一种LNG油罐车火灾下悬索桥安全性的分析与评价方法技术

本发明专利技术公开了一种LNG油罐车火灾下悬索桥安全性的分析与评价方法，首先建立悬索桥火灾分析模型对火灾关键影响参数进行分析，确定悬索桥LNG油罐车火灾下的最不利工况；建立悬索桥火灾分析模型，计算最不利火灾场景下缆索系统的壁面温度；建立悬索桥有限元模型，计算主缆和吊索的截面温度分布及刚度折减；建立悬索桥全桥有限元模型，将主缆和吊索的性能折减作为火灾后的材料参数施加在悬索桥全桥有限元模型中，并计算悬索桥主梁的最大位移、主缆的轴力以及索力的分布，最终判断悬索桥是否处于危险状态。本方法可以对不同火灾工况下悬索桥结构的风险进行评价，为明确抗火薄弱部位并提高桥梁抗火能力提供可靠的技术支撑。高桥梁抗火能力提供可靠的技术支撑。高桥梁抗火能力提供可靠的技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种LNG油罐车火灾下悬索桥安全性的分析与评价方法


[0001]本专利技术属于桥梁工程
，具体涉及一种LNG油罐车火灾下悬索桥安全性的分析与评价方法。

技术介绍

[0002]根据相关机构的统计分析，在全美1951年后发生的桥梁事故中，约有3％由火灾引起，这一比例略高于地震至灾比例。近年来，国内外多座著名缆索体系桥梁发生了严重威胁桥梁安全的车辆火灾，事故中桥梁严重损坏，甚至整体垮塌，给当地造成了巨大的经济损失。当前我国悬索桥数量众多，且多为保证公路运输畅通的咽喉要道，在危化品运输需求日益增长的形势下，其发生大规模火灾的可能性显著提高。为保障新形势下悬索桥的防火安全，国内外学者纷纷开启了悬索桥抗火研究，以保障桥梁在火灾下的结构安全，减少由火灾引起的经济损失和后期维修成本。然而，国内外现有的油罐车火灾研究大多针对由传统石油或汽油引起的火灾，对于LNG油罐车火灾的研究较少，与传统石油或汽油火灾不同，液化天然气(LNG)的主要成分是甲烷，属于一级可燃气体，甲类火灾危险品，爆炸极限为5％～15％(体积分数)，最小点燃能量仅需0.28mJ，燃烧速度快，燃烧热值高(约为33440kJ/m3)，极易燃烧、爆炸，且扩散能力强，若发生爆燃，火势蔓延极其迅速。若以传统石油或汽油火灾升温曲线开展研究，将会严重低估火焰的发展态势，并且现有研究较多采用基于升温曲线和有限元的简化“热—力模拟方法”，计算精度还有很大的提升空间。除此之外，由于缺乏桥梁抗火设计的行业规范，在确定火灾工况时，大多依据经验决定环境影响参数，不能完全代表火灾对桥梁影响最不利的情况。
[0003]对悬索桥开展火灾分析，是保证桥梁结构的安全和运营的重要前提。目前，现有的关于桥梁火灾的资料未见针对LNG油罐车的研究。此外，已有研究中缆索受火时的结构模型只考虑了局部效应，忽略了结构整体的协作受力，孤立结构模型的内力严重偏离了实际的结构受力，这将为整体结构带来了很大的安全隐患。

技术实现思路

[0004]为了解决上述
技术介绍
提到的技术问题，本专利技术提出了一种LNG油罐车火灾下悬索桥安全性的分析与评价方法，利用数值模拟计算LNG油罐车火灾下桥梁结构的力学响应，评价火灾下桥梁整体结构的安全性，并明确抗火薄弱部位，以确保桥梁运营安全。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一种LNG油罐车火灾下悬索桥安全性的分析与评价方法，包括以下步骤：建立悬索桥火灾分析模型，利用火灾分析模型对火灾关键影响参数进行分析，得到悬索桥LNG油罐车火灾下的最不利工况；根据悬索桥LNG油罐车火灾下的最不利工况建立悬索桥火灾分析模型，计算最不利火灾场景下缆索系统的壁面温度；建立悬索桥有限元模型，将最不利工况下缆索系统的壁面温度作为第一类温度边界条件，计算主缆和吊索的截面温度分布及刚度折减；建立悬索桥全桥有限元模型，将主缆和吊索的性能折减作为火灾后的材料参数施加在
悬索桥全桥有限元模型中，并计算悬索桥主梁的最大位移、主缆的轴力以及索力的分布，以此判断悬索桥结构是否处于危险状态。
[0007]优选地，悬索桥有限元模型和悬索桥火灾分析模型的控制方程组公式表达如下：
[0008][0009][0010][0011][0012][0013]p＝ρRT (19)
[0014]e＝c
v
T (20)
[0015]式中，ρ、u、v、w、p、e、T为7个流场参量，分别为密度、速度在x轴、y轴、z轴方向的分
量、压力、粘度和温度。
[0016]优选地，火灾关键影响参数分析具体包括：
[0017]起火点位置，根据桥型布置以及车辆通行方案，分析LNG油罐车火灾发生在跨中处、桥塔处、长吊索处、短吊索处、锚碇处、主跨1/4处等关键点位时桥梁结构的力学响应，确定相对最不利起火点位置；
[0018]起火面高度，根据主缆与桥面的相对距离，分析起火面在油罐车的顶部和中部以及起火面在桥面的情况下，确定相对最不利起火面高度；
[0019]环境风速，根据总体设计和监测数据，分析不同环境风速下火焰高度、火焰形态以及火焰走势对缆索系统的影响程度，确定相对最不利环境风速；
[0020]持火时间，根据消防的具体需求和实际情况，试算分析不同火灾持续时间下桥梁结构的力学响应，确定相对最不利持火时间。
[0021]优选地，最不利工况下悬索桥火灾分析模型包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和物质状态方程；
[0022]质量守恒方程公式表达如下：
[0023][0024]式中，ρ为气体密度，u为速度矢量；
[0025]动量守恒方程公式表达如下：
[0026][0027]式中，p为压力，f
b
为自重以外的外部力矢量，τ
ij
为粘性应力张量；
[0028]能量守恒方程公式表达如下：
[0029][0030]式中，h
s
为显焓，为单位体积热释放速率，q
″′
b
为液滴蒸发转移的能量，为热通量矢量；
[0031]物质状态方程公式表达如下：
[0032][0033]式中，ρ为气体密度，p为压力，T为气体温度，R为理想气体常数，M为气体混合物分子量。
[0034]优选地，计算火灾下缆索系统刚度折减具体指：将主缆截面划分为若干个微小单元，取单元中所有节点的温度平均值代表该单元的等效温度，并根据欧洲规范EC3规定的不同温度下钢材刚度参数插值计算得到该单元在对应温度下的刚度折减系数，继而将截面内所有单元的刚度折减系数加权平均得到主缆整体截面的刚度减系数，以此评价主缆截面的整体刚度退化，公式表达如下：
[0035][0036]式中，Ψ为截面整体刚度折减系数；E为常温下钢材的弹性模量，A为截面面积；n为截面划分单元数；为第i个单元的刚度折减系数，根据该单元所有节点的温度平均值查表得到；E
i
为第i个单元在对应温度下的弹性模量，a
i
为第i个单元的面积。
[0037]优选地，在悬索桥有限元模型分别计算悬索桥主梁的最大位移、主塔塔顶的位移、主缆的轴力以及索力的分布之后进行承载力验算，包括主梁挠度验算和缆索破断力验算，公式表达如下：
[0038][0039]式中，[F
max
]为破断力，单位为kN；f
pk
为钢丝抗拉强度标准值；A为主缆截面积；γ为安全系数，γ≥2.5。
[0040]优选地，悬索桥结构是否存在危险的判断依据具体如下，当桥梁结构形式为简支或连续桁架或简支或连续板梁时，悬索桥主梁计算挠度值小于等于当桥梁结构形式为梁的悬臂端部时，悬索桥主梁计算挠度值小于等于当桥梁结构形式为斜拉桥主梁时，悬索桥主梁计算挠度值小于等于当桥梁结构形式为悬索桥加劲梁时，悬索桥主梁计算挠度值小于等于其中，l为计算跨径，l1为悬臂长度。
[0041]采用上述技术方案带来的有益效果：
[0042]本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种LNG油罐车火灾下悬索桥安全性的分析与评价方法，其特征在于，包括以下步骤：建立悬索桥火灾分析模型，利用火灾分析模型对火灾关键影响参数进行分析，得到悬索桥LNG油罐车火灾下的最不利工况；根据悬索桥LNG油罐车火灾下的最不利工况建立悬索桥火灾分析模型，计算最不利火灾场景下缆索系统的壁面温度；建立悬索桥有限元模型，将最不利工况下缆索系统的壁面温度作为第一类温度边界条件，计算主缆和吊索的截面温度分布及刚度折减；建立悬索桥全桥有限元模型，将主缆和吊索的性能折减作为火灾后的材料参数施加在悬索桥全桥有限元模型中，并计算悬索桥主梁的最大位移、主缆的轴力以及索力的分布，以此判断悬索桥结构是否处于危险状态。2.根据权利要求1所述一种LNG油罐车火灾下悬索桥安全性分析流程与风险评价方法，其特征在于，悬索桥有限元模型和悬索桥火灾分析模型的控制方程组公式表达如下：其特征在于，悬索桥有限元模型和悬索桥火灾分析模型的控制方程组公式表达如下：其特征在于，悬索桥有限元模型和悬索桥火灾分析模型的控制方程组公式表达如下：其特征在于，悬索桥有限元模型和悬索桥火灾分析模型的控制方程组公式表达如下：
p＝ρRT
ꢀꢀꢀꢀ
(6)e＝c
v
T
ꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，ρ、u、v、w、p、e、T为7个流场参量，分别为密度、速度在x轴、y轴、z轴方向的分量、压力、粘度和温度。3.根据权利要求1所述一种LNG油罐车火灾下悬索桥安全性分析流程与风险评价方法，其特征在于，火灾关键影响参数分析具体包括：起火点位置，根据桥型布置以及车辆通行方案，分析LNG油罐车火灾发生在跨中处、桥塔处、长吊索处、短吊索处、锚碇处、主跨1/4处等关键点位时桥梁结构的力学响应，确定相对最不利起火点位置；起火面高度，根据主缆与桥面的相对距离，分析起火面在油罐车的顶部和中部以及起火面在桥面的情况下，确定相对最不利起火面高度；环境风速，根据总体设计和监测数据，分析不同环境风速下火焰高度、火焰形态以及火焰走势对缆索系统的影响程度，确定相对最不利环境风速；持火时间，根据消防的具体需求和实际情况，试算分析不同火灾持续时间下桥梁结构的力学响应，确定相对最不利持火时间。4.根据权利要求1所述一种LNG油罐车火灾下悬索桥安全性分析流程与风险评价方法，其特征在于，最不利工况下悬索桥火灾分析模型包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和物质状态方程；...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄侨，宋恒宇，刘志，吴向阳，郭晓月，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：