火灾下混凝土桥梁有效预应力衰变机理与承载能力分析方法研究

The loss of prestress and the bearing capacity are unknown while prestress concrete bridge is subjected to severe fire, as a result, the renovation for bridges is difficult, or it is removed irrationally and fund consumption is enormous. The prestress concrete bridge is a studied background in this project, the decaying mechanism of effective prestess and bearing capacity for prestress concrete bridges subjected to fire is to be studied. The deformation and damage feature for bridges is to be studied by means of model test and numerical simulation of FEM, based on the amending analogous condition and minimizing test errors through the tools of double-stage difference, the stress distribution condition at controlled point for key pestress strands is to be measured and analyzed, the decaying mechanism is to be disclosed combined with sampling of accident bridges, the prediction method along longitudinal direction for prestress concrete bridge under condition of different temperature is to be proposed on the basis of test value of controlled point of key strands and theoretical analysis, the analysis method for prestress concrete bridges after fire is to be presented based on effective prestress and damage parameters. The implementation of project may provide theoretical laws and basic data for concrete bridge after fire, and it is theoretically significant to improve the fire-resistant designation method of long-span prestress concrete bridge.

预应力桥梁遭受严重火灾，因预应力损失和剩余承载能力不能准确评估使得修复难度增大，或盲目拆除，资金耗费巨大。本项目申请拟以预应力混凝土桥梁为背景，研究在火荷载作用下混凝土桥梁有效预应力的衰变机理及火灾后桥梁剩余承载能力。项目研究以模型试验和有限元数值模拟为主要手段，研究预应力混凝土桥梁在火灾高温作用下的变形与损伤特征，综合考虑模拟边界修正条件并结合二级测定法的误差修正，测试分析火灾高温持续不同时间模型梁典型预应力钢束可控点应力分布性态，结合事故桥梁采样揭示火灾高温下混凝土桥梁有效预应力的衰变机理，基于典型钢束试验值和理论分析提出不同温度状态下混凝土桥梁有效预应力纵向沿程的预测方法，提出火灾后基于有效预应力度和损伤参数的预应力混凝土桥梁承载能力分析方法。项目的研究为预应力混凝土桥梁灾后准确评估提供理论依据和基础数据,为完善大跨度预应力桥梁结构实用抗火设计方法具有重要的理论意义。

预应力混凝土桥梁遭受火灾后，倍受关注的是混凝土桥梁的有效预应力和剩余承载能力。项目选取预应力混凝土薄腹梁桥(箱梁和T梁)为主要背景，以有效预应力衰变和剩余承载能力为目标，重点研究了火灾下混凝土桥梁有效预应力的衰变机理及剩余承载能力的变化规律。项目研究采用模型试验和数值模拟及实桥数据采样相结合的方法，开发了高温下混凝土弹性模量损失比计算系统和预应力损失计算系统、火灾全过程混凝土累计等效烧损深度计算系统、火灾下箱梁有效预应力计算系统和预应力混凝土箱梁正截面承载能力计算系统等，提出了火灾下混凝土箱梁有效预应力衰变预测方法及剩余承载能力分析方法，研发了火灾后混凝土测损仪和混凝土分层强度钻拔测试仪。项目研究主要成果表明：.（1）受火模式、受火时间和钢束型式对混凝土桥梁有效预应力损失有显著影响。预应力时程损失随火灾时间的延续呈指数型式增大，其趋势按时间可分为2阶段，第1阶段预应力时程损失增长率大，第2阶段预应力时程损失增长率小；火灾过程中腹板底部钢束预应力沿程损失比腹板顶部钢束预应力沿程损失大，沿跨径四分点处的预应力损失值是其他部位的1.1倍，跨中位置的预应力损失增长幅度大，锚下预应力损失小，火灾过程中混凝土桥梁有效预应力沿程损失呈反“W”型分布；对于混凝土连续梁桥，预应力损失仅在受火跨表现明显。.（2）火灾场景和火灾模式对预应力混凝土桥梁的承载能力影响显著，碳氢火灾和标准火灾场景下预应力混凝土桥梁的承载能力降低幅度大，破坏时间短，150min以内；设计火灾和外部火灾场景下预应力混凝土桥的承载能力衰减缓慢，300min内无破坏；不同火灾模式下预应力混凝土薄腹梁桥易产生腹板或翼缘板局部失稳，局部破坏先于整体破坏。.（3）随火灾时间的持续预应力混凝土桥梁抗弯承载能力呈二次抛物线下降，按趋势可分为4阶段，受火初期抗弯承载能力基本保持初值，受火中期抗弯承载能力减小幅度较大，受火末期抗弯承载能力衰减缓慢，破坏阶段抗弯承载能力直线下降。抗弯承载力衰减幅度由跨中至端部逐渐增大；混凝土箱内部受火时的抗弯承载力损失值比外部受火时大；火灾过程中预应力混凝土桥梁抗剪承载能力直线式下降。.依托本项目发表论文14篇、专利3项、软件著作权6项、已培养研究生5名，特邀报告1次，分组报告2次。项目研究为预应力混凝土桥梁灾后准确评估提供理论依据，为提出实用抗火设计方法提供基础数据，具有重要的科学意义和实用价值。