一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法技术

本发明专利技术提供的大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，具体是：首先，以吊索火灾下破坏时间最短为依据，确定了悬索桥最危险火灾场景，并获得吊索相应的极限承载力和悬索桥汽车燃烧极限状态；其次，将不同导热系数的防火材料的抗火性能进行对比，确定了硅酸铝为悬索桥主缆和吊索的外包防火材料；再次，将硅酸铝外包于主缆和吊索上进行热分析，确定吊索和主缆外包防火层的厚度的取值区间；最后由吊索不同高度截面处温度小于吊索破坏时的极限温度，可获得吊索的防护高度，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，为防止主缆最外层钢丝温度过高，获得主缆的防护范围。本发明专利技术可以推广到其他缆索系统的桥梁上，具有较大的实际工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供的大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，具体是：首先，以吊索火灾下破坏时间最短为依据，确定了悬索桥最危险火灾场景，并获得吊索相应的极限承载力和悬索桥汽车燃烧极限状态；其次，将不同导热系数的防火材料的抗火性能进行对比，确定了硅酸铝为悬索桥主缆和吊索的外包防火材料；再次，将硅酸铝外包于主缆和吊索上进行热分析，确定吊索和主缆外包防火层的厚度的取值区间；最后由吊索不同高度截面处温度小于吊索破坏时的极限温度，可获得吊索的防护高度，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，为防止主缆最外层钢丝温度过高，获得主缆的防护范围。本专利技术可以推广到其他缆索系统的桥梁上，具有较大的实际工程应用价值。【专利说明】
本专利技术涉及交通运输业桥涵工程领域，具体是涉及。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:提供，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。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案:本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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 (Τ)、抗拉强度f(T)、弹性模量E (Τ)，当O (T)=f (T)时，得到吊索的破坏时间tQ、吊索的极限承载力fQ、吊索极限温度Ttl，此状态为悬索桥火灾的极限状态。本专利技术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Ttl相比较，由T < Ttl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。本专利技术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Ttl相比较，由T < Ttl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。本专利技术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。【专利附图】【附图说明】图1为实施流程图。图2为三塔四跨钢-混组合悬索桥精细化节段划分示意图。图3为三塔四跨悬索桥危险火灾场景横桥向示意图。图4为二塔四跨悬索桥危险火灾场景纵桥向不意图。图5为油罐车火灾作用下吊索拉应力和抗拉强度随时间变化曲线。图6为设置防火层吊索计算模型图。图7为吊索温度随防火层导热系数变化曲线。图8为不同防火层厚度的吊索温度随时间变化曲线。图9为吊索的温度随防火层厚度变化的关系曲线。图10为120min时吊索截面温度随截面高度变化曲线。图11为不同截面高度吊索温度随时间变化的关系曲线。图12为主跨跨中主缆温度沿纵桥向分布图。图13为边墩处主缆温度沿纵桥向分布图。图中:1-5为主梁精细化节段，I为边墩处C，Ba节段，2为边跨跨中Aa节段，3为边塔处D，E节段，4为主跨跨中Aa节段，5为数变化曲线中塔处F，G节段，6为悬索桥主缆，7为悬索桥吊索，8为吊索应力，9为吊索抗拉强度，10为0.5cm厚硅酸铝防火层，11为0.6cm厚硅酸铝防火层，12为0.7cm厚硅酸铝防火层，13为0.8cm厚硅酸铝防火层，14为0.9cm厚硅酸铝防火层，15为1.0cm厚硅酸铝防火层，16为距主梁6m处吊索截面，17为距主梁7m处吊索截面，18为距主梁Sm处吊索截面，19为主跨跨中主缆最外层钢丝，20为主跨跨中主缆最内层钢丝，21为边墩处主缆最外层钢丝，22为边墩处主缆最内层钢丝。【具体实施方式】本专利技术提供了，该方法基于有限元理论，采用随温度变化的热工参数，通过建立悬索桥热-结构耦合有限元模型，以吊索抗破坏时间最短为依据，得到悬索桥最危险火灾场景，计算得到悬索桥在最危险火灾场景下的极限承载力。根据外包防火层材料的导热系数与吊索温度之间的关系曲线，确定防火层导热系数取值区间，进行防火层材料选择。在进行主缆和吊索外包防火层材料选择后，通过赋予主缆和吊索不同厚度的外包防火层进行主缆和吊索的抗火性能分析，得到主缆和吊索的最高温度随防火层厚度变化的关系曲线，根据防火层作用下主缆和吊索的最高温度小于吊索破坏时的极限状态下的温度，确定主缆和吊索外包防火层的厚度。最后计算吊索不同高度截面处的温度场分布，根据吊索截面温度小于吊索破坏时的极限温度获得火灾下吊索的防护高度。根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大跨径悬索桥汽车燃烧抗火设置方法，其特征在于：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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘沐宇，王莹，高宗余，张强，朱斌，卢志芳，陈齐风，李倩，田伟，荆武，徐镜，黄根，方柯，张磊，史晶，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42