火灾暴露下箱形截面钢-混凝土组合梁承载能力数值分析与计算方法

《Buildings》：Numerical Analysis and Calculation Method of Load-Carrying Capacity of Steel–Concrete Composite Girders with Box Sections Under Fire Exposure

　　

本研究基于数值分析和数理统计，研究了火灾暴露下钢-混凝土组合梁承载能力的退化规律和计算方法。利用ABAQUS建立了简支箱形截面钢-混凝土组合梁的有限元模型（FEM），并通过现有缩尺试验数据在温度场分布、承载能力和跨中位移方面进行了验证。在此基础上，系统分析了混凝土板厚度、钢腹板高度、钢板厚度和混凝土强度对梁承载能力的参数影响。结果表明，混凝土板厚度、钢腹板高度和钢板厚度对结构承载能力有显著影响，而混凝土强度的影响可忽略不计。具体而言，火灾暴露下的承载能力随混凝土板厚度、钢腹板高度和钢板厚度的增加而显著提高。此外，通过多元线性回归分析，考虑混凝土板厚度、钢腹板高度和钢板厚度三个主要影响因素，建立了火灾暴露下箱形截面钢-混凝土组合梁承载能力的简化计算公式。该公式具有满意的计算精度，可为钢-混凝土组合梁的耐火设计和修复决策提供可靠参考。

**论文解读文章**

**研究背景**
近年来，桥梁火灾事故频发，对生命财产安全构成严重威胁。钢桥的耐火性能远低于混凝土桥，在火灾条件下极易在短时间内发生突然倒塌。随着钢-混凝土组合梁桥的广泛推广，此类结构相关的火灾风险预计将持续上升。然而，现有研究多集中于工字形截面钢-混凝土组合梁，而箱形截面组合梁在桥梁工程中同样常见，其火灾暴露下的承载性能研究尚不充分。此外，已有研究更多关注温度场演化、变形发展和破坏模式，针对承载能力计算方法和主要影响因素的系统研究仍显不足。因此，开展箱形截面钢-混凝土组合梁火灾暴露下承载能力的数值分析与计算方法研究，对于桥梁耐火设计和修复决策具有重要工程意义。该论文发表于《Buildings》期刊。

**研究内容与结论**
研究人员以简支箱形截面钢-混凝土组合梁为研究对象，采用ABAQUS/Standard建立顺序热-力耦合有限元模型，并通过现有缩尺试验数据验证模型在常温极限荷载、温度场分布和火灾下跨中位移时程等方面的准确性。在此基础上，系统分析了混凝土板厚度、钢腹板高度、钢板厚度和混凝土强度四个关键参数对火灾暴露下承载能力的影响。结果表明，混凝土板厚度、钢腹板高度和钢板厚度对承载能力有显著影响，而混凝土强度影响甚微。进一步，基于多元线性回归方法，以三个显著影响因素为变量，提出了火灾暴露下承载能力的简化计算公式，该公式的决定系数R2为0.917，计算值与模拟值最大偏差11.50%，平均绝对偏差4.42%，具有良好精度。该研究为箱形截面钢-混凝土组合梁的耐火性能评估和设计提供了实用工具。

**关键技术方法**
研究人员采用顺序热-力耦合方法，在ABAQUS/Standard中建立有限元模型。温度场模拟中，设置绝对零度-273°C，斯特藩-玻尔兹曼常数（Stefan-Boltzmann constant）为5.67×10^-8，施加表面热对流和表面辐射条件，热对流系数30 W/(m2·°C)，辐射系数0.5，并利用空腔辐射模拟箱梁内部换热，发射率0.1，环境温度25°C。力学模型采用C3D8R八节点线性六面体单元模拟钢箱和混凝土板，钢材采用双线性本构模型，混凝土采用塑性损伤模型。通过热-力耦合实现温度场导入。模型基于Zhang等[1]的缩尺试验（试件S1，计算跨度5.7 m，截面高度400 mm，钢板厚度6 mm，混凝土板宽700 mm、厚100 mm）进行验证，包括常温极限荷载、温度场分布及火灾下跨中位移。参数分析选取混凝土板厚度（90~120 mm）、钢腹板高度（260~320 mm）、钢板厚度（4~10 mm）和混凝土强度（C40~C55）四个参数。最后，通过多元线性回归拟合三个显著参数，得到承载能力计算公式。

**研究结果**

**4.1 混凝土板厚度**
通过有限元分析不同混凝土板厚度（90 mm、100 mm、110 mm、120 mm）下火灾暴露的荷载-位移曲线，得出承载能力随板厚增加而逐渐增大。板厚从90 mm增至100 mm时，承载能力提升7.57%；从90 mm增至120 mm时，累计提升23.66%。

**4.2 钢腹板高度**
采用不同腹板高度（260 mm、280 mm、300 mm、320 mm）进行参数分析，发现承载能力随腹板高度增加而增长。当腹板高度从300 mm增至320 mm时，承载能力提升约25.93%，增幅显著。

**4.3 混凝土强度**
对比C40、C45、C50、C55四种混凝土强度等级（对应抗压强度26.8 MPa、29.6 MPa、32.4 MPa、35.5 MPa），有限元结果显示承载能力随强度提高仅略有上升，影响轻微。

**4.4 钢板厚度**
分析钢板厚度4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的情况，承载能力随板厚增加显著提升。板厚从4 mm增至10 mm时，承载能力从57.95 kN·m升至142.58 kN·m，增幅达146.04%。

**总结与讨论**
研究结论部分指出，采用顺序热-力耦合方法的有限元模型经试验验证准确可靠：常温极限荷载偏差仅5.46%，模拟温度与实测温度吻合良好，跨中位移时程曲线基本一致。参数分析表明，混凝土板厚度、钢腹板高度和钢板厚度是火灾暴露下承载能力的主要影响因素，增加这些参数可有效提升桥梁的耐火性能；而混凝土强度的影响可忽略。基于多元线性回归建立的承载能力计算公式包含三个变量，计算值与模拟值最大偏差11.50%，平均绝对偏差4.42%，具有良好精度。该研究基于缩尺模型，其结果可作为桥梁耐火设计工程应用的参考，未来需开展全尺寸或现场试验进一步验证。