危险火灾场景下铁路钢桥温度场和极限承载力研究

选择典型铁路桥梁64 m单线钢桁梁为研究对象,对其火灾作用下的温度场分布情况和力学行为进行分析。基于桥梁结构特点,分析可能发生的火灾场景,确定桥面列车火灾为危险场景,并提出温度场升温曲线。通过危险火灾场景下的升温曲线对钢桁梁桥温度场进行分析,发现构件受火时间超过25 min时的温度基本接近火灾烟气温度;将桥梁温度场赋予到力学有限元模型中进行力学分析,发现受火约38 min时钢桁梁达到极限破坏状态,耐火极限较小。     

铁路钢桥抗火性能和极限承载力研究

钢桥因轻质高强、跨越能力大而广泛应用于铁路的交通枢纽和咽喉工程,但近年频发的极端事件—桥梁火灾在铁路桥梁中屡见不鲜,严重威胁结构安全,导致结构产生不可恢复的损伤甚至倒塌。探究在火灾下桥梁性能退化规律,确定火灾下的铁路桥梁极限承载能力,是保证铁路桥梁安全运营的基本前提。此处以80 m单线铁路简支钢桁梁桥为研究对象,基于大涡模拟(LES)场模型理论,采用FDS火灾模拟软件分析确定桥上与桥下火灾场景温度场及升温曲线,结合有限元软件通过热-结构耦合分析火灾作用下结构温度场和极限承载能力。研究表明：桥上火灾场景火灾温度场在水平面内分布均匀,受火30 min左右时构件温度接近火灾烟气温度,钢材性能有所弱化;活载较大时,桥门架最先发生屈曲,屈曲系数为0.939,结构可能因高温导致热屈曲失稳。桥下火灾场景影响范围在16 m左右,下弦杆及下平纵联温度最高,桥下净空为5、10 m时,结构分别在受火6.8、22.5 min左右时达到耐火极限,桥下净空为15、20 m时,结构受火灾作用的影响较小;结构临界屈曲荷载随温度升高逐渐减小,各火灾场景结构极限承载能力分别下降34.1%、14%、2.2%、1.5%左右,...     

三面受火下带保护层钢筋混凝土梁温度场非线性分析

在合理考虑混凝土热工参数的基础上,根据三面受火下带保护层钢筋混凝土梁离散体积单元的热平衡原理建立有限差分平衡方程,采用有限差分法导出了任一体积单元的温度计算公式,编制了截面温度场非线性有限差分程序,通过算例分析,验证了程序的正确性,对带保护层钢筋混凝土梁的温度场分析表明,采用保护层能有效的提高钢筋混凝土梁的耐火极限。这为进一步深入研究火灾下带保护层钢筋混凝土梁的力学性能和耐火极限创造了条件。     

带上盖物业地铁车辆段盖板结构耐火性能研究

通过对规范和工程案例的研究,确定地铁车辆段盖板结构主要构件的耐火极限及设计措施。基于热弹塑性本构模型编制非线性有限元分析程序,对钢筋混凝土盖板结构中的最不利楼板和主梁的瞬态温度场以及火灾下的力学行为进行数值模拟,计算结果验证了盖板结构中的梁和楼板的设计措施能够满足3.00 h耐火极限的要求。对比研究火灾下双向板与单向板的温度应力和高温塑性变形,得出薄膜效应的特征与板件长宽比的关系。通过回归分析,提出受火3.00 h时背火面温升与沿温度梯度方向厚度的关系曲线,明确盖板结构厚度最小取值。研究结果可为此类结构的防火设计提供参考。     

高温下钢管混凝土温度场的非线性有限元分析

在高温下,材料的热工性能随温度变化而变化,为了对钢管混凝土耐火性能进行理论分析,了解高温下钢管混凝土的承载力及变形变化规律,首先必须分析钢管混凝土的温度场.高温下混凝土中的自由水汽化、水化物和凝胶等发生分解,这些物理化学反应将吸收热能,从而造成温度滞后.在合理地确定了火灾情况下钢管混凝土柱受火模型的基础上,应用有限元程序ANSYS,假定钢管和混凝土完全接触,采用增大混凝土比热的办法考虑温度滞后的现象,可以较准确计算四面均匀受火下钢管混凝土柱的温度场.其研究工作有助于进一步深入认识钢管混凝土柱在高温下的力学性能和耐火极限.     

火灾高温作用下钢筋混凝土框架梁温度内力实用计算方法

混凝土框架结构火灾高温过程中的内力计算复杂,温度内力计算是整个框架内力计算的基础。根据力学原理和混凝土高温性能特性,提出了一种计算火灾高温下钢筋混凝土框架梁温度内力的实用计算方法。该方法将受火高温梁简化成温度均匀的刚度等效截面,通过考虑柱提供的变形约束刚度和混凝土高温瞬态热应变导致的刚度降低的双重影响,来计算其升温时的温度内力。通过与有限元软件ANSYS的分析结果对比,表明该方法简单可靠。     

火灾下钢筋混凝土板的温度场分析

研究了火灾下钢筋混凝土板内的温度场的分布,根据热力学原理,采用傅里叶变换法,在适当的简化假定之后,推导出求解火灾下钢筋混凝土板内温度场的计算公式,并编制了计算程序。将程序计算结果和试验数据进行了对比,两者吻合较好,表明方法具有较高的精度。通过该程序的计算可方便地绘制钢筋混凝土板内的温升曲线,并可为进一步开展高温下钢筋混凝土板的受力性能分析提供依据。     

南京长江隧道管片结构耐火性分析

研究目的:本文以南京长江隧道管片结构为例,对盾构管片环进行三维分析,研究在火灾工况下,受内部不均匀温度场作用下管片结构的应力重分布情况、钢筋安全性、结构变形、裂缝扩展和承载力等变化情况,特别是研究在叠合水土压力条件下,钢筋的应力状况,判断结构的安全性。研究结论:研究结果表明发生火灾后,依靠防火涂料的保护,在2 h内,钢筋混凝土管片衬砌及其内部的钢筋可以安全地承受住250℃高温。本研究对合理选用防火材料以减少工程造价、减小火灾对结构的损伤、延长火灾后盾构隧道的寿命、灾后隧道修复等方面具有重要意义。     

沥青混凝土路面温度场数值分析

采用三维模型,对夏日全天温度变化下路面结构层温度场分布及不同降温速率下沥青路面温度场分布进行了分析.结果表明:地表以下0.4m深度内(即沥青混凝土面层)温度场受到外界温度影响大,其下各结构层温度场变化不明显；对同一结构层,特别是面层,地表温度降幅越大,路面层顶底面的温度变化以及路面层产生的温度应力也越大；初始温度越高,各结构层温度也越高,但各结构层温度差与初始温度关系不明显.     

有砟轨道沥青混凝土面路基结构温度场特性研究

为掌握有砟轨道沥青混凝土面路基结构的温度场特性,采用有限元分析软件建立有砟轨道-沥青混凝土层-路基结构体系温度场数值模型,结合北京—张家口高速铁路现场监测结果对数值模型进行校核,分析有砟轨道-沥青混凝土层-路基结构体系温度场的时空分布规律及沥青混凝土层厚度的影响.分析结果表明:有砟轨道沥青混凝土面路基结构温度场沿横向呈...     

某PC梁桥火灾后损伤评估及加固设计

为了对遭受火灾的某PC梁桥进行损伤评估,利用超声波检测技术、模态试验方法对受火桥跨混凝土火损的波及范围、深度等进行现场检测。利用ANSYS建立受火跨桥梁二维、三维有限元模型模拟实际受火箱梁截面温度场。结果表明有限元仿真识别的混凝土损伤范围、深度与现场检测结果吻合良好。在此基础上提出对受火箱梁采用粘贴钢板和增设预应力碳纤维板等加固修复措施,加固效果为现场静、动力试验和模态实测数据所验证。本文所提出的方法及工程实例可供工程技术人员借鉴。     

地铁车站使用阶段混凝土温度裂缝控制研究

以深圳地铁世界之窗站工程为背景,运用仿真模拟的方法,对明挖地铁车站混凝土结构的温度场和温度应力场进行多方面的对比研究。通过三维有限元计算模拟结构降温情况下结构中的温度场与温度应力场,分析构件中的温度梯度分布与混凝土结构开裂的关系,找到易于发生开裂的部位,提出温度筋的配置方式。通过算例对比,计算分析了三种不同约束条件下结构中的温度应力,得到在地铁车站设计中应合理设置伸缩缝和沉降缝的结论。     

双箱单室钢箱梁摊铺沥青混凝土时的温度荷载模式

城市中小跨径钢桥逐渐采用沥青混凝土摊铺,沥青混凝土高温摊铺会对桥梁结构产生影响,需建立沥青混凝土高温摊铺时的温度荷载计算公式对不同类型桥梁进行分析。采用ANSYS建立钢箱梁节段瞬态热传导模型,分析浇筑式沥青混凝土摊铺过程中双箱单室钢箱梁温度场的分布特征。根据仿真结果建立了温度荷载计算公式,并利用热-结构耦合分析模型与梁单元模型讨论温度荷载公式在梁单元模型中的适用性。研究结果表明:采用温度荷载计算公式计算支座纵向位移时误差较小,计算支座竖弯转角时误差较大,计算支座竖向反力及梁体竖向位移时误差在10%以内。     

基于BP神经网络的混凝土箱梁最大温度梯度预测

混凝土箱梁受到太阳辐射、大气温度波动等多种气象因素的综合作用,结构内部会产生显著的非均匀温度分布。截面内温度梯度可能会导致桥梁结构产生过大的温度应力与温度变形,影响桥梁结构的安全性和耐久性。本文旨在探究气象因素对混凝土箱梁温度场的影响机理,并提出一种能精确预测中国多区域混凝土箱梁截面最大温度梯度的方法。首先建立了日照条件下混凝土箱梁温度场计算模型,将2 a以上气象资料作为输入条件,对多个地区混凝土箱梁温度场长期变化进行了仿真模拟,并对混凝土箱梁截面温度梯度的长期变化趋势进行了分析。然后利用主成分分析(PCA)确定了混凝土箱梁截面最大温度梯度预测模型所需的输入参数。最后利用遗传算法优化的BP神经网络建立预测混凝土箱梁竖向、横向温度梯度的网络模型,并与混凝土箱梁截面温度梯度进行比较。结果分析表明BP神经网络模型可以精确地预测混凝土箱梁最大温度梯度,预测值平均绝对误差(AAE)均小于0.9℃,均方根误差(RMSE)均小于1.2℃,决定系数(R2)均大于0.9。基于当地气象条件,本文利用经典的BP神经网络模型所建立的预测模型对中国不同地区的混凝土箱梁截面最大温度梯度均能给出准确的预测,为混凝土...     

市域快线列车内不同位置火灾对隧道温度场分布的影响研究

区间隧道火灾时的温度场分布是保障隧道结构安全与制定人员疏散方案的重要依据。根据市域快线列车车厢内部不同因素引发火灾的常见位置,通过数值模拟的方法研究市域快线列车内部不同位置火灾对隧道温度场分布的影响。研究结果表明：1)在1～3 MW火灾中,行李火灾、人为纵火常见位置对隧道拱顶温度影响较大;在4～5 MW火灾中,设备火灾常见位置对隧道拱顶温度影响较大。隧道拱顶的高温区出现在火灾车厢某个客室侧门上方。2)隧道拱顶最高点处温度峰值的最大值常出现在车厢端部客室侧门处。在火灾车厢范围外,隧道拱顶最高点处温度呈指数衰减,且纵向轴线上的火源越靠近车厢中心,隧道拱顶最高点处温度衰减越慢。3)当火源位于车厢内,疏散平台上方的拱顶温度受影响范围较小、峰值较高,当火源位于贯通道内其受影响范围较大、峰值较低,且每个客室侧门处均形成了峰值。4)市域快线列车内部火灾会对3～4节车厢范围内的疏散平台2 m高处温度产生显著影响,在此范围内客室侧门正对的位置形成峰值。当火源功率达到3 MW时,疏散平台开始出现危险区域;当火源功率达到4 MW以上,不同火灾位置时疏散平台均会出现危险区域。行李火灾、人为纵火常见位置的火灾场...     

钢筋混凝土氯离子扩散与寿命预测CA模型研究

氯盐侵蚀会引起钢筋锈蚀,造成其保护层开裂,进而导致结构性能退化。研究氯离子在混凝土内扩散原理以及钢筋初始锈蚀时间,对钢筋混凝土结构耐久性及寿命预测有重要意义。本文利用元胞自动机(CA)原理,建立模拟钢筋混凝土内氯离子扩散过程的CA模型,该模型考虑了时间效应、水灰比和温度的影响。基于建立的CA模型,通过编写Matlab程序,分析钢筋混凝土板、钢筋混凝土方形和圆形柱中一维和二维氯离子扩散行为,并预测钢筋初始锈蚀时间。研究结果及与现有解析解和数值解比较表明,本文建立的模型是正确、有效的,与其他数值方法相比精度更高。     

影响混凝土结构水化热温度多因素分析

混凝土硬化初期,因水泥的水化热作用会在混凝土结构内形成不均匀的温度场分布,从而使结构产生不均匀温度变形,在受到结构自身约束和外部约束时,会产生很大的温度应力。许多情况下因处理或控制不当,这种应力会超过混凝土的抗拉强度而导致混凝土表面开裂,给结构的使用及安全带来隐患。文中针对施工过程中影响混凝土结构水化热温度梯度的几个因素进行了有限元分析,提出了一些初步结论,为以后的混凝土施工提供参考。     

基于热传递的寒区铁路桥台温度场规律研究

寒区铁路桥台受恶劣气候条件带来的温度场变化影响，产生了多种结构病害并威胁着线路运营安全。针对这一问题，本文建立典型铁路桥台有限元模型，研究建设完工后一年周期内的温度场变化规律，分析了台前及台后土体一定埋深范围内地温曲线的变化特征，对比分析了不同土质条件下的冻结深度差异。研究表明：桥台完工后的初始温度影响了台后土的地温分布，桥台建设及台后土的填筑导致地温温度场进行了重分布；在初始温度相同情况下，土体参数的不同导致冻结深度不同，冻胀土体冻结深度明显大于不冻胀土体，本文计算的最大冻结深度达7 m。     

反复荷载作用下的混凝土损伤本构模型

混凝土损伤模型的研究,实际上是研究混凝土材料的本构行为。在外界因素作用下,材料的累积变形引起结构内部损伤发展,最终的损伤将产生宏观裂缝直至整个结构破坏。根据Najar损伤理论,提出了新的分段曲线混凝土受压损伤变量模型和混凝土受拉软化段损伤变量模型,给出了不同强度混凝土损伤变量方程和损伤演化方程。通过计算对比分析认为,建议的损伤模型与已有的混凝土本构模型较吻合。该方法的优点是参数少,不同的混凝土强度有确定的损伤演变方程,可以动态分析混凝土的累积损伤程度。在此基础上,根据已有混凝土反复荷载作用下的滞回规则,建立了在某一循环荷载下的加载、再加载、卸载路径下的损伤本构模型,该模型考虑了混凝土在反复荷载作用下的应力跌落、裂面效应、强度下降、刚度退化等力学性能。应用本文建议的模型进行反复荷载下的截面损伤计算,试验结果与文献计算结果较吻合。     

深圳某明挖地铁车站混凝土侧墙早期温度场的有限元模拟

使用大型有限元软件ANSYS对混凝土早期在浇筑和养护过程的温度场进行分析。采用2D横断面模型和水化热函数,考虑双面模板设置,选择深圳市不同季节的表征气温作为环境温度,模拟钢模板、木模板及拆模时间在不同环境温度下对混凝土早期温度场分布与演变的影响方式。对两种模板的适用环境与合理拆模时间提出建议,针对不同的模板与使用环境,提出入模温度的要求及措施。