2013年--橋梁工程外文翻譯--評估橋梁中鋼梁的耐火性（譯文）

1、<p>　　中文5700字，4500單詞，2.3萬英文字符</p><p>　　出處：Kodur V, Aziz E, Dwaikat M. Evaluating Fire Resistance of Steel Girders in Bridges[J]. Journal of Bridge Engineering, 2013, 18(7):633-643.</p><p>　

2、　評估橋梁中鋼梁的耐火性</p><p><b>　　摘自《橋梁工程》</b></p><p>　　Venkatesh Kodur, F.ASCE1; Esam Aziz2; and Mahmud Dwaikat3</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在目前的實踐中，沒有特

3、別的措施用來提高鋼橋鋼梁結構的防火安全，此 外，關于橋梁構件的耐火極限的研究文獻很有限，在本文中，用有限元程序來分 析鋼橋主梁在火的作用下的不同反應，分析的關鍵因素影響耐火性，即火災場景、 防火隔熱，并綜合考慮鋼混凝土相互作用所產生的復合作用。數值計算的研究結 果表明，鋼箱梁混凝土梁板的相互作用而產生的復合作用使著火條件下鋼箱梁橋 結構性能（和耐心性）顯著增強。其他影響鋼橋主梁的耐火性的重要因素是防火 絕緣材料和防火方案的類型。<

4、/p><p>　　CE 數據庫關鍵詞：火災；防火性；梁橋；鋼梁橋 關鍵詞：橋梁火災；耐火性；鋼梁；有限元分析</p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　火災嚴重的危害環(huán)境，據此，建立基礎設施需考慮這一點，在最近幾十年 來，由于城市地面交通的快速發(fā)展以及有害物質的增加運輸（如：易燃液體，自 燃物質，有毒物質等），橋梁火災引起了越來

5、越多的關注。然而一般感覺橋梁不 會在火災下崩坍，美國運輸部最近的的一次調查顯示在 1990—2005 年期間由火 災導致的橋梁崩坍比地震導致的多三倍以上。在某些情況下，橋梁火災可能導致 結構構件的崩潰，導致大量的交通延誤，走彎路，和昂貴的維修費用。下面的火 災事件說明了橋梁火災問題的嚴重性。</p><p>　　2009 年 7 月 15 號，一輛運載 13000 加侖易燃液體的油罐車與另一輛卡車在 密歇根淡褐色

6、公園附近的高速公路上的立交橋上相撞，這座橋包括 10 熱軋大鋼 梁在 24 米鋼筋混凝土樓板的跨度內，高溫達到 1100 攝氏度，這熱度削弱了鋼梁 導致了天橋的崩坍，如圖一所示，火災開始的 20 分鐘左右橋梁垮塌了，消防隊 員花了 105 分鐘才將大火撲滅，該事故造成了數百萬美元的損失。</p><p>　　火災引起橋梁垮塌的另一個例子發(fā)生在加利福尼亞州的奧克蘭和麥克阿瑟 迷宮的交界處，2007 年 4 月 29

7、 日，一輛運載 8600 加侖的卡車翻倒在高速公路</p><p>　　上，其中包括由六板梁支撐的鋼筋混凝土路面。消防隊員在 14 分鐘內趕到了現</p><p>　　場，但大火導致的事故現場溫度達到了 1100 攝氏度，這種強高溫導致鋼梁強度 的損失，22 分鐘后最終導致了 580 跨度內的崩坍，初步分析表明，該故障是高 溫影響下過應力的影響，這次事故花費了 9 百萬美元來修復這座橋，翻

8、新了好幾 個月才完成。</p><p>　　橋梁結構構件在火災的影響下反應不同的原因有：</p><p>　　1.火源：橋梁著火的常見原因是橋梁附近油罐車的碰撞引起的汽油燃燒，然 而，共同的原因是建筑物中包含能燃燒的材料（主要是以木材和塑料為基礎的產 品）。</p><p>　　2.消防通風：大多數建筑物是封閉的或者通風量是有限的，然而，橋梁火災 一般在露天的條件下

9、，能無限的通風（氧氣）。</p><p>　　3.火災嚴重程度：橋梁火災比建筑火災更激烈，更有代表性，因為火源一般 是汽油。</p><p>　　4.消防：建筑物都提供了主動防火系統，如灑水裝置和被動防火等防火措施， 但在橋梁中沒有特殊的防火措施。</p><p>　　5.故障極限狀態(tài)：橋梁主梁比建筑物主梁更長，剪切破換在主梁中占的比重 大，彎曲破話在橫梁中占的比重

10、大。</p><p>　　6.連接：橋梁主梁通常用底部法蘭軸承，相反，建筑通過鋼筋網或者法蘭， 支撐條件的不同影響結構的耐火性。</p><p>　　回顧文獻表明缺乏關于橋梁的耐火性能的相關信息，這主要是因為關心橋梁 結構防火安全的人很少。關于橋梁耐火性的研究主要來自于多銳普，克多，巴耶 利弗特和加洛克。這些研究清楚的表明，橋梁火災是一個嚴重的問題并且通常是 由橋梁附近的機械爆炸引起的。橋

11、梁坍塌的時間通常在 30 分鐘之內，留給消防 隊員作出回應的時間很少，此外，缺乏影響橋梁主梁耐火性的主要信息，為了彌 補這些不足，密歇根州立大學成立了一個研究鋼橋耐火性能的研究項目，本文給 出了鋼橋的防火性能的數值研究結果。</p><p><b>　　有限元模型</b></p><p>　　為了說明鋼梁在火中的反應，使用有限元程序 ANSYS 進行了數字研究，這 個

12、程序能夠處理結晶器內部發(fā)生的熱力耦合和非耦合問題。通過分析，剪支鋼箱 梁橋被選中。這種橋通常包括不同的結構元件，即梁，鋼筋混凝土樓板和中間隔 膜，兩組離散化模型用于熱和機械的分析。將熱體荷載均布于結構模型的主梁跨 度得到了熱分析的結果。高溫熱與機械屬性的鋼鐵，混凝土和絕緣性都納入了分 析，把強度極限狀態(tài)定義為故障，也就是說當梁無法承擔所承受的荷載。</p><p>　　圖 1：由火災引起的密歇根州榛園立交橋的梁坍

13、塌（拍于 Zapletal 2009 年）</p><p><b>　　熱分析</b></p><p>　　對所選的鋼—混凝土組合梁進行了兩種情況下的傳熱分析，即有和沒有加勁 肋。SOLID70 元素英語離散梁，板和加強筋，SOLID 是一種三維元件有三維熱 傳導能力，并具有八個節(jié)點自由，即每個單節(jié)點處的溫度程度。此元件一般用于 三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析，該 SOLID7

14、0 元件的表面區(qū)域除了板的頂表面外都處于 火中，分別用來模擬鋼梁在對流和輻射下所發(fā)生的表面效應，對所采用的離散化 熱模型圖如圖 2 所示。</p><p>　　圖 2(b)所示的板主件線段 AB 是網狀的 SOLID70 元件，兩個熱對流和熱輻 射荷載施加在表面區(qū)域，對流系數和熱分析中使用的碳氫化合物和外部火是根據 歐洲法規(guī)（歐洲標準化委員會）確定的。一個 0.7 倍有效發(fā)射率因子用于底部和 側面梁的下翼緣的表面

15、。一個 0.5 倍發(fā)射率的因子用在網的側表面，而 0.3 倍的 用于法蘭板的頂部和底部。發(fā)射率的變化說明在網絡，頂部法蘭和平板處深度的 變化對輻射的影響較大。鋼鐵和混凝土的熱性能，即熱導電率，比熱，熱膨脹隨 溫度的變化而變化，在分析中，高溫性能假設是按照歐洲規(guī)范 2 和歐洲規(guī)范 3</p><p>　　來確定的。溫度 T 是由有限元分析每個組件（如法蘭，板等）每個時間段的平 均溫度得到的，如圖 3 所示。<

16、/p><p><b>　　分析離散的結構</b></p><p>　　結構分析中橋主梁有兩個建模元件，即元件 SHELL181 底部法蘭，網絡， 上翼緣，加強劑和元素 SOLID65 混凝土板。SHELL181 有四個節(jié)點，每個節(jié)點</p><p>　　有六個自由度，即 X，Y，Z 上的三個方向和三個轉角，這個元件可以定位法蘭 和網絡的屈曲程度和側

17、向扭轉程度，因此很適合用于大旋轉，大變形的非線性問 題。</p><p>　　SOLID65 有八個節(jié)點三個自由度，即在 X，Y，Z 三個方向上。這個元件可 以用于固體或無加固的三維建模，并能用于計算混凝土在拉伸開裂，混凝土徐變 下的應力，輸出的熱分析（溫度）用來評估鋼—混凝土結構模型的力學效應。三 維結構模型的分析如圖 4(a)所示。</p><p>　　考慮到混凝土板和鋼梁的上翼緣之間

18、的復合作用，將節(jié)點和節(jié)點的相互作用 進行離散分析，如圖 4(b)的結構模型所示?；炷涟搴弯摿荷弦砭売邢嗤墓?jié)點， 有限元的模型是離散型的，橋梁主梁邊界的支撐條件用于法蘭的下表面，如圖 4(c)所示。這種邊界狀態(tài)反應了實際情況，減小了邊界節(jié)點的應力集中并改善了 有限元方案，同時，考慮到混凝土的連續(xù)性效應，板在橫向的運動受到了限制（參 見圖 4(c)）。</p><p><b>　　材料特性</b&

19、gt;</p><p>　　型鋼在火中的變化取決于火災場景和型鋼的組成材料的熱性質，即熱導率， 比熱和熱膨脹，其變化作為溫度的變化。鋼和混凝土的力學性能對耐火性，應力 應變關系和彈性模量至關重要，它也隨溫度而變化。溫度取決于鋼筋和混凝土的 熱學和機械性能，假設是按照歐洲規(guī)范 2（CEN 2004）和歐洲法規(guī) 3（CEN 2005） 確定的。熱導率，比熱，結構鋼的熱膨脹系數和應力—應變曲線的分析如圖 5—</

20、p><p>　　8 所示。應用于鋼梁中消防隔熱的是 CAFCO300，這種絕緣體的導熱系數為</p><p>　　0,078W/(mC)密度為 240 公斤/立方米，CAFCO300 通常用于室內，但這種類型的 絕緣物的熱屬性（即熱導率和比熱）在室內和室外的的性能是十分相似的。高溫 絕緣層的熱性能按照本茨和普拉薩德的建議來假定。與溫度有關的熱導率和絕緣 體的比熱值都是溫度的函數，其關系如圖 9

21、 所示。</p><p><b>　　模型驗證</b></p><p>　　目前缺乏在火災條件下橋梁主梁的防火測試數據，因此，英國鋼鐵公司開發(fā) 了鋼束混凝土板這一模型。這種在建筑物中很典型的梁板被用來做火災測試。驗 證過程包括比較從防火測試報告中預測的熱度和結構反應。鋼梁不絕緣，用于測 試的梁板支架和帶熱電藕的布局如圖 10 所示。</p><p&

22、gt;　　圖 11 表示用有限元模型進行防火測試測量的鋼的溫度，可以看出該梁的上 翼緣的溫度比底部法蘭的溫度要低，這是因為混凝土板在頂部法蘭處消散的溫度 較低，因為混凝土與鋼相比有較低的熱導率和較高的熱容量。網絡溫度比底部法 蘭的溫度略高，這是因為網絡的厚度比法蘭的小?？傮w而言，由分析得到的預測 溫度數據比實驗得到的測量溫度數據要好，輕微的區(qū)別可能是因為傳熱參數的變 化，比如輻射和對流系數。</p><p>　　

23、由 ANSYS 模型得到的跨中撓度和實驗測得的跨中撓度的比較如圖 12 所示， 由圖可知，在火災的早期，跨中撓度隨時間逐漸增大。這些初始撓度主要是由于</p><p>　　頂部和底部的法蘭型鋼和鋼梁在高溫下彈性模量發(fā)生變化而引起的。10 分鐘后， 由于可塑性的擴展，偏轉率會略微增加，從而導致鋼的強度和剛度在高溫下更迅 速的退化，在大約 21 分鐘時,底板和斜腹板的溫度約為 600 度，在高溫的作用下 跨中的偏轉度

24、增大，并在 23 分鐘的時候跨中截面斷裂。</p><p>　　總的來說，由 ANSYS 模型得到的數據同實驗報告的數據很接近，細微的不 同可能是因為采用理想化的分析，比如實驗和分析假設的處于火中的長度不同， 在有限元模型中整個跨度（4.5 米）置于火中，而在測試過程中只有 4 米置于火 中，并且所述的支撐區(qū)域在爐外，據英國鋼鐵技術和 Swinden 實驗室（1989）報 道。從 ANSYS 模型預測的出現故障的

25、時間具有很好的可接受性，例如，以偏轉 極限狀態(tài)作為故障準則預測到的時間是 22.5 分鐘而實驗得到的是 23 分鐘。 研究案例</p><p>　　橋梁的選擇 簡支鋼箱梁橋被選來研究橋梁主梁在火災下的的反應，該鋼橋的 RC 樓板厚</p><p>　　200 毫米由五個 W333141 熱軋鋼梁支撐，鋼梁和板連接為一體，橫向隔板在中 間和兩端橫向連接防止板橫向運動，如圖 13 所示。該橋主

26、梁長 12.2 米，在兩端 有兩個寬為 36 毫米的伸縮縫，該梁由 50 級鋼制成（屈服強度是 350 兆帕），而 使用的混凝土板的抗壓強度是 30 兆帕。</p><p>　　不同的參數 用已驗證的有限元模型評估了橋梁在五種不同情況下的的耐火性，防火措</p><p>　　施和鋼筋混凝土所產生的復合作用是變量。表 1 表示分析結果的測試參數和總 結。該分析是在兩個火災場景下進行的，即碳氫

27、化合物和外部火災場景。</p><p>　　分兩種情況來討論鋼梁和混凝土板的相互作用，在案例一中忽略板的相互作 用，只分析梁對應的強度。在案例二中考慮鋼梁和混凝土板的相互作用。在案例 三中，同案例二一樣只是把評估耐火性的火災場景改為室外火災場景。外部的火 沒有碳氫化合物類火那么激烈，也是橋梁火災場景之一。碳氫化合物類火和外部 火的時間和溫度的關系曲線如圖 14 所示。</p><p>　　

28、在主梁上施加相當于自重的百分之三十的活荷載進行耐火性分析，梁段的自 重為 2.0KN/m，混凝土板的磨損面積和自重是按照 AASHTO 標準規(guī)定的。均布 荷載為 9.3KN/m，相當于施加的活荷載的 0.3 倍。</p><p><b>　　結果和討論</b></p><p>　　用 ANSYS 分析案例 2 得到的結果如圖 15 所示，圖中顯示，在烴類火災下， 組合

29、梁中鋼筋混凝土的溫度分布是時間的函數。由圖 15 可以看出，頂部法蘭的 溫度遠低于底部法蘭。這主要是因為混凝土板的隔熱效果，熱度從頂部法蘭板消</p><p>　　散。此外，網絡處的溫度比底部法蘭略高，因為網絡處比法蘭薄，這就使網絡處 的溫度迅速上升。</p><p>　　案例2（非隔熱梁）和案例4（隔熱梁）的梁板坯的橫截面的熱梯度變化如圖 16所示，20分鐘時案例2中的溫度為950C，案

30、例4為500C，案例2中因為混凝土板 的溫度與底部法蘭的溫度相差較大，所以橫截面的熱梯度變化較顯著。然而，在 案例4中，由于隔熱體的存在，最大限度的減小了熱梯度的變化，直到60分鐘時 溫度才達到874C。因此，案例4下的隔熱梁比案例2下的非隔熱梁存活時間長。 火的類型也影響熱梯度，這可以通過比較案例2和案例3的溫度梯度得出，案例2 中（碳氫化合物火災場景）60分鐘時的梯度是945C，案例3中（外部火災場景） 60分鐘時的梯度是530C，

31、這是因為外部火的溫度比烴類火低，從圖14可以看出。 在一般情況下，更高的熱梯度產生更高的溫度，因此，熱曲率變化顯著的梁導致 高熱應力。開始階段曲率的變化與施加的荷載無關，只與熱梯度效應有關。因此， 早期的曲率變化是因為鋼暴露在火中的熱梯度變化，一旦鋼的溫度超過400C， 由于鋼的機械性能降低變形量顯著增大。</p><p>　　由圖16可知，整個網絡的溫度是均勻的，熱分析的結果表明軸承處的溫度分 布和網絡處的非常

32、相似，這是因為兩者的的加強件相似。因此，對網絡和軸承加 強筋施加同樣的溫度來進行熱分析。</p><p>　　圖17為一個典型的橋桁結構示意圖，梁的跨中撓度是處于火中的時間的函 數，這些撓度曲線分五種情況來分析，偏轉級數的總體趨勢可以分為不同的階段。 在火災的早期階段，跨中撓度線性增大，這主要是因為橫截面溫度級數的變化。 因此，撓度在不同時間內變化的原因是不同的。撓度在火災早期顯著增大時因為 鋼筋和混凝土的強度和

33、剛度在高溫下被破壞。在火災的后期，除了案例3外的其 他案例都是因為高溫蠕變的影響。</p><p>　　案例 1（沒有復合作用）的故障是因為底部法蘭發(fā)生了彎曲，因為在這種情 況下沒有樓板的影響。案例 2,4 和 5 有板的復合作用，梁破換的原因是網絡附近 的支撐作用。通過上述分析可知，鋼—混凝土的復合作用產生的相互作用增大梁 的抗彎能力，但是抗剪能力沒有顯著的增大。事實上，由于溫度的升高，網絡失 去強度的速度比法

34、蘭快。在案例 3 中，外部火災產生的較低溫度使梁產生疲勞， 其中最大溫度可達 680C。</p><p>　　表一中為五種情況下跨中撓度和失效時間的分析結果摘要，有復合作用時結 構的耐火性提高。案例 1 中與沒有復合作用的梁相比，有復合作用時故障出現的 時間長 12 分鐘，案例 2 中考慮混凝土板和鋼梁的相互作用時長 21 分鐘。在碳氫 化合物的火災場景下分析案例 1 和案例 2，兩種的熱梯度相同。此外，案例 1

35、 中 撓度的變化很大，破換時的最大跨中撓度為 327 毫米，而案例 2 的為 165 毫米， 這是因為混凝土板的剛度在高溫下被破壞。案例 2 中結構性能（和耐火性相關的） 的顯著增強是因為混凝土板的抗彎能力的作用。此外，在初期，型鋼和混凝土板 的抗彎能力決定結構的強度，但是，高溫下鋼的強度性能迅速降低，最終型鋼決 定梁的承載能力?；炷涟逡驗榛炷恋膹姸刃阅苋杂凶銐虻牡挚鼓芰?，結果在 后期混凝土承受荷載，因此，有復合作用的梁的存活時間比

36、沒復合作用的長。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　用非線性的有限元評估火災條件下橋梁的梁的反應，基于分析結果可得到以 下結論：</p><p>　　1.在某些情況下，火災是鋼箱梁橋的一個顯著危害。目前關于鋼橋的防火性 能的信息很有限。</p><p>　　2.由于不同的防火建筑梁，荷載，幾何

37、形狀和截面特征，大橋主梁在火災中 的表現不同，因此，已有的關于建筑結構的耐火性資料不能直接應用于橋梁。</p><p>　　3.ANSYS 可以用來模擬火災對橋梁的影響，SOLID 單元可以用來模擬熱響 應，SHELL181 和 SOLID65 元件可以模擬結構響應。</p><p>　　4.鋼梁和混凝土板的相互作用產生的復合作用能顯著增強橋梁的耐火性，因 此，正確的評價橋梁主梁的耐火性要

38、考慮復合作用。</p><p>　　5.火災的類型和絕緣體對橋梁的耐火性有很大的影響。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　實驗所用的這些材料是由美國國家科學基金會贊助的，作者感謝美國國家科 學基金會的支持，本文中的所有意見，研究成果，結論都是作者本人的，并不一 定反映美國國家科學基金會的意見。</p>