火灾后钢-混凝土组合梁承载能力评价方法

第41卷第2期 2021年3月
长安大学学报（自然科学版）
Journal of Chang'an University(Natural Science Edition)
V〇l.41 No. 2
Mar.2021
张岗，宋超杰，李建章，等.火灾后钢混凝土组合梁承载能力评价方法[J].长安大学学报（自然科学版），2021,41(2)
ZHANG G ang, SONG Chao-jie, LI Jian-zhang,et al. Evaluation method of load-carrying capacity of steel-concrete composite girders after fire exposure[J]. Journal of Chang'an UniversityCN atural Science Edition) .2021,41(2) ： 1-11.
DOI： 10. 19721 j. cnki. 1671-8879.2021.02.001
火灾后钢-混凝土组合梁承载能力评价方法
张岗，宋超杰，李建章，贺拴海，李徐阳，汤陈皓
(长安大学公路学院，陕西西安710064)
摘要：针对钢-混凝土组合梁遭遇火灾后的安全问题，采用火灾场景反演方法和火灾高温场推定方法，建立了火灾后钢-混凝土组合梁的安全评价方法。

以三跨钢-混凝土组合连续梁为研究对象，首先.恨据遭遇火灾后的现状反演桥梁纵向受火位置、受火长度和空间受火位置•构建火灾场景数据库。

其次，通过火灾后钢-混凝土组合连续梁外观特征推测桥梁遭遇火灾时的受火温度.采用
A N S Y S有限元软件分析了经历不同火灾场景后钢-混凝土组合连续梁的荷栽-位移曲线•从而得到
其极限承栽能力的衰退曲线。

最后.对钢-混凝土组合连续梁剩余承载能力与恒栽和活栽作用下的作用效应对比，定义了承栽能力损伤分级评定标准。

研究结果表明：钢-混凝土组合连续梁遭遇的火灾温度越高、受火长度越长，承栽力损失越大；中跨跨中遭遇火灾后的钢-混凝土组合连续梁损伤程度最低，中支点和边跨跨中遭遇火灾后损伤程度较高；中跨跨中遭遇火灾后仅温度达到1 〇〇〇c 时部分工况承栽能力为I丨级损伤.中支点和边跨跨中在同样受火温度下已有工况承载能力达到IV 级损伤：桥面发生火灾后钢-混凝土组合连续梁损伤程度较低•桥面桥下同时遭遇火灾后损伤程度远高于桥面火灾；桥面遭遇火灾后仅温度达到800 C后部分工况承栽能力损伤达到II级，桥面桥下 同时遭遇火灾后在温度达到900 C时部分工况承栽能力已达到丨丨丨级损伤。

建立的火灾后钢-混凝土组合梁分类分级安全评价方法简单实用。

关键词：桥梁工程；剩余承栽能力；有限元分析；钢-混凝土组合连续梁；安全评价方法
中图分类号：U448.21 文献标志码：A文章编号：1671-8879(2021)02-000卜11
Evaluation method of load-carrying capacity of steel-concrete
composite girders after fire exposure
ZHANG Gang.SONG Chao-jie.LI Jian-zhang.HE Shuan-h ai.LI Xu-yang,TANG Chen-hao (School of Highway* Chang'an University. X i an 710064. Shaanxi. China)
Abstract：Aiming at the safety problems of steel-concrcte composite girders after fire exposure,a safety evaluation method of steel-concrete composite girders after fire exposure was established using fire scenario inversion method and fire temperature estimation method.A three-span steel-concrete composite continuous girder was selected as the research object.Firstly，the fire scenario database was established according to the longitudinal fire position,fire length and
收稿日期：2020-10 12
基金项目：国家自然科学基金项目（51878057，52078013中央高校基本科研业务费々项资金项0 (300102210217);
陕两符交通k输厅科技项目（2(M 5 K)
作者简介：张岗（1980-),男.ft肃庆阳人.教授•博丨:研究生导师，E-mail: zhangg_2004@ 126. com
2长安大学学报（自然科学版)2021 年
spatial fire position inversed from the current situation after fire exposure.Secondly，the fire temperature was inferred based on the appearance characteristics of the steel-concrete composite continuous girder after fire exposure.The load-displacement curve of the stecl-concrete composite continuous girder after different fire scenarios were analysed using ANSYS finite element software，and the decline curve of ultimate load-carrying capacity was obtained.Finally，the damage classification standard of load-carrying capacity was defined by comparing the residual load-carrying capacity of steel-concrete composite continuous girder with the action effect under dead load and live load.The results show that the larger load-carrying capacity loss of the steel-concrete composite continuous girder with higher fire temperature and longer fire length.The damage degree of the steel-concrete composite continuous girder is slight after fire exposure in mid-span of the middle span,while the middle fulcrum and mid-span of the side span after fire exposure have higher damage degree.After fire exposure in mid-span of the middle span,the load-carrying capacity of some cases is grade11damage only when the fire temperature reaches
1 000 C,and the load-carrying capacity reaches grade IV damage when the middle fulcrum and
mid-span of the side span after fire exposure under same fire temperature.The damage degree of the steel-concrete composite continuous girder is slight after fire exposure on the bridge deck,and fire exposure on the bridge deck and under the bridge have much higher damage degree.After fire exposure on the bridge deck,the load-carrying capacity damage of some cases reaches grade[| only when the fire temperature reaches 800 C.After fire exposure on the bridge deck and under the bridge,the load-carrying capacity reaches grade IH damage when the fire temperature reaches 900 C.The classification and grading safety assessment method established for steel-concrete composite continuous girder after fire exposure is simple and practical.3 tab s,10 figs. 27 refs.
Key words：bridge engineering；residual load-carrying capacity；finite element analysis；steel-con­crete composite continuous girder；safety evaluation method
〇引言
钢-混凝土组合梁在桥梁工程建设中应用越来越广泛，然而火灾对钢-混凝土组合梁造成了严重威胁。

桥梁火灾一旦发生，混凝土和钢材力学性能的迅速退化会导致结构承载能力迅速降低.从而无法满足正常使用需求.造成重大的社会经济损失:|。

鉴于目前桥梁火灾规范尚未发行.火灾后桥梁承载能力评价研究较少，尤其是火灾后变形不大、符合加 固要求的桥梁剩余承载能力不易确定•难以判断是否可以继续使用。

因此.如何明确火灾后钢-混凝土 组合梁的技术状况，亟待提出火灾后钢-混凝土组合梁的安全评价方法。

目前，国内外学者的研究多针对各关键参数对火灾下钢-混凝土组合梁抗火性能的影响及其破坏模式、承载能力衰变等方面21。

陆建辉等考虑高温下混凝土和钢材的材料非线性，基于能量守恒建立了有限差分平衡方程，研究了梁体约束条件和组成材料对钢梁和钢-混凝土组合梁火灾下结构响应的影响1。

H俊利等考虑了组合梁在整体结构中所处不同位置和拼接节点是否受火工况，通过火灾试验分析了整体结构中组合梁的抗火性能和破坏形态i:。

毛小勇等采用数值模拟方法分析了各参数对组合梁截面温度场分布、全过程曲线及承载力衰变的影响'。

张岗等提出了适用于火灾下桥梁结构分析的热-力耦合方法，得到了不同火灾场景下、不 同截面、不同形式桥梁的破坏机理以及火灾下桥梁承载能力衰变情况711:。

Na.ser等通过三维非线性有限元模型分析了梁板相互作用、钢材强度和防火涂层对火灾下钢梁局部失稳和承载力退化的影响11:_。

G lassm an等分析了翼缘边界条件、温度梯度以及梁板复合作用对火灾下钢板梁腹板剪切屈曲响应的影响n:。

A z iz等通过火灾试验研究了荷载水平、腹板长细比和加劲肋间距对钢-混凝土组合梁抗火性能的影响114:1。

钢-混凝土组合梁在剧烈火灾作用下可能会发生严重的结构损坏甚至倒塌，但在中等强度火灾场景下，可能不会导致明显可见的结构损坏或截面损
第2期张岗.等：火灾后钢-混凝土组合梁承栽能力评价方法3
失。

此时桥梁中可能存在足够的剩余承载力.通过适当维修和改造便可通车。

因此.迫切需要提出一种火灾后钢-混组合梁评价方法，以便采取合理的维修和加固措施。

为给火灾后钢-混组合梁剩余承载性能研究奠定基础，一些学者对火灾后材料性能进行了深人研究。

阎继红等通过大量的工程案例分析.考虑了不同温度、不同放置时间、不同冷却方式及不同养护条件对混凝土力学性能的影响，并推出 了混凝土抗压强度与温度的计算公式:「。

Dolinam 等研究了采用无损方法估算高温后混凝土力学性能的可行性.并对经历不同高温后不同水灰比的混凝土试件进行了试验研究，得到了火灾后混凝土抗压强度随温度和水灰比的变化规律1:。

王卫永等对高强Q460钢材高温加热后采用自然冷却和喷水冷却2种方式冷却.进行拉伸试验得到了高温冷却后高强Q460钢材的应力-应变曲线、屈服强度、极限 强度、弹性模量等力学性能参数随温度的变化规律:17]。

在火灾后钢-混凝土组合梁剩余承载性能研究方面，蔡正东等对发生火灾的双层刚性悬索连续钢桁梁桥进行了分析，首先对火灾后桥梁初步鉴定.测量了受损区域的钢桁梁变形和受损构件的强度•然后通过有限元分析了火灾后的位移和应力:lB:。

I.iu 等通过对火灾后预应力混凝土箱梁桥现场检测.包括外观、锤击试验、抽样检测等.推定了火灾场温度•并根据检测数据分析了结构的剩余承载能力11‘1。

M e n g等通过试验分析了钢-混凝土方形钢管柱的温度分布、破坏模式与荷载-位移曲线•在此基础上.通 过有限元模型进一步分析了火灾持续时间、钢管强度、混凝土强度、约束类型和截面尺寸对结构剩余强度的影响.并提出了钢管柱剩余强度的预测公式[2°]。

A ziz等提出了常温环境条件、火灾和冷却后3阶段分析的火灾后钢-混组合梁剩余承载能力的评估方法:〜。

这些研究多针对某一特定火灾后桥梁的外观、材性检测和剩余承载能力分析.也有一些学者研究了关键参数对火灾后钢混组合结构剩余承载能力的影响，提出了剩余承载能力的分析方法。

然而少有研究对火灾后钢-混组合梁的剩余承载性能及其安全评价方法做出分析，针对经历不同火灾场景后的桥梁承载能力衰变规律和安全评价体系研究尚未健全。

在桥梁发生火灾后.如何通过受火场景、经历最高温度计算得到剩余承载能力.确定其承载能力损伤程度亟待研究。

火灾后桥梁剩余承载能力对维修加固方法的选择起主导性作用.W此，火灾后桥梁承载能力评价体系的提出对桥梁火灾研究领域具有十分重要的意义。

本义以=跨钢-混凝土组合连续梁为研究对象，首先•根据遭遇火灾后的现状反演桥梁纵向受火位置、受火长度和空间受火位置.构建火灾场景数据库。

针对建立的火灾场景数据库中不同火灾场景计算了钢-混凝土组合连续梁荷载-位移曲线，得到了结构在遭遇不同火灾场景后的极限承载能力，并对 其在不同火灾场景下的承载能力衰变规律进行了研究。

最后对钢-混凝土组合连续梁剩余承载能力与恒载和活载作用下的作用效应对比.定义了承载能力损伤分级评定标准.旨在为火灾后同类型桥梁安全评价提供依据。

1受火场景反演方法
1.1研究对象
通过钢-混凝土组合梁遭遇火灾后的现场推演其受火时的场景，包括火灾发生的位置、遭遇火灾时的长度、遭遇火灾时的方式等.以三跨钢-混凝土组合连续梁，为工程背景构建钢_混凝土组合梁遭遇火灾时的场景数据库•见图1。

该桥桥面宽为16. 65 m，梁高2. 26 m。

其中混凝土桥面板（C50)悬臂段端部厚度为18 cm.根部厚度36 cm.钢主梁间厚度均为36 cm。

工字钢梁（Q345D)采用双主梁形式，主梁中心线位置梁高为190 cm.顶板宽80 cm•厚度为25 m m.腹板高126 cm，厚28 m m.底板宽100 cm,厚36 m m。

主梁两侧沿纵向间距为2. 5 m设置 一道厚16 m m的竖向加劲肋。

在双主梁间沿纵向间距2.5 m均匀布置端横梁，中横梁及小横梁。

横 梁沿横桥向间距1m设置厚16 m m的横梁竖向加劲肋。

另外全桥钢主梁沿纵向设置厚16 m m的纵 向加劲肋。

1.2受火场景反演
桥梁火灾的发生具有很强的不确定性，可能是 桥上携带有易燃易爆物品或气体的车辆燃烧爆炸.也可能是桥r大量堆积物起火。

同时.桥梁纵向受火长度受很多不可控因素的影响.如车辆的长度、数量、交通量、风速等。

对于本文研究的钢-混凝土组合连续梁.纵桥向受火不利位置由连续梁体系的受力特点确定，纵向的主要控制断面为中支点断面与中、边跨最大正弯矩断面。

由此可以看出，对火灾 后桥梁剩余承载能力影响的因素众多.包括空间受火位置、纵向受火长度、纵向受火位置等。

因此为构 建完整的针对火灾后钢-混凝土组合连续梁的安全
4长安大学学报（自然科学版)
2021 年
丨i 5〇d 2 000_丨丨
_2 000,d 5〇9|
\混凝土板
\中横梁
支座中心线
%
分段线,
小横梁
分段线
支座中心线
16650h --------------2 500 8〇〇10 050
--------------H
800 2 500 _
2 90010850 2 900
(a )横断面 35 000
10X2 500=25 000
D 梁段 B 梁段 C 梁段 B 梁段
D 梁段
4 500 ，丨•________7 500_________^_____________11 000_____________^________7 500________小
4 500
(b )立面
Fig.图1
钢混凝土组合连续梁
Steel-concrete composite continuous girders
评价体系，首先要建立包含各种影响因素在内的火 灾场景数据库。

本文对所选的钢-混凝土组合连续梁遭遇火灾 后的现状进行反演，假定多种受火模式。

为充分考 虑火灾发生的随机性.本文考虑了受火长度l 为 15、25、35 m 三种不同长度的火灾场景，图2为钢- 混凝土组合连续梁纵向受火场景。

当车辆在桥面行 驶发生火灾时，混凝土桥面板直接承受火灾高温作 用，对钢梁的影响较小.在桥面遭遇火灾中可不考 虑。

当桥下发生火灾时.钢梁和混凝土板下部直接 承受火灾高温作用，混凝土板顶部受到的影响较小， 可以忽略不计。

同时考虑最不利情况，桥面桥下同 时受火场景，例如油罐车在桥上发生泄漏时，燃油通 过泄水孔泄漏至钢梁表面。

钢-混凝土组合连续梁 空间受火位置见图3。

I
"L "
(a )中跨跨中
1
I
丁
L
(b )中支点
I
^ ^
^
~~丁
L
(c )边跨跨中
图2钢-混凝土组合连续梁纵向受火场景
Fig. 2 Longitudinal fire scenarios of steel-concrete
composite continuous girders
综上所述.定义了综合考虑纵向受火位置及受 火长度、空间受火位置的多因素耦合作用火灾场景 数据库.各工况编号见表1。

单位:
綠 _必_ 应
=
=
(c )桥面、桥下同时遭遇火灾场景(火灾影响全部区域）
图3
钢-混凝土组合连续梁空间受火位置
Fig. 3 Spatial fire positions of steel-concrete composite
continuous girders
高温场推定方法
参考火灾后结构鉴定标准、桥梁承载能力与
006
一
第2期张岗，等：火灾后钢-混凝土组合梁承栽能力评价方法
技术状况评定标准等相关规范以及相关文献中的分析数据，通过火灾后钢_混凝土
组合连续梁混凝土的剥落情况、颜色、锤击和钢材表面颜色、变形以及钢梁的挠度等因素，按最不利原则推测桥梁遭遇火灾时的最高温度。

火灾后钢- 混凝土组合连续梁温度推定见表2,根据过火温度再求解火灾后其剩余承载能力。

不论环境升温曲线如何升温，材料在经历相同最高温度后冷却至室温时的力学性能是相同的，因此.在研究火灾后钢-混组合连续梁剩余承载能力时.仅关注火灾下梁所达到的最高温度。

3剩余承载能力分析
桥梁在经受火灾高温作用后，材料的力学性能随经历火灾温度的提高而逐渐退化.将导致钢-混凝土组合连续梁的承载能力降低。

本文通过与常温下结构承载能力对比，得到桥梁遭遇不同火灾场景后结构承载能力的衰减规律。

3. 1数值模型
采用有限元分析软件A N S Y S建立了用于火灾后剩余承载能力分析的钢-混凝土组合连续梁数值模型.见阁4。

混凝土桥面板采用Solid65八节点三维钢筋混凝土实体单元，钢梁采用Shelll81 四节点壳单元。

高温后混凝土和钢材本构关系对火灾后钢-混凝土组合连续梁剩余承载能力的计算尤为重要。

因此，本文混凝土和钢材高温后应力-应变曲线分别采用文献[26]和文献[27]的研究结果。

3.2常温下极限承载能力
本文选取的三跨钢-混凝土组合连续梁，控制 断面为中跨跨中断面、中支点断面及边跨跨中断面。

常温下钢-混凝土组合连续梁各控制断面的荷载位移曲线见图5。

当中支点截面受火后，由于 仅支点附近材料受损.在荷载作用下支点附近腹板会发生明显屈曲.该组合梁达到极限承载能力，而此时主梁跨中挠度的发展并不明显，因而选择支点附近腹板水平位移作为中支点断面荷载-位移曲线的横坐标。

常温下中跨跨中断面、边跨跨中断面和中支点断面的抗弯承载能力分别为125 600. 3、137 498. 6、116 307. 0 kN •m。

表1火灾场景数据库Tab. 1Fire scenarios database
空间受火位置纵向受火位置
纵向受火长度
15 m(L15)25 m( L25)35 m(L35)
中跨跨中（MID)TOP-MID-L15TOP-M ID-L25TOP-M ID-L35桥面火灾(T O P)中支点（SUP)TO P-SU P L15TOP-SUP-L25
边跨跨中（SID)TOP-SID-L15TOP-SID-L25TOP-SID-L35
中跨跨中（MID)B( )T-MID-L15B()T-M1I>L25BOT-MID-L35桥下火灾（BOT)中支点（SU P)BOT-SUP L15BOT-SUP-L25
边跨跨中（SID)BOT-SID-L15B()T-Sir>L25BOT-SID-L35
桥面与桥下同时遭遇火灾(TB)中跨跨中（MID)TB-M II>L15TB-MID-L25TB-MID-L35中支点（SU P)T B-SU P-U5TB-SU P L25
边跨跨中（SID)TB-SID-L15TB-SID L25TB-SID-L35
3.3桥下遭遇火灾后的剩余承载能力
本文利用通用有限元程序ANSYS，考虑火灾后混凝土和钢材力学性能折减.针对构建的火灾场景数据库.计算了桥下遭遇火灾后钢-混凝土组合连续梁的剩余承载能力.桥面火灾和桥面桥下同时遭遇火灾工况的荷载-位移曲线与其规律相同。

3.3.1 中跨跨中
图6为中跨跨中遭遇不同长度桥下火灾后的荷载-位移曲线。

可以看出，钢-混凝土组合连续梁中跨跨中截面经历受火长度越长、经历最高温度越高，剩余承载力越小。

温度T在100 X：〜500C时结构承载能力衰减很小.均在5 %以内；600 r〜1 000 C时结构承载能力衰减很快。

B()T-MII>L15火灾场景经历1 000 C高温后剩余承载能力为81 643. 8 kN .m;与常温下抗弯承载能力相比.经历高温后其承载能力衰减率为35. 0%。

B()T-M1D-L25火灾场景经历1 000 C高温后剩余承载能力为74 770. 1kN .m;与常温下抗弯承载能力对比.经历高温后其承载能力衰减率为40. 5%。

B()T-MII>L35 火灾场景经历 1 000 C高 温后剩余承载能力为63 880. 0 kN .m;与常温下抗弯承载能力相比.经历高温后其承载能力衰减率为49. 1%。

6
长安大学学报（自然科学版)
2021 年
图4钢-混凝土组合连续梁数值模型
Fig. 4 Numerical model of steel-concrete composite continuous girders
0 0.4
0.8 1.2
1.6
2.0
腹板水平位移/cm (b )中支点断面
图5常温下钢-混凝土组合连续梁的荷载-位移曲线
Fig. 5 Load-displacement curves of steel-concrete composite
continuous girder at room tem perature
能力衰减率为22. 9%。

BOT -SUP -L 25火灾场景经历 1 000 C 高温后剩余承载能力为81 226. 6 kN . m ;与 常温下相比，经历高温后承载能力衰减率为30. 2%。

3.3. 3 边跨跨中
图8为边跨跨中遭遇不同长度桥下火灾后的荷 载-位移曲线。

由图8可知，钢-混凝土组合连续梁 边跨跨中截面经历受火长度越长、最高温度越高，剩 余承载力越小。

温度在1〇〇 X ：〜600 C 时结构承载 能力衰减很小，均在5%以内，700 'C 〜1 000 'C 时 则衰减很快。

BOT -SII )-L 15火灾场景经历1 000 C
0 5 10 15 20 25 30 35
主梁挠度/cm
(a )中跨及边跨跨中断面
12厂
表2
火灾后钢-混凝土组合连续梁温度推定
Tab. 2 Temperatures estimation of steel-concrete composite
continuous girders after fire exposure
材料
特点
标度
特征推定温度"：
混凝土
剥落
1无剥落、掉角<3002
局部混凝土偶掉角[300,500)3较大范围混凝土剥落或掉角[500,700)4大范围混凝土剥落或掉角[700,800]5混凝土酥松、大面积剥落
>800颜色
1灰青色•近视正常<3002
浅灰色，略显粉红[300,500)3浅灰白色，显浅红[500,700)4灰白色，显浅黄
[700,800]5显浅黄
>800锤击
1声音响亮、表面不留痕迹<3002
声音较响亮、表面留下较明显痕迹[300,500)3声音较闷、混凝土粉碎和塌落，
留下痕迹
[500,700)4声音发闷、混凝土粉碎和塌落[700,800]5声音发哑、混凝土严重脱落>800钢材
涂层
1涂层基本无损，无残余变形<3002
涂层部分开裂，无残余变形[300,500)3涂层大面积开裂，局部轻度残余变形[500,700)4涂层部分脱落.局部轻度残余变形[700,800]5涂层大面积脱落，局部残余变形
>800腹板
水平
位移/ mm
1
<10<3002[10,20)[300,500)3[20,50)[500,700)4[50,70)[700,800]5>70>800底板竖向位移
mm
1
<12<3002[12,30)[300,500)3[30,60)[500,700)4[60,100)[700,800]5>100>800梁体
梁体
挠度
mm
1
<5.0<3002[5.0,7.5)[300,500)3[7.5,20. 0)[500,700)4[20. 0,40. 0)[700,800]5
>70.0
>800
3.3.2 中支点
图7为中支点遭遇不同长度桥下火灾后的荷 载-位移曲线。

由图7可知，钢-混凝土组合连续梁 中支点截面经历受火长度越长、最高温度越高.剩余 承载力越小。

温度在100 C 〜700 'C 时则衰减很 小，800 E 〜1加0 _C 时则衰减很快。

BOT -SUP -
L 15火灾场景经历1 000 ‘C 高温后剩余承载能力为
89 659. 0 kN • m ;与常温下相比.经历高温后承载
(
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弟2期
张岗，等：火灾后钢-混凝土组合梁承栽能力评价方法
腹板水平位移/cm
(a) B0T-SUP-L15
2
4
6
8
10
腹板水平位移/cm
(b) BOT-SUP-L25
图7
中支点经历桥下火灾后的荷载-位移曲线
Fig. 7 Load-displacement curves of middle support after fire exposure under bridge
高温后剩余承载能力为89 149. 7 kN . m ;与常温下 相比，经历高温后承载能力衰减率为35. 2%。

BOT -SID -L 25火灾场景经历1 000 C 高温后剩余承
载能力为79 118. 1 kN . m ;与常温下对比，经历高 温后承载能力衰减率为42. 5%。

BOT -SID -L 35火 灾场景经历1 〇〇〇 C 高温后剩余承载能力为 69 688. 6 kN . m ;与常温下相比，经历高温后承载 能力衰减率为49.3%。

本文承载能力评价方法流程见图9。

针对火 灾后钢-混凝土组合连续梁.通过本文方法反演受
火场景、推定经历的最高温度.从而计算得到剩余 承载能力.通过与常温下极限承载能力对比•得到 了桥梁遭遇不同火灾场景后结构承载能力的衰变 规律。

随后定义了承载能力损伤分级标准.为火 灾后钢-混凝土组合连续梁的安全评价提供了理论 支撑。

基于火灾场景数据库中经历不同火灾场景后结 构剩余承载能力与常温下结构抗弯承载能力的关 系.定义两者比值为火灾后钢-混凝土组合连续梁承 载能力评定系数Z .用于火灾后桥梁承载力安全评
估，即
Z =M M .X 100%
式中：M T 为火灾后结构剩余承载能力：A 1为常温 下结构抗弯承载能力。

图10为钢-混凝土组合连续梁经历桥下火灾后 极限承载能力衰退曲线。

考虑桥梁结构安全性.根
据剩余承载能力与恒载和活载作用下的作用效应比 较.将火灾后钢-混凝土组合连续梁损伤程度分为4 个等级。

本文所研究的三跨钢-混凝土组合连续梁 在恒载和最不利汽车荷载作用下.中跨跨中最不利 作用效应为18 446 kN • m ，中支点最不利作用效应 为34 467 kN • m ,边跨跨中最不利作用效应为 31 983 k N *m 。

因此各截面作用效应所占常温下 抗弯承载能力的比例不同.这就导致各截面在损伤 分级时Z 值有所不同。

中跨跨中遭遇火灾后，当钢-混凝土组合连续梁 剩余承载能力小于2倍的作用效应时（A K 36 892
kN . m .Z <29.4%).由荷载位移曲线可以看出•此
时梁刚度很小，已不能满足正常使用的要求.经维修
20 40主梁挠度/cm
(a) BOT-MID-L15
60 0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
主梁挠度/cm (b) BOT-MID-L25
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
主梁挠度/cm (c) BOT-MID-L35
图6
中跨跨中经历桥下火灾后的荷载-位移曲线
Fig. 6
Load-displacement curves of mid-span in middle span after fire exposure under bridge
12
承载能力评价
(日• 200/垵撕
200/坡铷
(
61.200/坡
r
8长安大学学报（自然科学版)
2021 年
-4倍作用效应 3倍作用效应 2倍作用效应
-3倍作用效应 2.5倍作用效应 2倍作用效应
^0
40
60 0 5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
主梁挠度/cm 主梁挠度/cm (a) BOT-MID-L15
(b) BOT-MID-L25
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
主梁挠度/cm (c) BOT-MID-L35
Fig. 8图9
评价方法流程
Fig. 9 Flow of evaluation method
图8边跨跨中经历桥下火灾后的荷载-位移曲线
Load-displacement curves of mid-span in side span after fire exposure under bridge
加固后不能有效改善其工作性能，此时认为钢-混凝 土组合连续梁发生垮塌，需要重建.损伤等级为IV 级。

当钢-混凝土组合连续梁剩余承载能力为2〜3 倍的作用效应时（36 892 <M t ,<55 338 kN • m ， 29.4%<Z <44. 1%).钢-混凝土组合连续梁经大修
后能继续正常使用，损伤等级为D 1级。

当钢-混凝土 组合连续梁剩余承载能力为3〜4倍的作用效应时 (55 338 <M …< 73 784 kN • m , 44. 1%<Z < 58. 7%),钢-混凝土组合连续梁经小修后能正常使
损伤分级
常温下承载能力分析
0 200 400 600 800 1 000 0 200 400 600 800 1 000 0 200 400 600 800 1 000
温度/*〇
温度/°c 溫度r e
(a )中跨跨中 （b )中支点 （c )边跨跨中
m 1〇钢-混凝土组合连续梁经历桥下火灾后极限承载能力衰退曲线
Fig. 10 Degradation curves of ultimate load-carrying capacity of the steel concrete composite continuous girder after fire exposure under bridge
用，损伤等级为n 级。

当钢-混凝土组合连续梁剩余承 载能力大于4倍的作用效应时(]W …>73 784 kN • m .
Z >58. 7%)，此时钢-混凝土组合连续梁基本无损
伤，只需对结构表面进行处置，损伤等级为[级。

根据所定义的损伤程度分级标准.火灾后钢-混 凝土组合连续梁承载能力分级评价见表3。

可以看 出，虽然中跨跨中遭遇火灾后承载力损失较大，但由 于中跨在自重和活载作用下作用效应很小，中跨跨 中遭遇火灾后的钢-混凝土组合连续梁损伤程度最 低，仅温度达到1 〇〇〇 C 时部分火灾工况承载能力 为D 级损伤。

中支点和边跨跨中遭遇火灾后的钢_ 混凝土组合连续梁损伤程度较高，在温度达到7〇〇 €时部分火灾工况承载能力就已达到1J 级损伤，在
温度达到1 〇〇〇 C '时最严重的火灾工况承载能力已 达到W 级损伤。

此外，由于仅混凝土板顶面受火，桥面发生火灾 后钢-混凝土组合连续梁损伤程度较低。

在遭遇大 部分火灾场景工况后承载能力均为I 级损伤.仅温 度达到800 C 后部分火灾工况承载能力损伤达到II 级。

由于钢梁和混凝土板下部直接承受火灾高温作 用，桥面桥下同时遭遇火灾后钢-混凝土组合连续梁 损伤程度远高于桥面火灾。

在温度达到70CTC 时部 分火灾工况承载能力就已达到n 级损伤，在温度达 到900 C 时部分火灾工况承载能力已达到m 级 损伤。

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