1、目前，橋梁發(fā)生汽車燃燒火災(zāi)事故越來越頻繁，造成的危害和損失巨大。多塔懸索橋由于其結(jié)構(gòu)整體剛度小、柔性大，主要承力結(jié)構(gòu)吊索和主纜的高溫易脆性等特點，發(fā)生火災(zāi)后修復(fù)難度大、修復(fù)時間長，后果嚴(yán)重。
　　本文以武漢鸚鵡洲長江大橋（主跨為850m的三塔四跨懸索橋）為依托，采取模糊故障樹理論和有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合模擬方法相結(jié)合，深入分析了武漢鸚鵡洲長江大橋運營期汽車燃燒風(fēng)險因素和風(fēng)險水平，構(gòu)建了基于模糊故障樹理論的橋梁運營期汽車燃燒風(fēng)險概率模型

2、，獲得了橋梁運營期發(fā)生汽車燃燒事故的風(fēng)險概率大小。根據(jù)ANSYS熱-結(jié)構(gòu)有限元分析方法，建立了武漢鸚鵡洲長江大橋三維空間熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型，獲得了汽車燃燒下橋梁結(jié)構(gòu)三維空間溫度場分布特征，掌握了武漢鸚鵡洲長江大橋關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)內(nèi)力、撓度、材料強度、彈性模量的高溫變化規(guī)律，確定了鸚鵡洲長江大橋汽車燃燒下最危險火災(zāi)場景和極限承載力，提出了最危險火災(zāi)場景下橋梁纜索抗火設(shè)置方法，明確了橋梁主纜和吊索在最危險火災(zāi)場景下的破壞時間，制定了武漢鸚鵡

3、洲長江大橋運營期汽車燃燒風(fēng)險防范措施。本文的創(chuàng)新性成果如下：
　?。?）構(gòu)建了基于模糊故障樹理論的橋梁運營期汽車燃燒風(fēng)險概率模型。通過對汽車燃燒風(fēng)險因素的逐層分解，建立了各種風(fēng)險因素之間的故障樹，考慮風(fēng)險因素模糊性和不確定性，運用模糊故障樹理論，構(gòu)建了橋梁運營期汽車燃燒風(fēng)險概率模型，提出了橋梁運營期汽車燃燒事故概率的計算公式，實現(xiàn)了橋梁運營期汽車燃燒事故發(fā)生頻率的預(yù)測，研究結(jié)果為大跨徑橋梁抗火設(shè)計提供了理論依據(jù)。計算表明：在100

4、年設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，武漢鸚鵡洲長江大橋發(fā)生油罐車燃燒事故2.26次；小汽車燃燒事故24.27次；客車燃燒事故10.78次；貨車燃燒事故4.16次。
　?。?）建立了武漢鸚鵡洲長江大橋三維空間熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型。采用全橋簡化模型，關(guān)鍵部位為三維空間實體模型的建模思路，以ANSYS有限元軟件系統(tǒng)為平臺，通過節(jié)點在三維空間上平動與轉(zhuǎn)動6個自由度保持一致，實現(xiàn)簡化模型單元和三維空間實體單元的平滑連接，根據(jù)熱傳導(dǎo)方程和能量守恒熱平衡方程，計

5、算出結(jié)構(gòu)的溫度場和相應(yīng)的熱物理參數(shù)，將其轉(zhuǎn)化成熱荷載，從而實現(xiàn)熱-結(jié)構(gòu)的有限元耦合，據(jù)此建立了武漢鸚鵡洲長江大橋三維空間熱-結(jié)構(gòu)耦合精細(xì)化有限元模型。全橋共設(shè)置14個三維空間精細(xì)化有限元節(jié)段模型，共劃分404852個單元和426951個節(jié)點。結(jié)果表明本模型能夠精確確定武漢鸚鵡洲長江大橋汽車燃燒下的三維空間溫度場，通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析獲得橋梁關(guān)鍵部位的高溫力學(xué)性能的時變特征。
　?。?）獲得了武漢鸚鵡洲長江大橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的高溫變化

6、規(guī)律。根據(jù)汽車燃燒火災(zāi)在不同環(huán)境下呈現(xiàn)出不同的升溫曲線的特點，明確了適用于橋梁開放環(huán)境中油罐車、小汽車、客車、貨車的火災(zāi)升溫曲線。根據(jù)汽車燃燒下橋梁結(jié)構(gòu)的高溫溫度場特征，獲得了材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)、彈性模量、材料強度等隨高溫變化的表達式及其取值范圍。給出了吊索和主纜在汽車燃燒下承受的最高溫度范圍，掌握了吊索和主纜抗拉強度和彈性模量隨溫度的升高而急速下降的時變規(guī)律。計算結(jié)果表明：在恒載+活載工況下，當(dāng)1輛油罐車在主跨跨中距主纜

7、和吊索4m處發(fā)生燃燒時，在此極端狀態(tài)下吊索抗破壞時間為24min。
　　（4）獲得了武漢鸚鵡洲長江大橋汽車燃燒下最危險火災(zāi)場景和極限承載力。運用橋梁油罐車燃燒火災(zāi)升溫曲線，選取4種最不利的油罐車燃燒火災(zāi)場景，在恒載+活載工況下，分別模擬了1輛油罐車燃燒時，在4種最不利火災(zāi)場景下主纜和吊索的高溫力學(xué)性能，以吊索抗破壞時間最短為依據(jù)，從而確定了主跨跨中為最危險火災(zāi)場景，以此獲得了橋梁主纜和吊索的極限承載能力。計算結(jié)果表明，當(dāng)油罐車燃燒

8、24min時，主跨跨中吊索的極限承載力為540MPa，主纜的極限承載力為1667MPa，為橋梁抗火設(shè)計與確定最快救援時間提供了科學(xué)依據(jù)。
　?。?）提出了最危險火災(zāi)場景下橋梁纜索抗火設(shè)置方法。為了研究外包防火層材料及尺寸對橋梁抗火性能的影響，對主纜和吊索以及外包防火層均采用實體單元模擬，通過賦予外包防火層和其內(nèi)的纜索材料不同的熱屬性，模擬油罐車燃燒下主纜和吊索的高溫力學(xué)性能，確定了主纜和吊索的高溫燃燒影響范圍，獲得了主纜和吊索抗破

9、壞時間隨防火層材料和結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系曲線，提出了最危險火災(zāi)場景下橋梁纜索抗火設(shè)置方法。計算結(jié)果表明，最危險場景下，主纜設(shè)置0.5cm厚外包硅酸鋁防火層，吊索設(shè)置1.0cm厚外包硅酸鋁防火層，主纜和吊索抗破壞時間分別延長3倍和5倍，為主纜和吊索的抗火設(shè)計提供了技術(shù)支撐。
　　（6）制定了武漢鸚鵡洲長江大橋運營期汽車燃燒風(fēng)險防范措施。通過對武漢鸚鵡洲長江大橋運營期汽車燃燒風(fēng)險概率及危害程度的分析，明確了橋梁抗火救援最長時間為24min，