[发明专利]一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法

说明书

技术领域

本发明涉及交通运输业桥涵工程领域，具体是涉及一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法。

背景技术

悬索桥作为城市的重要交通通道，分担了巨大的交通流量，桥梁运营中汽车燃烧风险不断增大，一旦发生汽车燃烧突发事件，不仅会造成人员重大伤亡，导致桥梁交通陷于瘫痪，同时主缆和吊索作为桥梁结构至关重要的构件，由于其承受巨大的拉应力，在汽车燃烧火灾作用下，主缆和吊索抗拉极限承载力和弹性模量均会大幅下降，从而使悬索桥使用寿命大幅下降，增加桥梁修复难度，损失不可估量。目前国内外主要进行了大量的建筑火灾理论计算分析和相关的抗火试验，对于大跨径钢-混组合悬索桥结构中发生的火灾，主要研究集中在采用有限元数值模拟计算分析桥梁结构在火灾作用下的力学性能响应，并没有根据具体的火灾发生位置得到悬索桥最危险火灾场景和相应的极限承载力，也没有进一步提出最危险场景下悬索桥抗火设置方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，该方法计算分析悬索桥在不同火灾场景下的桥梁结构主缆和吊索的极限承载力，得出悬索桥危险火灾场景，从而针对危险火灾场景提出悬索桥抗火设置方法，确定主缆和吊索外包防火层的材料和厚度，并确定火灾下吊索的防护高度和主缆的防护范围，该方法具有较大的实际工程应用价值。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，具体是：确定悬索桥最危险火灾场景，采用随温度变化的热工参数计算得到高温下桥梁结构的极限承载力，得到悬索桥汽车燃烧极限状态，将不同导热系数的防火材料的防火性能进行对比，确定了硅酸铝为悬索桥主缆和吊索的外包防火材料，将硅酸铝外包于主缆和吊索上进行热分析，通过主缆和吊索的温度随防火层导热系数和厚度变化曲线，确定硅酸铝防火层厚度的取值区间，最后根据吊索不同高度截面处的温度场分布获得火灾下吊索的防护高度h，根据主缆纵向不同位置截面处的温度场分布获得主缆的防护范围。

本发明可以采用以下方法确定悬索桥的最危险火灾场景，具体是：汽车燃烧位置横桥向位于桥梁最外车道，纵桥向位于主缆竖向高度最低处，此位置距离悬索桥主缆吊索最近且主缆高度最低，为悬索桥危险火灾场景，在危险火灾场景下对桥梁结构施加恒载+汽车活载，得到吊索抗破坏时间最短所对应的场景为最危险火灾场景。

本发明可以采用以下方法确定悬索桥汽车燃烧下极限状态，具体是：当吊索在火灾作用下的应力大于吊索高温抗拉强度时，吊索会发生破坏，在最危险火灾场景下，得到悬索桥随时间变化的温度场结果和高温下随时间变化的吊索的拉应力σ（T）、抗拉强度f（T）、弹性模量E（T），当σ（T）=f（T）时，得到吊索的破坏时间t₀、吊索的极限承载力f₀、吊索极限温度T₀，此状态为悬索桥火灾的极限状态。

本发明可以采用以下方法确定悬索桥主缆和吊索防火层厚度，具体是：将防火材料外包作用于吊索上，通过赋予外包防火层和其内的吊索材料不同的热属性，建立外包防火层材料导热系数λ和吊索钢丝最高温度T的关系曲线，并将吊索最高温度T与火灾极限状态下的吊索极限温度T₀相比较，由T＜T₀确定外包防火层材料导热系数的取值区间，从而最终确定外包防火层材料为硅酸铝，改变硅酸铝防火层的厚度，施加热荷载，得到吊索最高温度T随防火层厚度d变化的关系曲线，根据火灾极限状态T＜T₀，确定吊索外包防火层的厚度的取值区间，计算得出极限状态时主缆内外层钢丝温度随时间变化曲线，为防止主缆最外层钢丝温度过高，确定主缆外包防火层厚度的取值区间。

本发明可以采用以下方法确定火灾下悬索桥吊索防护高度和主缆防护范围，具体是：根据火源高度计算出吊索不同高度截面处的温度场分布，得到不同截面高度吊索温度随时间变化的关系曲线，并与火灾极限状态下的吊索极限温度T₀相比较，由T＜T₀可获得火灾下吊索的防护高度；根据火源长度计算出极限状态时主缆纵向不同位置截面处的温度场分布，得到不同截面位置主缆内外层钢丝温度沿纵桥向分布曲线，为防止主缆最外层钢丝温度过高，可获得主缆的防护范围。

本发明具有以下的主要优点：

其一.确定了大跨径悬索桥最危险火灾场景和极限承载力。

其二.精确确定了悬索桥主缆和吊索外包防火层材料和防火层厚度。

其三.给出了火灾下吊索的防护高度和主缆的防护范围。

附图说明