模量不斷下降，鋼箱梁底部拉應力不斷減小，橋面板壓應力不斷增大。隨著溫度的不斷升高，鋼材的材性不斷劣化，變形不斷加大，鋼箱梁橋的跨中撓度變形速率也越來越大，鋼箱梁橋在18 min時跨中撓度為2.0 m，此時已達到耐火極限規(guī)定值[8]；在這種火災場景下，不同荷載模式下鋼箱梁橋均達到了耐火極限，隨著荷載的變化（全橋面加載、半橋面加載、1/4橋面加載、橋梁自重），耐火極限呈逐漸增大的趨勢。

（3）橋面橋下邊跨1/2同時受火時，撓度-時間曲線如圖7（e）所示，26 min內(nèi)跨中撓度變形迅速增大，是由于受火部分的鋼梁在高溫下強度和彈性模量急劇下降導致的；26 min以后跨中撓度變形速率減緩，是由于未受火部分對受火部分產(chǎn)生約束作用，同時混凝土膨脹受到鋼梁頂部的限制作用，使混凝土產(chǎn)生拉應力，抵消了外部荷載產(chǎn)生的壓應力，后期抵消作用越來越明顯，整體變形趨于平緩。在這種火災場景下，不同荷載模式下鋼箱梁橋均未發(fā)生破壞。

圖7 鋼箱梁橋撓度-時間曲線

3 鋼箱梁橋耐火極限的影響參數(shù)分析

以橋下全跨受火為例，分析各種參數(shù)對鋼箱梁橋抗火性能影響[9]。主要參數(shù)取值見表2所列。

表2 鋼箱梁橋參數(shù)取值

針對每一種參數(shù)分析得到的耐火極限-時間曲線如圖8所示，每條曲線對應著不同的參數(shù)組合。從圖8可見各參數(shù)對鋼箱梁橋耐火極限影響，在橋下全跨受火時，隨鋼箱梁腹板高度、翼緣寬度、橋面板厚度增加，鋼箱梁橋的耐火極限增大；腹板高度、翼緣寬度、橋面板厚度增加使得相同時間內(nèi)溫度升高得較慢，鋼材和混凝土強度劣化速度相對較慢；而混凝土強度、鋼材強度、鋼筋直徑及鋼筋保護層厚度對鋼箱梁橋耐火極限影響很小，是由于混凝土、鋼筋處于背火面，溫度幾乎沒有什么變化；同時，高溫下鋼材強度迅速劣化，后期強度基本完全喪失，以上參數(shù)對耐火極限幾乎沒什么貢獻。與ISO834標準升溫曲線相比，HC升溫曲線下鋼箱梁橋的耐火極限顯著減小，在于HC升溫曲線升溫速率非常快，1 min溫度就達到723℃，5 min將近1 000℃，鋼材在650℃時已基本喪失承載能力，所以HC升溫曲線下鋼箱梁橋的耐火極限比較??；而ISO834升溫曲線在5 min時溫度升到556℃，在10 min時659℃，相比較HC升溫曲線，升溫較緩慢，鋼材強度下降得較慢，耐火極限就較大。

圖8 鋼箱梁橋各參數(shù)下耐火極限-時間曲線

4 鋼箱梁橋不同荷載模式和火災場景下的扭轉(zhuǎn)

由于荷載不對稱或者溫度分布不均勻，鋼箱梁橋可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。設定3種情況對鋼箱梁橋扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象進行分析。在鋼箱梁橋支座處，同一橫截面的橋面板上選取對稱兩點A、B（見圖1），繪制其豎向位移-時間曲線如圖9所示。

第一種情況：鋼箱梁橋邊跨1/2受火、1/2橋面加載時，通過豎向位移-時間曲線（見圖9（a）），可以看到，隨著時間的變化，鋼箱梁的扭轉(zhuǎn)位移不斷加劇，120 min時兩點相對扭轉(zhuǎn)位移差達到64 mm，由于鋼箱梁橋1/2橋面加載，荷載本身偏離中性軸，剛開始產(chǎn)生了微小的扭轉(zhuǎn)位移1 mm，隨著鋼箱梁橋局部溫度不斷升高，鋼箱梁橋剛度不斷下降，鋼箱梁橋扭轉(zhuǎn)位移不斷加大。

第二種情況：鋼箱梁橋邊跨1/2受火、1/4橋面加載時，通過圖9（b）可以看到，120 min時兩點相對扭轉(zhuǎn)位移差達到24 mm，與第一種情況相比，扭轉(zhuǎn)變形較小。

第三種情況：鋼箱梁橋下全跨受火、1/2橋面加載時，通過圖9（c）可以看到，隨著溫度的升高，鋼箱梁的扭轉(zhuǎn)位移不斷增大，40 min時兩點相對扭轉(zhuǎn)位移差達到21 mm。

圖9 不同情況下位移-時間曲線

由于鋼箱梁橋1/2橋面加載，荷載本身偏離中性軸，剛開始產(chǎn)生了微小的扭轉(zhuǎn)位移2 mm，隨著鋼箱梁橋局部溫度不斷升高，鋼箱梁橋剛度不斷下降，鋼箱梁橋扭轉(zhuǎn)位移不斷加大。

綜合上面分析，偏心荷載和局部升溫會使鋼箱梁橋產(chǎn)生相應的扭轉(zhuǎn)，對鋼箱梁橋的抗火性能產(chǎn)生明顯不利的影響，所以在鋼箱梁橋的抗火設計中要考慮到鋼箱梁橋的扭轉(zhuǎn)對鋼箱梁橋抗火性能的不利作用。

5 結(jié)論

進行了鋼箱梁橋不同火災場景和不同荷載模式下的抗火性能分析，不同參數(shù)對鋼箱梁橋耐火極限的影響分析，以及鋼箱梁橋不同荷載模式和火災場景下的扭轉(zhuǎn)分析，結(jié)論如下：

（1）橋面全跨受火和橋面橋下邊跨1/2受火時，鋼箱梁橋均未達到鋼箱梁橋的耐火極限。橋下全跨受火、橋面橋下全跨受火及橋下跨中1/2受火的情況下，均達到了耐火極限規(guī)定值，并且隨著荷載的不斷增大，鋼箱梁橋的耐火極限不斷減小。

（2）橋面全跨受火和橋下邊跨1/2受火時，鋼箱梁橋均未達到鋼箱梁橋的耐火極限。橋下全跨受火、橋面橋下全跨受火及橋下跨中1/2受火的情況下，均達到了耐火極限規(guī)定值，相同的荷載模式下，隨著受火面的不斷加大，鋼箱梁橋的耐火極限不斷減小。

（3）橋下邊跨1/2受火時，未受火部分對受火部分產(chǎn)生了很大的約束作用，使鋼箱梁橋跨中撓度變形速率平緩。

（4）在橋下全跨受火時，提高鋼箱梁腹板高度、翼緣寬度、橋面板厚度均能提高鋼箱梁橋的耐火極限；相比ISO834標準升溫曲線，HC升溫曲線下鋼箱梁橋的耐火極限較?。欢炷翉姸?、鋼材強度、鋼筋直徑、鋼筋保護層厚度對鋼箱梁橋耐火極限影響很小。

（5）鋼箱梁橋邊跨1/2受火、1/2橋面加載，邊跨1/2受火、1/4橋面加載，橋下全跨受火、1/2橋面加載鋼箱梁橋均產(chǎn)生了很大的扭轉(zhuǎn)變形，因此在鋼箱梁橋抗火設計中應重視箱梁的扭轉(zhuǎn)。