钢桥梁在火灾下的响应外文翻译资料

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钢桥梁在火灾下的响应

Esam M. Aziza^a,b,1 Venkatesh K. Kodur^a,* Jonathan D. Glassman ^c, Maria E. Moreyra Garlock^c

a.美国密歇根州立大学土木与环境工程系

b.伊拉克苏莱曼尼亚苏莱曼尼大学工程学院

c.美国普林斯顿大学土木与环境工程系

关键字：桥火灾、钢梁、耐火性、极限破坏状态、腹板高厚比、耐火试验。

摘要：本文的结果是从桥使用的典型的钢梁的耐火性能的实验和数据研究得到的。作为实验研究的三个核心筒复合梁是在同步加载和火灾作用下测试的。测试变量包括:负载等级,腹板高厚比和加劲肋的间距。防火测试结果表明,典型的钢梁在标准下火条件下作用大约30~35分钟就破坏。钢梁在火灾下的破坏时间和形式与腹板高厚比、加劲肋间距和火灾类型有很大的关系。当腹板高厚比大约是50的时候，钢梁是弯曲屈服破坏。然而当腹板高厚比大于100时，钢梁的破坏形式改变成剪切屈服破坏。从耐火试验得到的数据是用来验证钢桥桥梁在火灾下基于有限元的数值追踪响应模型。数值分析结果表明,该有限元模型能够追踪钢桥桥梁在同步加载和火灾的条件下的响应。

1.绪论

由于钢材有着超过其他建筑材料的优势，钢材被广泛应用在桥梁结构构件。这些优势包括高强度、延性、易于制造和建设速度快。由于钢材的高导热、低比容以及随温度强度快速降低，钢结构主要缺点是钢结构构件的低耐火性。因此，钢结构需要采取适当的防火措施以保证他再火灾下位置结构的完整性和稳定性。建筑结构构件在火灾中要有足够的耐火性，没有具体的防火规定指定采用桥梁AASHTO标准和其他标准。

在火灾中，由于作用在桥梁上不同的火场景中,负载级别、支撑条件和截面特性，桥梁结构构件与其他建筑有很大的不同。因此，消防规定，建筑构件不能直接适用于桥梁结构构件。建筑构件在各种影响因素下，例如连接构造、消防、约束和加载条件的耐火性得到了研究。然而，桥梁常用的结构构件的耐火性只得到了有限的研究。

从火灾引发的桥梁倒塌事故，例如2009年密歇根麦克阿瑟迷宫（Hazel Park）附近的I - 75高速公路和2007年加利福尼亚州奥克兰市麦克阿瑟迷宫80/880立体交叉道得到的信息清楚的表明桥梁火灾可以产生一个重大的问题。在这些事件中钢桥桥梁在不到30分钟就破坏，这给消防员很短的时间做出反应。目前，对钢桥梁在火灾中的极限破坏状态研究缺乏数据。

在过去的四十年，在环境（温度）条件下，对钢桥桥梁做了大量的实验工作。这些研究主要集中在钢桥梁在腹板屈曲、组合作用、后屈曲抗剪能力以及剪切破坏机理。然而，有很少钢桥梁在火灾下响应的数据。大部分的火灾实验报告是典型的建筑结构热轧钢梁的响应。唯一对于跨度1.6m，腹板2mm厚的小型钢梁在火灾下钢梁的响应的实验研究工作在Vimonsatit et al报道。这些测量试样是没有混凝土板并且主要在稳态的火中进行剪切加载。加强的翼缘的存在抵御弯曲破坏。试验梁以及耐火试验中的一些条件并不代表实践中遇到的现实条件。事实上，这项研究的作者建议做进一步详细的实验以追踪钢梁在火灾下的响应。

进一步的文献综述表明，我们对钢梁在火灾中的响应缺乏了解。为了加强了解，钢梁在火灾中的性能的实验和数值研究正在作为密歇根州立大学和普林斯顿大学的合作研究项目的一部分进行。本文的结果是从钢桥梁在火灾下的响应的实验和数值研究中得到的。

2.耐火试验

实验项目包括作用在三个钢桥梁上的耐火测试。主梁是在组合结构加载和火灾作用下破坏的。

2.1试样

测试的桥梁是由支撑着一个钢筋混凝土板的型钢（热轧或者组合）组成。被指定为G1、G2、G3的钢梁是按照AASHTO规范设计的。第一个测试梁(G1)W24x62是热轧型钢,而另两个测试梁(G2和G3)是组合板梁。这些测试试样的主要变量是腹板高厚比和加劲肋间距。腹板的高厚比定义为D /tw（D是腹板高度和tw 是腹板厚度),梁G1是52，而梁G2和G3是123。梁G2和G3用横向加劲肋加固，并且定义它的长宽比a/D(a是加劲肋的间距），对于G2是1.0，对于G3是1.5。G2和G3的其他方面是相同的。轴承加劲肋设置在跨中支撑和加载点的位置。G1，G2和G3的纵向和横向部分如图一所示，表一总结他们的截面尺寸。

钢梁制作使用的是A572，50级钢，这是一种公里桥梁中常使用的高强度、低合金钢。所有的钢梁被设计用一个140mm厚的混凝土板以实现它完整的组合作用。为了达到这个目的，设置两排直径19mm的剪力钉以保证钢梁和混凝土板之间完整的组合作用，如图2所示。混凝土板用底部的一层张力钢筋和顶部的一层钢丝网加强。

2.2测试设备

耐火试验是在密歇根州立大学的民用基础设施实验室专门建立的火灾实验炉中进行的。这个炉子被特别设计来适应不同情况的温度，加载，支撑条件和热并传递给暴露在火灾中的结构构件。测试炉和炉内的钢梁位置所示图3(a)所示。炉子和设置的激励允许对测试试样同时进行热力和结构加载以模拟结构构件在火灾所受到的真正作用。

这个测试炉是由四根柱子支撑的钢框架组成，使用的是框架内炉室。这个炉子的加热室宽2.44m，长3.05m,高1.78m，他能产生最大的热功率是2.5MW。位于炉子内的天然气燃烧器提供热量，并且6个分布在整个测试室的k型铬镍-铝镍热电偶来监控在这个耐火试验中炉内的温度。在耐火试验过程中，手动调整天然气供应，以保证炉内的温度按照标准火灾或者设计标准火灾的时间—温度曲线变化。为了能在耐火测试中观察试样，两个小的视窗口设置在炉墙的两侧。四个垂直压力制动器提供对测试试样加载。

2.3仪表

钢梁是用热电偶、压力仪表、位移传感器来检测以监控在耐火试验中的热力和力学响应。横截面的温度是用沿梁长度方向，设置中跨和1/4跨位置的k型(0.91毫米厚)铬镍-铝镍热电偶测量的。在每个部位，热电偶安装在试验梁底部翼缘、腹板、上翼缘、加劲肋、剪力钉,和混凝土板的不同深度测量在耐火试验中温度的变化。高温应变计粘贴在翼缘（上部、下部），剪力钉和梁的腹板处以直接监控这些地方随测试进程的应变。钢梁G1，G2，G3热电偶位置如图1所示。

为了测试梁中跨的挠度和轴向位移以及腹板板面外的位移，将垂直和水平向的线性变量位移传感器（LVDTs)粘贴在梁的不同的位置。中跨的挠度是通过粘贴在混凝土板顶面，加载装置下的LVDTs测量的。为了测量腹板板面外的位移，用一个刚性的绝缘的螺纹钢棒连接在腹板的中心，并且水平地扩展水平杆到混凝土板翼端。钢杆垂直的延伸通过开洞的炉子盖。粘贴着LVDT的钢框架安装混凝土板的上表面（外炉区）。这是为了保证钢梁在挠曲过程中钢框架的垂直运动。测量腹板板面位移的安装示意图如图3（b)所示。测量腹板板面外的位移是为了与中跨钢梁相邻的腹板面板。为了测量在耐火试验轴向位移的变化，一个额外的LVDT安装在钢梁一端的底部翼缘。此外，在耐火试验中，炉内的温度使用6个空间分布在炉子内的热电偶持续监控。

通过仪器上面的网络，数据每隔5秒钟就被中央数据采集系统记录。在整个测试时间内和测试终止后，每隔5分钟记录视觉观察上重大变化（如局部屈曲，剥落等）。

2.4测试条件和过程

由于每个钢梁截面几何形状（腹板高厚比、翼缘厚度、加劲肋间距）的不同，在火中，测试的三个钢梁有不同的弯曲和剪切能力。因此，梁受到不同的荷载等级；在房屋温度下用剪切和/或抗弯比例来评估。三个钢梁的抗弯能力、抗剪能力、火灾场景、荷载等级如表1所示。梁G1在中跨受到单点加载691KN，相当于40%的室温抗弯曲能力和27%的抗剪切能力。梁G2、G3在中跨受到相当于抗弯能力40%和33%，分别相当于56%的抗剪能力。在耐火试验中，这三个钢梁三面暴露在ASTM E119中，用略高的升温速率在火开始的5分钟。

在每个耐火试验中，梁被热力和结构荷载结合来测试。被检测的核心筒复合梁在炉内的放置如图3所示。长度为3.0m的中间部分梁在炉内，直接暴露在火中。耐火试验的炉子是用一个特别设计的为了促进深梁三面受火的盖子盖住的。梁在两边被简单地支撑，并且一个单点荷载加在中跨以模拟结构荷载。

在耐火试验前，每个梁逐步用液压致动器增加加载。一旦目标装载达到，可以稳定30分钟。然后开始在炉内加热并且炉内的温度增加按照ASTM E119火灾的时间—温度曲线的温度。在整个耐火试验中，梁上的荷载始终维持指定的大小等级。在耐火试验中，梁横截面的温度、跨中挠度、腹板平面外的位移、轴向位移每隔5秒时间间隔记录一次。

当梁跨中的挠度大于30/L(梁的跨度）或者当梁丧失承载能力，不能长时间维持加载，梁就被认定为破坏。

2.5材料特性

为了评估制造的梁的组件中钢材和混凝土的力学性能，对钢样品和圆柱体混凝土进行强度测试。为了评估钢的抗拉强度，三个样品从G2、G3梁切下来。为了评估混凝土的强度，圆柱体和棱柱体混凝土由在混凝土板制造过程中的混凝土搅拌混合制造。

选择的钢样品用MTS-810 测试试验机通过增加荷载直到破坏并且记录应力—应变的变化。从单轴抗拉强度测试中，应力——应变曲线的重要的点记录在表2中。应力—应变一般保持线性变化直到屈服，然后变为非弹性变化。没有明确定义的屈服少有变化的的平台区域在测试中被记录。一旦应力达到了峰值，钢产生塑性变形，经过卸载阶段直到断裂。

在14日和18日对三个圆柱体混凝土进行测试，测试它的抗压和抗拉强度。并且三个棱柱混凝土用来测试室温混凝土的抗弯强度。室温下测试的混凝土和钢材的强度特性总结在表2和表3。

图1 用于耐火试验用的钢梁G1、G2、G3

表1 测试钢梁的截面尺寸、测试参数和加载条件总结

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