一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法技术

本发明专利技术公开一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法，属于计算、推算或计数的技术领域。该方法包括：基于实验数据建立吊索母材在高温遇水冷却后的材料强度模型；利用FDS软件建立桥梁吊索的火灾数值仿真模型，计算从起火至喷水灭火期间吊索表层各节点位置的温度时变模型；利用有限元软件建立包含全部钢丝的桥梁吊索精细有限元模型，计算得到每根钢丝温度的时变规律；基于吊索母材强度模型，由每根钢丝的最高温度得到喷水灭火后每根钢丝对应的剩余强度；比较各根钢丝应力与钢丝剩余强度，得到有效钢丝数量及吊索截面有效面积，进而计算吊索结构火灾后的安全性。本发明专利技术能够在桥上车辆火灾发生后对桥梁吊索结构的安全进行合理评估。生后对桥梁吊索结构的安全进行合理评估。生后对桥梁吊索结构的安全进行合理评估。

【技术实现步骤摘要】
一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法


[0001]本专利技术涉及桥梁工程计数，尤其公开一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法，属于计算、推算或计数的


技术介绍

[0002]为实现大跨径、超大跨径的工程要求，缆索结构体系在桥梁建设中运用得越来越广泛。与混凝土材料相比，缆索结构的母材——钢材比热容小、导热系数大的特点使之易受火灾高温威胁。桥上发生火灾后，火源附近的缆索结构受到高温影响而引起母材强度退化，影响结构安全，故有必要开展对火灾后吊索结构安全性的研究工作。目前，已有学者对吊索在火灾后的力学性能进行了试验与模拟研究，但大部分通过人为设定升温过程或借鉴国内外相关规范的升温曲线来研究吊索在高温后的抗力，因缺乏对真实火灾发生时火场温度变化情况的计算而与实际情况不符；另一方面，此前的有限元分析方法将吊索作为均质圆柱体来进行处理，但吊索截面由平行钢丝组成存在空隙，全截面整体考虑不能反映吊索截面的真实剩余抗力，使吊索高温后力学性能计算结果与实际情况偏差较大。本专利技术旨在提出一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法以克服上述缺陷。

技术实现思路

[0003]本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法，在火灾仿真模型模拟的火灾过程中逼近桥梁吊索截面温度场的有限元模型，实现准确分析评估桥梁火灾发生后吊索安全性的专利技术目的，解决现有桥梁火灾发生后吊索安全性分析技术获得的吊索高温后力学性能计算结果与实际情况不符的技术问题。
[0004]本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：
[0005]本申请实施例提供的一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法，包括：
[0006]S1：基于实验数据建立桥梁吊索母材在高温遇水冷却后的材料强度模型；
[0007]S2：建立桥梁吊索的火灾数值仿真模型以及从起火至喷水灭火期间吊索表面最高温度时变模型；
[0008]S3：建立模拟桥梁吊索截面温度场的有限元模型，将吊索表层的最高温度时变模型定义为有限元模型的边界条件，同步火灾数值仿真模型和有限元模型，在有限元模型中模拟每根钢丝在火灾过程中经历的最高温度；
[0009]S4：根据桥梁吊索母材在高温遇水冷却后的材料强度模型，由每根钢丝在火灾过程中经历的最高温度得到喷水灭火后每根钢丝的剩余强度；
[0010]S5：通过比较各根钢丝应力与喷水灭火后的钢丝剩余强度，得到有效钢丝数量及吊索截面有效面积，进而计算桥梁吊索在火灾后的剩余承载力，判断火灾后吊索的结构安全性。
[0011]作为一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法的进一步优化方案，S2中利用FDS软件建立桥梁吊索的火灾数值仿真模型，建立桥梁吊索的火灾数值仿真模型以及从起火至喷水
灭火期间吊索表面最高温度时变模型的方法，具体包括S21和S22。
[0012]S21：根据火灾影响范围及计算精度要求设置软件的模拟范围(即需要进行模拟计算的空间区域大小)与网格尺寸，根据火灾燃烧物选取燃烧反应模型如设置燃料类型、单位质量氧气释放能量、燃烧热值等，根据现场空间方位设置构筑物、障碍物的尺寸与位置，根据公式(1)建立燃烧模型：
[0013]HRR
m
＝at2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014]式(1)中，HRR
m
为火源最大热释放速率，t为从起火开始算起达到最大火灾规模所需时间；a为火灾增长系数，对慢速型、中速型、快速型、超快速型火灾分别取0.002931、0.01127、0.04689、0.1878。
[0015]根据气象参数温度、湿度、气压等设置模拟初始条件，四周边界的通风条件按照实际风向、风速来确定，例如，模拟空间的上边界设为自由敞开通风状态，下边界设为不通风密闭绝缘。
[0016]S22：在吊索表面每隔一定距离布设一个热电偶，计算火灾发生全过程中缆索表面各节点(即热电偶所在位置)的温度，通过对比每一时刻下吊索表面各节点温度，提取任意时刻的吊索表面最高温度，以起火时刻为初始时间，以喷水灭火时间为结束时间，建立吊索表面最高温度时变曲线模型T(t)～t。
[0017]作为一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法的进一步优化方案，S3在桥梁吊索有限元模型中模拟每根钢丝在火灾过程中经历的最高温度的方法，具体包括S31至S33。
[0018]S31：先将吊索作为均质钢棒处理，在有限元软件中建立吊索精细化模型，对吊索截面进行网格划分，并设定钢丝材料的热工参数(导热系数、比热容、热膨胀系数)随温度的变化规律，以准确反映截面内的传热情况与最终的截面温度分布情况。
[0019]导热系数随温度的变化规律为：
[0020][0021]热膨胀系数随温度的变化规律为：
[0022][0023]比热容随温度的变化规律为：
[0024][0025]λ
s
(T)为温度T下的导热系数，α
s
(T)为温度T下的热膨胀系数，c
s
(T)为温度T下的比热容。
[0026]S32：将吊索表面的最高温度时变模型作为热边界条件在有限元模型中定义，设置模拟时长及步数同FDS火灾模型，在火灾数值仿真模型仿真的火灾过程中无限逼近有限元模型，经过模拟计算即可得到火灾过程中每根钢丝的温度时变模型T
i
(t)～t。
[0027]S33：从起火开始算起，消防车喷水介入时刻记为t
w
，根据T
i
(t)～t求出0～t
w
时间内吊索每一根钢丝i在火灾过程中经历的最高温度T
w,i
：
[0028]T
w,i
＝T
i
(t)
max
,0≤t≤t
w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0029]i为截面内的钢丝编号，若吊索由n根平行钢丝组成，则i＝1,2,3
…
n。
[0030]作为一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法的进一步优化方法，S4计算喷水灭火后每根钢丝的剩余强度的具体方法为：
[0031]将据每一根钢丝i在火灾过程中经历的最高温度T
w,i
代入吊索母材在高温遇水冷却后的材料强度模型f
u
(T)，计算得到喷水灭火后每根吊索的剩余强度f
ui
。
[0032]作为一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法的进一步优化方案，通过对比钢丝剩余强度与截面应力来确定有效钢丝数量及有效截面面积，评估吊索结构火灾后的安全性及剩余承载力，具体包括：
[0033]S51：以天为单位，对桥梁吊索日索力时程N(t)进行处理，得到监测期内每天的吊索日最大索力N
d
，并计算得到吊索日最大索力N
d
的概率密度分布模型f(N
d
)，以具有95％以上保证率的日最大索力为吊索拉力代表值N0，即：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于实验数据建立桥梁吊索母材在高温遇水冷却后的材料强度模型；步骤2，建立桥梁吊索的火灾数值仿真模型以及从起火至喷水灭火期间吊索表面最高温度时变模型；步骤3，建立模拟桥梁吊索截面温度场的有限元模型，同步所述火灾数值仿真模型和有限元模型，模拟每根钢丝在火灾过程中经历的最高温度，定义所述从起火至喷水灭火期间吊索表面最高温度时变模型为有限元模型的边界条件；步骤4，根据所述桥梁吊索母材在高温遇水冷却后的材料强度模型以及每根钢丝在火灾过程中经历的最高温度计算喷水灭火后各根钢丝的剩余强度；步骤5，根据喷水灭火后各根钢丝的剩余强度确定有效钢丝数量及吊索截面有效面积，计算桥梁吊索在火灾后的剩余承载力，判断火灾后桥梁吊索的安全性。2.根据权利要求1所述一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法，其特征在于，所述步骤2中建立桥梁吊索的火灾数值仿真模型的具体方法为：根据火灾影响范围及计算精度要求设置模拟计算的空间范围与网格尺寸，根据火灾燃烧物选取燃烧反应模型，根据火灾影响范围内现场空间方位设置构筑物尺寸与位置、障碍物的尺寸与位置，建立如表达式HRR
m
＝at2所示的燃烧模型，其中，HRR
m
为火源最大热释放速率，t为从起火开始算起达到最大火灾规模所需时间，a为火灾增长系数，慢速型火灾、中速型火灾、快速型火灾、超快速型火灾对应的火灾增长系数a分别取0.002931、0.01127、0.04689、0.1878。3.根据权利要求2所述一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法，其特征在于，所述步骤2中建立从起火至喷水灭火期间吊索表面最高温度时变模型的具体方法为：在桥梁吊索表面上布设热电偶，计算火灾发生全过程中桥梁吊索表面各热电偶布设位置的温度，对比每一时刻下桥梁吊索表面各热电偶布设位置的温度，提取每一时刻的桥梁吊索表面最高温度，以起火时刻为初始时间，以喷水灭火时间为结束时间，建立桥梁吊索表面最高温度时变模型。4.根据权利要求3所述一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法，其特征在于，所述步骤3在建立模拟桥梁吊索截面温度场的有限元模型的过程中，引入钢丝的热工参数随温度的变化规律，所述钢丝的热工参数随温度的变化规律包括：导热系数随温度的变化规律、热膨胀系数随温度的变化规律、比热容随温度的变化规律。5.根据权利要求4所述一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法，其特征在于，所述步骤3模拟每根钢丝在火灾过程中经历的最高温度的具体方法为：在所述火灾数值仿真模型仿真的火灾过程中无限逼近有限元模型，计算火灾过程中每根钢丝的温度时变模型，以所述火灾过程中每根钢丝的温度时变模型在起火开始到消防车喷水介入的时间内的最大取值为每根钢丝在火灾过程中经历的最高温度。6.根据权利要求4所述一种火灾后桥梁吊索安全性计算方法，其特征在于，所述导热系数随温度的变化规律为：所述热膨胀系数随温度的变化规律为：
所述比热容随温度的变化规律为：其中，λ
s

【专利技术属性】
技术研发人员：郭彤，樊泽鲲，宋永生，张理，张召磊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：