基于ANSYS的鋼管混凝土拱橋 吊桿受火力學(xué)性能研究

劉 睿，王金龍，冉文興，張嘉誠(chéng)

(1.重慶市江津區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶 402260；2.山東高速科技發(fā)展集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250002； 3.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

鋼管混凝土拱橋由于充分利用鋼材和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，成為近幾年國(guó)內(nèi)較為盛行的新型結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用在大跨徑拱橋中。在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[1]中，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，鋼管和混凝土之間可以協(xié)同互補(bǔ)，合作受力，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度得到較大程度恢復(fù)，故其抗火性能比單純的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)；但是隨著科技進(jìn)步和社會(huì)生活水平的提高，環(huán)境氣溫不斷上升，在高溫作用下鋼管混凝土拱橋力學(xué)性能依然會(huì)產(chǎn)生不利變化，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)損壞。目前有關(guān)鋼管混凝土拱橋抗火性能的研究始終沒(méi)有形成比較權(quán)威及系統(tǒng)的理論成果。國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的常規(guī)思路通常都參考建筑防火規(guī)范，缺乏深入的仿真計(jì)算。

如何合理分析鋼管混凝土拱橋受火性能是影響其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。本文首先對(duì)比ANSYS熱結(jié)構(gòu)模型有限元計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證ANSYS熱結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果的合理性，總結(jié)歸納高溫下鋼材的物理力學(xué)性能，在奠定一定理論的基礎(chǔ)上，借助ANSYS熱分析模型開(kāi)展鋼管混凝土拱橋吊桿受火力學(xué)性能影響研究。

1 高溫下高強(qiáng)鋼材的物理、力學(xué)特性

介于鋼管混凝土拱橋吊桿大多采用高強(qiáng)鋼材，以下給出高強(qiáng)鋼材在高溫下的物理力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系。參照有關(guān)規(guī)范[2]，鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)λs=45 W/(m×℃)，比熱容[3]CS=481.5+7.99510-4TS。

高強(qiáng)鋼絲在高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈四折線變化規(guī)律[4]：原點(diǎn)—比例極限—條件屈服—極限強(qiáng)度—計(jì)算終結(jié)點(diǎn)。高強(qiáng)鋼材熱膨脹系數(shù)采用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

as(T)=(12×T+0.004×T2)×10-6。

(1)

式中：as(T)為T時(shí)鋼材熱膨脹系數(shù)，1/℃。

2 火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

發(fā)生火災(zāi)時(shí)結(jié)構(gòu)溫度變化本是一個(gè)升降復(fù)雜多變的過(guò)程，為簡(jiǎn)化分析，本文采用近幾年來(lái)國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的升溫曲線———ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線[5]，溫度隨時(shí)間變化關(guān)系如下：

升溫過(guò)程：T=345log(8t+1)+20；

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：T為平均溫度，℃；t為時(shí)間，min。

3 ANSYS熱結(jié)構(gòu)分析模型驗(yàn)證

20世紀(jì)末，國(guó)外以Rubert A等為代表的眾多研究人員開(kāi)始針對(duì)鋼材的抗火性能進(jìn)行研究，主要針對(duì)多種鋼框架模型展開(kāi)試驗(yàn)，得到不同框架模型的破壞形式，國(guó)外有關(guān)研究給出了EHR3試驗(yàn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)[6]，其框架模型如圖1所示。國(guó)內(nèi)學(xué)者蔣首超等也進(jìn)行了類似的抗火試驗(yàn)研究[7]，找出高溫下多層鋼框架結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。本文采用ANSYS自帶的熱結(jié)構(gòu)分析模型對(duì)拱橋抗火性能進(jìn)行研究，為驗(yàn)證其分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)說(shuō)服力，本節(jié)先根據(jù)EHR3模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立ANSYS熱分析模型，展開(kāi)有限元計(jì)算，對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。

圖1 EHR3模型[6]

3.1 ANSYS熱分析模型

試驗(yàn)材料選用屈服點(diǎn)為382 MPa的IPE80工字型鋼，有限元分析模型運(yùn)用熱-結(jié)構(gòu)耦合法，梁和柱通過(guò)SOLID70單元模擬，參照第1節(jié)確定鋼材物理力學(xué)特性，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系考慮為理想彈塑性，升溫段結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖2。有限元模擬時(shí)，位移邊界及荷載值以分子步方式施加，溫度荷載先寫(xiě)入熱分析結(jié)果文件，再以讀入方式進(jìn)行施加。采用牛頓-拉夫遜法[8]進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨溫度變化關(guān)系[2]

3.2 有限元結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

建立有限元模型進(jìn)行熱分析，提取不同溫度荷載下各節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布，如圖3所示。計(jì)算出橫梁跨中位移，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]進(jìn)行對(duì)比(結(jié)果見(jiàn)圖4)，兩者誤差值總結(jié)于表1。分析表明：有限元計(jì)算結(jié)果同試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異不大，誤差絕對(duì)值均小于1 mm，相對(duì)誤差基本保持在10%以內(nèi)，從而驗(yàn)證了ANSYS熱結(jié)構(gòu)分析模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高本文研究結(jié)果的說(shuō)服力，為下文開(kāi)展拱橋抗火性能研究奠定基礎(chǔ)。

圖3 EHR3模型溫度場(chǎng)分布[6]

圖4 跨中位移對(duì)比

表1 EHR3有限元計(jì)算結(jié)果

4 吊桿受火對(duì)拱橋力學(xué)性能影響

4.1 全橋模型

本節(jié)以某中承式鋼管混凝土拱橋?yàn)槔?，開(kāi)展鋼管混凝土拱橋抗火性能研究，分析吊桿受火對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。該橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷翍益溇€拱橋，上下弦桿由4根φ1016×14的Q345鋼材和C50混凝土組成(全橋有限元模型如圖5所示)，拱軸系數(shù)m=1.5，主拱圈采用桁架結(jié)構(gòu)，凈跨235 m，凈矢高47 m，腹桿為空鋼管，設(shè)置30對(duì)間距6 m的柔性吊桿，吊桿材料為直徑5 mm的PES(C)5-151平行高強(qiáng)鋼絲成品拉索。運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS對(duì)吊桿進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，吊桿單元選用PLANE55平面熱單元，主拱肋、管內(nèi)混凝土、拱上立柱及其橫梁、吊桿橫梁及橋面系均選用beam44梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬[9]，鋼綴板及板內(nèi)混凝土采用solid63進(jìn)行模擬?；鹪次恢锰幍鯒U選擇beam188進(jìn)行模擬，其余吊桿均以link10單元模擬。拱橋火源側(cè)(右側(cè))吊桿編號(hào)和火源位置如圖6所示。由于拱橋跨中截面變形較大，本文針對(duì)跨中吊桿施加火源開(kāi)展研究。

高溫下鋼材和混凝土物理力學(xué)性能按照第1節(jié)給出的變化規(guī)律考慮，依據(jù)第2節(jié)給出的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線定義熱邊界條件[10]，計(jì)算吊桿橫截面和長(zhǎng)度方向各節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布，分析表明：高溫下吊桿橫截面的溫度梯度較小，究其原因，吊桿熱傳遞系數(shù)較大而橫截面面積較??；因此在后續(xù)的分析中可以假定高溫下吊桿溫度僅沿長(zhǎng)度方向發(fā)生梯度變化，橫截面溫度保持不變。

圖5 全橋結(jié)構(gòu)有限元模型

圖6 火源、吊桿、橋面位置編號(hào)示意

4.2 橋面變形分析

由于吊桿材料的應(yīng)力-應(yīng)變溫度范圍是0～700 ℃，本文計(jì)算中最高溫度限定為700 ℃。計(jì)算出橋面在初溫、吊桿升溫至700 ℃、恢復(fù)到常溫3個(gè)不同工況下由自重產(chǎn)生的位移(見(jiàn)圖7)，700 ℃時(shí)橋面火源側(cè)和非火源側(cè)自重作用下的位移對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖7 自重作用下火源側(cè)橋面變形

圖8 自重作用下700 ℃時(shí)橋面兩側(cè)位移對(duì)比

由圖7可見(jiàn)知：自重作用下，隨溫度上升，受火吊桿附近橋面位移增大，受火吊桿處變化最大，增加了3.86 cm，降溫后，變形有所減小，但即使恢復(fù)至常溫，其位移仍大于初始值，最大殘余變形位于受火吊桿處，達(dá)到2.17 cm；橋面距離受火吊桿越近，受影響越大，離受火吊桿30 m以外的橋面位置基本無(wú)變化。

圖8表明：受火吊桿位置處火源和非火源兩側(cè)橋面變形相差最大，距離吊桿越近，其差異越大，距離受火吊桿30 m外的橋面位置火源和非火源兩側(cè)位移基本相同。

綜上所述：吊桿受火主要對(duì)其30 m以內(nèi)的橋面線形存在一定影響，距離受火吊桿越近，影響越大。分析其原因在于溫度不斷增加，造成受火吊桿由彈性變?yōu)閺椝苄陨踔了苄?，引起其變形的大幅度增加，且存在部分塑性殘余變形。故?dāng)拱橋吊桿失火時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與受火吊桿距離較近的橋面線形。

4.3 拱肋變形分析

計(jì)算吊桿受火時(shí)原橋拱肋在常溫和升溫至700 ℃兩個(gè)工況下由自重產(chǎn)生的變形值，見(jiàn)表2。為了研究拱肋剛度的影響，分別增大、減小拱肋剛度進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖9。

表2 自重作用下原橋拱肋變形(設(shè)計(jì)剛度) cm

圖9 自重作用下不同拱肋剛度吊桿受火拱肋變形

從表2可知，吊桿受火對(duì)拱肋變形影響不大，究其原因：吊桿屬于柔性桿件，其應(yīng)力重分布不至于使得剛度較大的拱肋發(fā)生顯著變形。且從圖9可以看出拱肋剛度越大，吊桿受火對(duì)其影響越小，建議對(duì)易發(fā)生火災(zāi)的工程，可考慮通過(guò)適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)剛度來(lái)提高其抗火性能。

4.4 吊桿軸力分析

在火災(zāi)作用下，受火吊桿同周圍構(gòu)件相互影響，局部位置產(chǎn)生內(nèi)力重分布現(xiàn)象，距離受火吊桿越近，內(nèi)力重分布現(xiàn)象越明顯。表3給出了受火吊桿(16#)及其左右側(cè)鄰近吊桿(13#、14#、15#、17#、18#、19#)在常溫、700 ℃高溫、恢復(fù)至常溫3個(gè)工況下自重作用下的軸力值。

表3升溫時(shí)吊桿軸力變化

由表3可知，受火吊桿本身軸力隨溫度上升而下降，降溫時(shí)有所回升；受火吊桿左右側(cè)相鄰吊桿(15#、17#)軸力隨溫度升高而增加，其變化較大；離受火吊桿距離越遠(yuǎn)，軸力變化越小。

究其原因：溫度上升，吊桿彈性模量急劇降低，抗拉剛度減小，軸力降低較多，恢復(fù)至常溫，雖然材料彈模存在一定回增，但因?yàn)楦邷貢r(shí)已經(jīng)處于塑性狀態(tài)；所以吊桿軸力無(wú)法回到最初狀態(tài)。由于受火吊桿進(jìn)入塑性階段，變形增加，使火源桿附近吊桿產(chǎn)生軸力重分布。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)截面溫度場(chǎng)進(jìn)行分析和計(jì)算,獲得構(gòu)件截面溫度場(chǎng)變化情況,數(shù)據(jù)與已有試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,證明了ANSYS熱結(jié)構(gòu)有限元分析方法結(jié)果的說(shuō)服力，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展火災(zāi)對(duì)中承式鋼管混凝土拱橋力學(xué)性能影響研究，主要得到以下結(jié)論：

1)有限元火災(zāi)模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，采用ANSYS熱分析模型進(jìn)行火災(zāi)模擬計(jì)算是合理的。

2)吊桿受火對(duì)距離其30 m以內(nèi)的橋面線形影響需引起重視，對(duì)受火吊桿附近位置影響最大，非火源側(cè)橋面線形受影響較小，可以忽略。拱肋剛度越大，其受火災(zāi)影響越小，由于本橋拱肋剛度較大，火災(zāi)對(duì)拱肋線形影響可忽略不計(jì)。受火吊桿本身及其附近位置處的吊桿軸力受火災(zāi)影響較大，但變化規(guī)律存在差異，隨溫度升高，受火吊桿軸力減小，左右鄰近吊桿軸力增加；離火源較遠(yuǎn)的吊桿內(nèi)力受火災(zāi)影響可忽略不計(jì)。

3)鋼管混凝土拱橋吊桿受火時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)火源側(cè)受火吊桿附近橋面變形和吊桿軸力是否滿足要求，工程實(shí)例中可考慮通過(guò)增加拱肋剛度提高結(jié)構(gòu)抗火性能。

限于時(shí)間和篇幅，本文在對(duì)火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于橋梁等大型戶外結(jié)構(gòu)，如何更精準(zhǔn)的確定火源模型，有待深入研究。