护套火灾下拉索热力与结构响应的研究方法

《Buildings》：An Approach for Investigating Thermal and Structural Responses of Stay Cables Subjected to Sheath Fires

　　

研究人员提出了一种评估护套火灾下拉索热演化与断裂失效全过程的方法。研究人员应用计算机软件FDS 2021和ABAQUS 2021构建了一种顺序热力耦合方法，该方法整合了护套火灾暴露条件下拉索的热、结构和断裂动力学分析。研究人员重建了三种代表性火灾场景，包括全周点火、顶部点火和底部点火。此外，研究人员利用127根独立钢丝，考虑间隙空腔辐射和接触传热，对拉索截面温度进行了分析。结果表明，点火模式决定了截面温度梯度，局部点火导致高度不对称的热场和显著的内弯矩。高温引发荷载从退化受火钢丝向较冷内部层的渐进重分布。最终，当残余极限承载力与实际施加张力相交时，发生突然的整体断裂，断裂形态与空间热分布密切相关。此外，结构承载力退化表现出三个不同的时间依赖阶段：缓慢退化阶段、急剧下降阶段和恢复阶段。在分析的场景中，全周点火引起最剧烈的整体承载力降低，而底部点火比顶部点火具有显著更高的断裂风险。

**论文解读：护套火灾下拉索热力与结构响应的研究方法**

**研究背景与问题**
随着高速公路和城市交通网络的快速发展，现代桥梁工程向大跨度、重载方向演进，斜拉桥凭借其优异的跨越能力和工程美学成为大跨度缆索支撑桥梁的主导结构类型之一。然而，作为斜拉桥的核心承载构件，拉索通常包裹在高密度聚乙烯（HDPE）护套中，该材料高度可燃，在施工和运营期间面临严重火灾风险。近年来，全球报告了多起桥梁火灾事故，例如2014年中国赤石大桥施工火灾导致九根拉索断裂，桥面发生显著挠曲。此类火灾会引发热膨胀应力骤增与高温材料退化，导致拉索承载力急剧下降，轻则构件失效，重则引发桥梁结构连续倒塌，造成灾难性经济损失和社会影响。

现有研究在拉索火灾温度场表征、材料性能退化及内力重分布方面取得了一定进展，但针对护套自身引发的火灾（护套火灾）的专门实验和数值研究仍十分匮乏。已有工作多集中于拉索断裂后桥梁的宏观动力响应，而对高温环境下高强度钢丝的微观断裂机制研究不足，尚未形成完整的断裂成因理论体系。为此，本文旨在填补这一研究空白，发展一种系统评估护套火灾下拉索热响应与断裂失效机制的方法。

**研究内容与结论**
本文以斜拉桥拉索为研究对象，采用Fire Dynamics Simulator (FDS) 2021和ABAQUS 2021构建了顺序热力耦合模型，整合热、结构和断裂动力学分析，重建了全周点火、顶部点火和底部点火三种真实护套火灾场景，并对127根钢丝组成的拉索截面温度场、应力重分布特征及极限承载力退化过程进行了系统评估。研究发表于《Buildings》期刊。

**主要关键技术方法**
本研究基于计算流体动力学（CFD）平台FDS 2021构建护套燃烧模型，采用0.008 m × 0.008 m × 0.008 m网格，总模拟时间2000 s，初始环境温度20 °C，通过600 °C热源持续600 s引发材料热解。随后在ABAQUS 2021中建立127根直径7 mm、轴向长度500 mm的高强度钢丝精细传热模型，采用1 mm六面体单元，考虑间隙空腔辐射（发射率0.7）和接触传热（罚函数摩擦系数0.115），并基于瞬态传热结果进行结构分析与断裂模拟，采用动态显式（Dynamic/Explicit）模块，启用单元删除准则。模型验证方面，分别与Chen等[7,8]的实验火场数据、Li[22]的61丝束传热数值结果以及Liu[16]的单丝高温断裂实验进行对比，误差均在合理范围内。

**研究结果**
**3.1 截面温度场演化**
通过重建三种点火场景，研究人员发现：全周点火下，截面温度场呈同心环状分布，初期从外向内径向递减，后期因护套燃尽后外部散热快于内部，梯度反转。顶部点火下，温度场呈竖直轴对称，经历初始加热、护套点燃、水平蔓延与熔化、快速加热与上部燃烧扩展、燃料耗尽五个阶段，最高温度达835.0 °C。底部点火下，温度场同样呈竖直轴对称，经历五阶段演化，最高温度达837.5 °C，且热通量向上运动增强背风侧加热。

**3.2 高温下钢丝内力重分布**
基于初始荷载比0.4（轴向力3256 kN，应力677.1 MPa）的分析表明：全周点火下，应力分布与温度梯度呈负相关，外层第1、2层钢丝因高温退化而应力降低，内层钢丝因温度较低而补偿应力，应力差达324.6 MPa。顶部点火下，拉索未断裂，截面应力差达1444.0 MPa，产生最大弯矩53.4 kN·m，且降温后应力逐渐恢复。底部点火下，产生最大应力差1230.2 MPa，弯矩达35.5 kN·m，最终导致断裂。三种场景均呈现“高温区应力降低、低温区应力升高”的重分布规律。

**3.3 拉索断裂特征**
全周点火下，断裂形态与温度场空间分布密切相关，高温区外层钢丝出现明显颈缩，塑性应变达临界值，低温区钢丝保持弹性，荷载从软化区向内部转移。顶部点火下，断裂从高温区起始，峰值温度807.3 °C，高低温度区均达到极限应力后断裂。底部点火下，峰值温度805.3 °C，高温区集中于底部和外缘，断裂面形态严格受温度场控制，高温区钢丝因应变超限而缩短。总体而言，高温材料退化与应力重分布耦合导致拉索承载力降至施加索力水平时发生整体断裂。

**3.4 承载力分析**
拉索常温极限承载力为8378.7 kN。护套火灾下，承载力曲线与加热曲线呈反相关，分为三个阶段：缓慢退化阶段（0–600 s，承载力基本保持）、快速衰减阶段（600–1200 s，顶部点火下降49.25%，底部点火下降86.67%）、恢复阶段（护套燃尽后降温，顶部点火恢复至75.15%，底部点火恢复至40.06%）。全周点火导致最剧烈的整体承载力降低，而底部点火比顶部点火具有显著更高的断裂风险。当荷载比为0.4时，ISO 834标准火灾下断裂时间为307 s，底部点火下为1004 s。

**讨论与结论**
本文构建了护套火灾下斜拉索热力与断裂分析的整合框架，主要结论如下：（1）点火模式决定了截面非均匀温度分布，全周火灾产生同心径向梯度，局部点火导致显著不对称热场。（2）高温引发荷载从退化受火钢丝向较冷内部钢丝持续转移；全截面火灾产生对称应力状态，局部不对称热场导致显著内弯矩。（3）当退化后的极限承载力降至实际施加张力时，突然发生整体断裂，最终断裂形态与局部颈缩与截面温度场空间分布密切相关。（4）极限承载力经历缓慢退化、快速衰减和恢复三个阶段，全周点火引起最剧烈的整体承载力降低，底部点火比顶部点火具有更高的断裂风险。