# 火灾下预应力混凝土箱梁温度场研究Study on Temperature Field of Prestressed Concrete Box Girder under Fire

• 全文下载: PDF(2793KB)    PP.1229-1236   DOI: 10.12677/HJCE.2019.87143
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Due to the high temperature effect on the bottom plate of the prestressed box girder, the temper-ature of the bottom surface of the box girder rises sharply and is conducted to the interior of the box. The concrete itself is affected by various factors such as sand, stone and mix ratio, thus transferring heat. The temperature field distribution inside the concrete is not uniform, and finally the mechanical properties of each material are different under different fire time. In this paper, the fi-nite element software ANSYS is used to analyze the temperature field of concrete, ordinary steel bars and prestressed steel beams in the box girder for 10 min, 20 min, 30 min, 60 min, 90 min and 120 min. Finally, with the increase of the extension time, the temperature stratification of the concrete floor occurs, and the thickness of the high temperature layer decreases with the distance from the fire surface to the layer. According to the temperature of the prestressed steel bundle and ordinary steel, the temperature changes with the fire time. The temperature field changes and distribution patterns at different times are summarized.

1. 引言

2. 材料的热工程参数及温升曲线

2.1. 材料的热工程参数

${\lambda }_{c}=\left\{\begin{array}{l}1.355\text{}20˚\text{C}\le T\le 293˚\text{C}\\ 1.7162-0.001241T\text{}T>293˚\text{C}\end{array}$ (1)

T为混凝土温度。

$c=840+494×\left(\frac{T}{10}\right)$ (2)

${\lambda }_{s}=\left\{\begin{array}{l}48-0.022T\text{0}˚\text{C}\le T\le 900˚\text{C}\\ 28.2\text{}T>\text{900}˚\text{C}\end{array}$ (3)

${C}_{s}=38×{10}^{-5}{T}^{2}+20×{10}^{-2}T+470$ (4)

2.2. 升温曲线的选取

$T=345\mathrm{lg}\left(8t+1\right)+{T}_{0}$

ASTM-E119升温曲线公式：

$T=750\left[1-{\text{e}}^{\left(-3.79553\sqrt{\frac{t}{60}}\right)}\right]+170.1\sqrt{\frac{t}{60}}+{T}_{0}$

$T=1166-532{\text{e}}^{-0.01t}+186{\text{e}}^{-0.05t}-820{\text{e}}^{-0.2t}+{T}_{0}$

HC升温曲线表达式：

$T=1080\left(1-0.325{\text{e}}^{-\frac{t}{6}}-0.675{\text{e}}^{-2.5t}\right)+{T}_{0}$

HCM升温曲线表达式如下；

$T=1296\left(1-0.325{\text{e}}^{-\frac{t}{6}}-0.675{\text{e}}^{-2.5t}\right)+{T}_{0}$

Figure 1. Comparison of temperature rise curves

3. 温度场分析

Figure 2. Sectional dimensions of concrete box girder

Figure 3. Quarter finite element model

(a) (b) (c)

Figure 4. (a) Prestressed steel bundle; (b) Ordinary longitudinal reinforcement; (c) Ordinary stirrup

3.1. 混凝土温度场

Figure 5. Concrete temperature cloud map

SIO834升温模式下延火10分钟箱梁底部表面最高温度达到154℃，延火20分钟时最高温度达到285℃，高温区域由梁底部向内扩展，延火30分钟时梁底最高温度达到402℃，箱室底面出现温度分层现象，高温向箱室内传导，高温区域逐渐增大；延火60分钟时箱梁底面温度达到662℃，延火90分钟时箱梁底面温度达到819℃，延火120分钟时箱梁底面温度达到931℃，随着延火时间的增加，箱梁的最高温度也不断在上升，延火前60分钟温度上升比较迅速，60分钟后温度也在上升，但相对比较平缓。延火30分钟时，箱梁底面出现温度分层现象，高温层距受火面最近，往箱室内温度层温度逐层递减。延火时间越长，温度分层现象越明显。

3.2. 预应力钢束温度场

Figure 6. Rebar temperature layout points

Figure 7. Prestressed steel temperature map

Figure 8. Rebar temperature cloud map

3.3. 普通钢筋温度场

Figure 9. Temperature versus time curve of measuring points 1 and 2

4. 结论

1) 预应力混凝土箱梁梁底在火灾作用下，箱梁底部受火区域温度急剧升高，随着受火时间延长至30 min时，混凝土最高温度达到402℃，当延火时间为60 min时，混凝土底板温度达到662℃，延火120 min时温度达到931℃。随着延火时间延长混凝土高温迅速向箱梁内部传递，箱梁底板温度场沿厚度方向出现明显的温度分层现象，距离受火面越近高温影响层越厚，距离受火面越远温度影响层越薄。

2) 预应力混凝土箱梁底板受火，钢束温度随着底部受火时间的增加而不断升高，钢束N1延火60 min钢筋温度达到346℃，延火120 min时温度达到569℃。由于保护层厚度的影响，钢束N3温度小于钢束N2的温度，延火60分钟，钢束N2温度为124℃，钢束N3为26℃；延火120分钟，钢束N2温度为213℃，钢束N3为38℃。钢束高温区域分布在跨中钢束直线部分，其余温度较低，钢束向两端逐渐弯起温度逐渐降低，弯起角度越大，温度下降越剧烈。

3) 混凝土普通钢筋由于底板受火a处钢筋温度剧烈上升，延火30分钟温度接近200℃，60分钟温度为346℃，60分钟为569℃，a处钢筋温度明显高于b处钢筋温度，b处钢筋延火60分钟温度为134℃，120分钟温度为231℃，随延火时间增加，箍筋温度沿顶板方向呈现出明显的温度梯度；同一横截面上，中心受火区域温度较高于边上受火区域温度。

NOTES

*通讯作者。

 [1] 刘美铭. 桥梁事故分析[D]: [硕士学位论文]. 成都: 西南交通大学, 2013. [2] 梁岩, 毛瑞敏, 冯冠杰, 班亚云. 桥梁火灾后力学性能退化研究[J]. 公路, 2017(10): U445.72. [3] 刘其伟, 王成明, 罗文林. 预应力空心板梁火灾仿真分析与评估[J]. 公路, 2014(1): U44-U75. [4] 侯伟. 预应力混凝土箱梁箱梁结构抗火性能研究[D]: [博士学位论文]. 西安: 长安大学, 2014. [5] Kodur, V.K.R. and Dwaikat, M.B. (2007) Performance-Based Fire Safety Design of Reinforced Concrete Beams. Journal of Fire Protection Engineering, 17, 293. https://doi.org/10.1177/1042391507077198