武汉理工大学 建设与土木工程 武汉
摘 要：针对日益受到关注的大跨径桥梁火灾风险问题，以一座三塔四跨混合梁斜拉桥为研究对象，进行火灾下数值模拟实验，研究结构的性能影响分析。首先利用Midas civil对三塔四跨混合梁斜拉桥进行模型分析，得到最不利的位置点；再通过FDS模拟火灾场，施加在最不利的位置上；最后基于FDS的分析结果，使用ABAQUS模拟全桥的结构性能影响分析：火灾对混合梁斜拉桥整体安全性能的影响有限，但会虚弱混合梁斜拉桥的正常使用功能，应对最不利的位置及时的进行安全措施和巡查，极大可能的减少损失。
关键词：三塔四跨混合梁斜拉桥；火灾；结构性能分析；数值模拟；
二战后世界各国交通运输事业的迅猛发展，我国在交通基础设施建设方面也得到了快速的提高，为了满足国内经济高速发展的必然需求，我国已经建设有各类大桥与特大桥共计约15万座[1]，伴随着的是车流量逐年增加，易燃材料车辆的比重也随之增大，导致在桥梁上发生火灾事故的概率逐渐增加，给桥梁的安全运营带来了巨大压力。据相关统计，每年因为火灾导致的桥梁垮塌事故是地震垮塌的3倍[2]。近年来我国桥梁建设技术得到了很大的提升，而桥梁结构的抗火研究的进展则十分缓慢，甚至不能引起业界人士的关注，导致目前我国尚未将桥梁防火纳入到桥梁设计的范畴，桥梁防火等级以及防火设计标准均没有明确的规定[3]。因此进行桥梁结构的火灾研究，对保证桥梁的运营安全、抗火设计和消防救援具有重要的社会意义和经济意义。
1.某长江大桥热分析模型建立
此桥为一座大跨度下三塔四跨混合梁斜拉桥，其跨径布置为131m+2×425+131m。某长江大桥桥型布置图与横断面图为图1-1。
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图1-1某长江大桥总体布置图(单位：cm)
油罐车火灾下斜拉桥耐火性能分析和计算得出一个最危险的火灾场景，本文的合理假设：当油罐车在斜拉桥上相撞发生火灾时，发生的位置为斜拉桥的跨中，此位置一旦破坏对斜拉桥的通载能力产生的影响是最大的；使用特定尺寸的油罐车升温曲线进行升温，火灾下斜拉桥跨中最脆弱的位置是斜拉索；由于拉索的保护层熔点过低，本文忽略斜拉索外面的保护层。
在桥梁结构进行抗火设计时，应优先分析桥梁在最不利火灾工况下的结构性能变化规律，通过桥梁计算软件Midas/civil分析某长江大桥在正常运营阶段的静力特性。
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场景一：油罐车火灾发生在中塔最外拉索ZC21、ZC20、ZC19位置处，横桥向发生于最外侧车道；场景二：油罐车火灾发生在纵桥向的拉索ZB8、ZB9、ZB10处，横桥向发生于最内侧车道。如图所示：
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斜拉桥主跨跨中的最内侧车道发生油罐车火灾，火灾对近火侧拉索的温度场造成影响，模型中沿拉索布置表面温度测点用于分析不同高度以及不同水平距离的拉索温度场受火源的影响。如图FDS模型所示：
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由于火焰的对流和辐射作用，周围的构件温度会迅速升高。火灾发生后，近火侧拉索的温度云图，火源中心处斜拉索瞬态温度场云图
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1.2某长江大桥三维力学模型建立
采用有限元软件ABAQUS建立某长江大桥有限元模型。
1.3火灾高温下全桥位移变化分析
在火灾场景一中，桥上发生汽车火灾，跨中三根斜拉索受火灾高温的影响，斜拉索温度场最高达1116℃。斜拉索的弹性模量发生大幅度折减，如下图所示
从图中可知，在斜拉梁跨中发生火灾，而火灾对混合梁斜拉桥的竖向位移有较大的影响。对于某长江大桥的主跨450m,最大竖向位移变化0.3744m。
1.4主要结论
（1）对三塔四跨混合梁斜拉桥正常运营阶段的静力分析，确定出某长江大桥在中塔最外拉索处以及MP3跨中处发生油罐车火灾为两处最不利火灾发生场景。利用火灾动力学软件FDS分别建立了此桥两处最不利火灾场景的热分析模型。（2）通过此桥在不同火灾场景下的热分析，分别得到了火源附近斜拉索温度场变化规律。利用有限元软件ABAQUS建立了此桥的热-结构耦合分析有限元模型，计算获得了在两种最不利火灾场景下的混合段力学性能变化以及全桥的结构力学响应。
参考文献
[1] 中华人民共和国交通运输部.2018年交通运输行业发展统计公报[R].北京:交通运输部,2019.
[2] 宋超杰,张岗,秦智源,等.钢板组合连续桥梁的耐火极限[J].长安大学学报(自然科学版),2019,38(6):89-97.
[3] 邓晓光.大跨径三塔结合梁斜拉桥施工阶段几何非线性分析[D].武汉理工大学,2012
[4] 聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁.北京:人民交通出版社, 2011, 24-128.