武汉鹦鹉洲长江大桥汽车燃烧下高温力学性能与风险防范措施研究

摘要

目前，桥梁发生汽车燃烧火灾事故越来越频繁，造成的危害和损失巨大。多塔悬索桥由于其结构整体刚度小、柔性大，主要承力结构吊索和主缆的高温易脆性等特点，发生火灾后修复难度大、修复时间长，后果严重。
　　本文以武汉鹦鹉洲长江大桥（主跨为850m的三塔四跨悬索桥）为依托，采取模糊故障树理论和有限元热-结构耦合模拟方法相结合，深入分析了武汉鹦鹉洲长江大桥运营期汽车燃烧风险因素和风险水平，构建了基于模糊故障树理论的桥梁运营期汽车燃烧风险概率模型，获得了桥梁运营期发生汽车燃烧事故的风险概率大小。根据ANSYS热-结构有限元分析方法，建立了武汉鹦鹉洲长江大桥三维空间热-结构耦合有限元模型，获得了汽车燃烧下桥梁结构三维空间温度场分布特征，掌握了武汉鹦鹉洲长江大桥关键部位结构内力、挠度、材料强度、弹性模量的高温变化规律，确定了鹦鹉洲长江大桥汽车燃烧下最危险火灾场景和极限承载力，提出了最危险火灾场景下桥梁缆索抗火设置方法，明确了桥梁主缆和吊索在最危险火灾场景下的破坏时间，制定了武汉鹦鹉洲长江大桥运营期汽车燃烧风险防范措施。本文的创新性成果如下：
　　（1）构建了基于模糊故障树理论的桥梁运营期汽车燃烧风险概率模型。通过对汽车燃烧风险因素的逐层分解，建立了各种风险因素之间的故障树，考虑风险因素模糊性和不确定性，运用模糊故障树理论，构建了桥梁运营期汽车燃烧风险概率模型，提出了桥梁运营期汽车燃烧事故概率的计算公式，实现了桥梁运营期汽车燃烧事故发生频率的预测，研究结果为大跨径桥梁抗火设计提供了理论依据。计算表明：在100年设计基准期内，武汉鹦鹉洲长江大桥发生油罐车燃烧事故2.26次；小汽车燃烧事故24.27次；客车燃烧事故10.78次；货车燃烧事故4.16次。
　　（2）建立了武汉鹦鹉洲长江大桥三维空间热-结构耦合有限元模型。采用全桥简化模型，关键部位为三维空间实体模型的建模思路，以ANSYS有限元软件系统为平台，通过节点在三维空间上平动与转动6个自由度保持一致，实现简化模型单元和三维空间实体单元的平滑连接，根据热传导方程和能量守恒热平衡方程，计算出结构的温度场和相应的热物理参数，将其转化成热荷载，从而实现热-结构的有限元耦合，据此建立了武汉鹦鹉洲长江大桥三维空间热-结构耦合精细化有限元模型。全桥共设置14个三维空间精细化有限元节段模型，共划分404852个单元和426951个节点。结果表明本模型能够精确确定武汉鹦鹉洲长江大桥汽车燃烧下的三维空间温度场，通过热-结构耦合分析获得桥梁关键部位的高温力学性能的时变特征。
　　（3）获得了武汉鹦鹉洲长江大桥结构力学性能的高温变化规律。根据汽车燃烧火灾在不同环境下呈现出不同的升温曲线的特点，明确了适用于桥梁开放环境中油罐车、小汽车、客车、货车的火灾升温曲线。根据汽车燃烧下桥梁结构的高温温度场特征，获得了材料导热系数、比热容、热膨胀系数、弹性模量、材料强度等随高温变化的表达式及其取值范围。给出了吊索和主缆在汽车燃烧下承受的最高温度范围，掌握了吊索和主缆抗拉强度和弹性模量随温度的升高而急速下降的时变规律。计算结果表明：在恒载+活载工况下，当1辆油罐车在主跨跨中距主缆和吊索4m处发生燃烧时，在此极端状态下吊索抗破坏时间为24min。
　　（4）获得了武汉鹦鹉洲长江大桥汽车燃烧下最危险火灾场景和极限承载力。运用桥梁油罐车燃烧火灾升温曲线，选取4种最不利的油罐车燃烧火灾场景，在恒载+活载工况下，分别模拟了1辆油罐车燃烧时，在4种最不利火灾场景下主缆和吊索的高温力学性能，以吊索抗破坏时间最短为依据，从而确定了主跨跨中为最危险火灾场景，以此获得了桥梁主缆和吊索的极限承载能力。计算结果表明，当油罐车燃烧24min时，主跨跨中吊索的极限承载力为540MPa，主缆的极限承载力为1667MPa，为桥梁抗火设计与确定最快救援时间提供了科学依据。
　　（5）提出了最危险火灾场景下桥梁缆索抗火设置方法。为了研究外包防火层材料及尺寸对桥梁抗火性能的影响，对主缆和吊索以及外包防火层均采用实体单元模拟，通过赋予外包防火层和其内的缆索材料不同的热属性，模拟油罐车燃烧下主缆和吊索的高温力学性能，确定了主缆和吊索的高温燃烧影响范围，获得了主缆和吊索抗破坏时间随防火层材料和结构尺寸的关系曲线，提出了最危险火灾场景下桥梁缆索抗火设置方法。计算结果表明，最危险场景下，主缆设置0.5cm厚外包硅酸铝防火层，吊索设置1.0cm厚外包硅酸铝防火层，主缆和吊索抗破坏时间分别延长3倍和5倍，为主缆和吊索的抗火设计提供了技术支撑。
　　（6）制定了武汉鹦鹉洲长江大桥运营期汽车燃烧风险防范措施。通过对武汉鹦鹉洲长江大桥运营期汽车燃烧风险概率及危害程度的分析，明确了桥梁抗火救援最长时间为24min，提出了桥梁安全行驶基本准则，建立油罐车上桥通行申报制度，确定限行时段和通行方式，由桥梁管理部门进行引导，从中央分隔带旁的中间车道进行通行。在桥梁两端上桥处设置显著的指示标识，以便在极端状态下车辆的快速分流。联合公安、消防、交通、桥梁管理中心等部门建立应急事故救援领导小组，制定桥梁抗火保障体系和救援组织方案，在关键部位设置视频监控报警系统和消防设施，为保障桥梁运营安全提供了可靠的防范措施。

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第一章 绪 论

1.1工程背景、研究目的与意义

1.2国内外研究现状分析

1.3桥梁汽车燃烧风险研究存在的问题

1.4本文的研究内容、拟解决的关键科学问题以及创新点

第二章 基于模糊故障树理论的桥梁运营期汽车燃烧风险概率模型研究

2.1桥梁汽车燃烧风险的内涵

2.2国内外桥梁汽车燃烧事故成因

2.3模糊故障树理论概述

2.4桥梁汽车燃烧风险因素确定

2.5桥梁运营期汽车燃烧风险概率模型

2.6各类汽车燃烧风险概率计算

2.7武汉鹦鹉洲长江大桥运营期汽车燃烧风险概率计算

2.8桥梁汽车燃烧风险因素敏感性分析

2.9本章小结

第三章 热-结构耦合有限元分析方法与建模

3.1 混凝土高温力学特性

3.2 钢筋高温力学特性

3.3 热-结构耦合有限元分析方法

3.4 桥梁汽车燃烧升温模式及规模类型

3.5 三维空间热-结构耦合有限元模型建立

3.6桥梁汽车燃烧有限元分析步骤

3.7 本章小节

第四章 汽车燃烧下武汉鹦鹉洲长江大桥最危险火灾场景和极限承载力分析

4.1桥梁荷载类型及各类汽车在桥梁不同位置的火灾场景

4.2油罐车燃烧下桥梁高温力学性能分析

4.3客车、货车、小汽车燃烧下桥梁高温力学性能分析

4.4不同火灾场景下桥梁高温力学性能对比分析

4.5油罐车中间车道燃烧时主缆吊索力学性能分析

4.6本章小结

第五章 最危险火灾场景下武汉鹦鹉洲长江大桥缆索抗火设置方法

5.1保护层防火材料性能确定

5.2设置硅酸铝防火层吊索的温度场

5.3设置硅酸铝防火层主缆的温度场

5.4设置防火层的主缆和吊索抗火性能研究

5.5本章小结

第六章 武汉鹦鹉洲长江大桥运营期汽车燃烧风险防范措施

6.1采取必要的管理措施，减少汽车燃烧事故发生

6.2建立桥梁抗火救援保障体系

6.3设置桥梁必要的抗火设施

6.4本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

作者攻读博士期间参与的主要科研项目