目前,国内外主要进行了大量的建筑和隧道火灾研究,对柔性很大的悬索桥高温燃烧火灾,相关的研究涉及很少。现有的桥梁抗火研究中大多采用建筑火灾中升温曲线的方法定义热荷载进行升温加载,与实际情况相差较大。且由于悬索桥为多次超静定结构,火灾下受力情况复杂,桥梁中的一些部位极有可能在整体破坏之前发生其他形式的局部破坏。因此,深入分析油罐车火灾下悬索桥的高温力学特性,并提出相应的抗火设计方案对保障桥梁安全运营是十分必要的。武汉杨泗港长江大桥为主跨1700m的双层钢桁梁公路悬索桥,是武汉市的重要过江通道,交通流量大,火灾风险等级高。本文以此桥为工程依托,在归纳总结材料随温度变化的热工参数和力学参数的基础上,采用最小二乘法原理拟合推导出随温度变化的材料热工参数和力学参数多项式表达式。根据火灾热释放率理论确定桥梁火灾最不利油罐车火灾热释放率函数增长模型。采用火灾动力学软件FDS建立武汉杨泗港长江大桥三维空间热分析模型,探明油罐车在桥梁不同部位燃烧时关键部位三维空间瞬态温度场分布特征,通过热-结构耦合分析,掌握武汉杨泗港长江大桥主缆、吊索、加劲梁、桁架杆高温下力学性能时变规律,确定油罐车火灾下桥梁主缆和吊索的最短破坏时间以及加劲梁钢材板件的最短屈曲失稳时间,以此获得桥梁的最佳抗火救援时间。在此基础上提出武汉杨泗港长江大桥抗火设计方法,并制定桥梁抗火救援措施,以保障桥梁运营期的安全。本文的主要工作与创新性成果如下:(1)推导拟合了钢材和混凝土随时间变化的热工参数与力学参数函数表达式。钢材和混凝土的热工参数和力学参数随温度变化较为显著,热分析过程中,材料的热工参数和力学参数取值较为离散,不易选定,采用单一的随温度变化的热工参数和力学参数会使计算误差较大。本文在总结归纳国内外随温度变化的钢材和混凝土的热工参数(导热系数、比热、热膨胀系数)和力学参数(弹性模量、强度)表达式的基础上,通过最小二乘法原理,推导拟合出随温度变化的钢材和混凝土的热工参数和力学参数多项式拟合函数,大大降低了热分析计算中热工参数和力学参数取值的误差,使得分析结果更为精确。(2)建立了武汉杨泗港长江大桥火灾热分析模型与力学分析模型。利用火灾动力学软件FDS的大涡模拟方法建立了桥梁油罐车火灾下的热分析模型,模型通过采用火源燃烧热释放率的方法模拟火源的燃烧特性,获得相应部位随时间变化的温度。基于有限元软件ANSYS,采用全桥为杆系结构,跨中36m节段为空间精细化板壳实体单元的方法进行建模,得到了桥梁力学分析模型。结果表明,FDS热分析模型能够精确模拟出火源对桥梁结构的动态对流辐射作用,确定火灾下桥梁结构关键部位三维瞬态温度场分布特征;ANSYS三维空间力学有限元模型在大大减少了模型单元数目的基础上,既能通过热-结构耦合原理将热分析结果定义到力学分析模型,又能将精细化节段的主缆、吊索、加劲梁,桁架杆同悬索桥全桥进行连接,计算出各部位随时间变化的高温力学性能。(3)探明了武汉杨泗港长江大桥关键部位瞬态温度场分布特征及高温下力学性能变化规律。采用火灾热释放率曲线定义火源热荷载,通过对比计算不同车辆类型燃烧达到的最高温度与火焰规模,确定了武汉杨泗港长江大桥最危险的火灾车型为200MW的油罐车。分析了火灾三种热释放率增长模型的适用场合,从而确定了指数型增长模型为杨泗港长江大桥最适用的热释放率模型。利用200MW的油罐车热释放率曲线模拟火源的燃烧过程,对桥梁结构施加热荷载,探明了油罐车在桥梁不同位置燃烧时主缆、吊索、桥面板、加劲梁钢材板件、桁架杆三维瞬态温度场分布特征。通过热-结构耦合原理,分析获得了主缆、吊索、桥面板、钢材板件、桁架杆高温下弹性模量、强度、应力、挠度随时间变化规律。(4)明确了油罐车火灾下武汉杨泗港长江大桥主缆和吊索的破坏失效规律及加劲梁钢材板件高温下屈曲失稳特征;获得了吊索与主缆的最短破坏时间,加劲梁钢材板件屈曲失稳的最短时间。通过热分析所得的主缆吊索高温瞬态温度场及材料随温度变化的力学参数,明确了吊索和主缆抗拉强度和弹性模量将随温度的升高而急速下降的特征。热-结构耦合计算得到主缆吊索的应力时变特征,从而获得了油罐车燃烧下吊索和主缆的破坏时间。根据钢材板件稳定性理论,结合钢材高温下的力学性能折减规律计算获得了加劲梁钢材板件屈曲失稳形态与屈曲时间。结果表明:在恒载+活载工况下,当1辆油罐车在桥梁主跨跨中上层最外车道发生燃烧时,吊索的破坏时间最短为36min,主缆的破坏时间最短为58min;当1辆油罐车在桥梁主跨跨中下层非机动车道发生燃烧时,加劲梁钢材板件屈曲失稳的最短时间为43min,此时结构先发生局部屈曲失稳而不是强度破坏。(5)提出了武汉杨泗港长江大桥抗火设计方法,确定了主缆和吊索外包防火层的防护厚度、防护高度、防护范围,获得了钢材板件防火涂料类型与相应的填涂厚度。将不同的导热系数和比热定义在缆索体系和防火层中,计算获得了油罐车火灾下主缆和吊索破坏时间随外包防火层厚度尺寸变化的关系。结果表明,桥梁主跨跨中28m范围内的主缆设置厚度为0.5cm硅酸铝,全桥距主梁高度10m以下的吊索设置厚度为0.5cm硅酸铝,主缆和吊索在整个油罐车火灾阶段不发生破坏。通过分析不同类型防火涂料的适用类型获确定了超薄型防火涂料为本桥的防火涂料,分析对比不同防火涂料厚度下加劲梁钢材板件的高温力学特性,确定防火涂料的填涂厚度为3mm。结果表明,桥梁上层加劲梁和桁架杆填涂相应的防火涂料后,在整个油罐车燃烧阶段不会发生屈曲失稳及强度破坏。(6)获得了武汉杨泗港长江大桥油罐车火灾下的最佳抗火救援时间,制定了相关的抗火救援措施。由油罐车分别在桥梁上层和下层车道燃烧时关键部位的损伤破坏情况确定了桥梁的最佳抗火救援时间:油罐车在桥梁上层车道发生燃烧时,抗火救援的最佳时间在16min内,油罐车在桥梁下层车道发生燃烧时候,抗火救援的最佳时间在20min内。根据油罐车在桥梁上层中间车道燃烧的计算结果明确了该车道为油罐车安全过桥通道,油罐车在过桥时可由桥梁管理部门引导,从上层中间车道进行通行。制定了桥梁抗火救援流程和相关的抗火救援措施,为保障桥梁的运营安全提供参考。