火災后箱梁橋災變機理分析及評估方法研究

吳新印， 曾　軍， 林　鳴

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院， 湖南 長沙　410008；　2.湖南金沙路橋建設有限公司， 湖南 長沙　410025)

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火災后箱梁橋災變機理分析及評估方法研究

吳新印1， 曾軍2， 林鳴1

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院， 湖南 長沙410008；2.湖南金沙路橋建設有限公司， 湖南 長沙410025)

摘要：針對目前橋梁火災事故頻發(fā)和橋梁災變影響大、評估工作難度大的現(xiàn)狀，研究了箱梁橋火災特點與破壞特征，根據(jù)火災熱釋放率模型分析了箱梁橋的結構溫度場變化規(guī)律?；诨馂臒後尫怕誓Ｐ头治?，進行混凝土表面的溫度場數(shù)值模擬，建立了火災后箱梁橋災變機理分析及安全評估方法，對同類橋梁的抗火設計及加固處置研究具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：橋梁； 火災； 熱釋放率； 溫度場； 評估方法

近年來，橋梁火災事故頻發(fā)，主要原因有以下幾個方面： ①易燃易爆運輸車輛在橋梁附近發(fā)生事故自燃后導致結構發(fā)生火災受損； ②橋下違建、違規(guī)堆放等發(fā)生火災導致橋梁結構直接過火受損； ③施工期橋梁由于操作不規(guī)范導致臨時堆放在橋梁空間范圍內(nèi)的易燃物著火引發(fā)安全事故。

依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60 — 2004)，火災按作用分類可歸列為偶然作用，一旦產(chǎn)生會對橋梁結構造成顯著破壞，其負面影響難以估算。目前，國內(nèi)外的研究學者就火災后橋梁結構的災變機理、災后評估方法和加固技術等，做了大量的理論與技術創(chuàng)新研究。筆者近幾年接觸了數(shù)座火災橋梁安全評估工作，掌握了大量的一手資料及數(shù)據(jù)，在此基礎上提出了普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋火災后結構的災變機理、安全評估方法。

1火災熱釋放率模型確定

當前發(fā)生的橋梁火災，其結構受損情況大多在可控程度范圍內(nèi)，通過檢測評估后，可通過后續(xù)的加固手段恢復結構原有的安全及耐久性能。而橋梁火災發(fā)生后的評估和鑒定工作首先需要明確各受損結構參數(shù)的變異值，因此確定橋梁結構火災熱釋放率模型是所有評估及鑒定工作的第一步。熱釋放率(HRR)是火災過程中燃燒物能量釋放的多少的衡量標準，也是災后確定受損結構參數(shù)變異值的重要指標。由于現(xiàn)場條件的特殊性以及燃燒過程的復雜性，如果對整個火災進行數(shù)值模擬將變得相當困難，再加上相關科研理論的滯后，因此目前暫不具備數(shù)值模型的條件。當前大多數(shù)做法是將熱釋放率作為一個指標具體量化為輸入?yún)?shù)，帶入計算影響結構受損參數(shù)的變異值，因此輸入?yún)?shù)的真實性直接影響到評定結果的準確性。

1.1火災發(fā)展階段

橋梁結構火災從發(fā)生到熄滅可分做3個受火階段： ①增長階段，熱釋放速率逐步增加到最高值； ②穩(wěn)定燃燒階段，熱釋放速率穩(wěn)定在一定的數(shù)值范圍內(nèi)； ③減弱階段，熱釋放速率逐步降低直到火災完全熄滅的過程?；馂陌l(fā)生過程3個階段如圖1所示。對橋梁結構的安全評估通常取影響最大就是熱釋放率增長到最大值的初始階段和熱釋放率保持在一定水平的穩(wěn)定燃燒階段。

圖1　火災的發(fā)展過程

1.2熱釋放速率曲線的確定

橋梁火災后的熱釋放率曲線常規(guī)做法是確定T2發(fā)展火災的特征火災發(fā)展模型。T2特征火災屬于非穩(wěn)態(tài)火災，橋梁火災后的安全評估工作可采用該模型來描述非穩(wěn)態(tài)火災熱釋放速率，通過該方法假定火災熱釋放速度與燃燒時間的平方成正比：

Q=αT2

其中:α為火災增長系數(shù), kW/s2;T為火災發(fā)展時間,s。

火災發(fā)展時間為熱釋放率達到1 MW所需要的時間?？扇嘉锊牧系牟煌?，其火災增加系數(shù)取值也不相同，因此T2特征火災增長分級可作如下區(qū)分：超快火、快速火、中速火、慢速火，分級見圖2，T2火災典型可燃物對應取值見表1。

圖2　各類T2特征火災的熱釋放率曲線

表1 對應于T2火災的各類可燃物火災增長分級燃燒材料火災增長系數(shù)/(kW·s-2)熱釋放速率達到1MW的時間/s慢速火/0.002931,0.002770600中速火棉質(zhì)、聚酯材料0.002931,0.002770300快速火木制、沫塑材料0.046890,0.044400150超快火成噸堆放泡沫塑料0.187800,0.17700075

2混凝土表面的溫度場數(shù)值模擬

當釋熱率穩(wěn)定的時候，隨著時間的增加輻射到物體表面的溫度還會持續(xù)升高，因此數(shù)值模擬時釋熱率的持時為其穩(wěn)定時的最長時間?；馂母鞴r下實際數(shù)值模擬采用的釋熱率時程曲線如圖3所示。

圖3　車輛火災釋熱率時程曲線

為了準確掌握各火災作用下的混凝土結構的溫度效應，根據(jù)箱梁橋的結構特點結合受災現(xiàn)場情況建立高溫場數(shù)值分析模型。通過分析軟件輸入待分析溫度場截面尺寸、受火方式、延火時間、升溫曲線等已知條件，得出計算結果。

3實例分析

3.1分析模型

某橋因橋下違規(guī)堆放的塑料和垃圾制品引發(fā)大火，大火歷時約60min后被撲滅，造成橋梁梁底及橋墩大面積燒傷(圖4)。受火區(qū)橋梁上部結構形式為7跨1聯(lián)鋼筋混凝土等截面連續(xù)箱梁，單箱5室結構，梁高1.45m，箱梁底板厚15cm，邊腹板厚30cm，中腹板厚26cm，頂板厚16cm，箱梁標準斷面如圖5所示。支座采用盆式橡膠支座；下部結構為重力式橋臺，柱式橋墩，橋臺橋墩采用樁基礎，受火橋墩為1#橋墩；橋面采用7.5cm瀝青混凝土橋面鋪裝。受火箱梁及橋墩均采用C30混凝土，鋼筋采用Ⅱ級鋼筋。

圖4　火災后橋梁受損照片

圖5　箱梁橫斷面示意圖(單位： cm)

3.2火災熱釋放速率曲線

橋下燃燒物包含快速燃燒的裝飾家具，本次火災增長分級確定為超快火，火災增長系數(shù)為0.1878、0.177kW/s2，熱釋放速率達到1MW的時間為75s?？紤]到火災蔓延速度相當快，且堆放物集中，因此本次火災增長期發(fā)展速度較快，火災迅速發(fā)展到最大熱釋放率的穩(wěn)定燃燒階段。火災作用過程中的最大熱釋放速率可依據(jù)以下公式進行計算：

Qmax=q×Ac

其中:Qmax為最大熱釋放速率，kW；q為熱釋放速率密度, kW/m2;Ac為可燃物所占的面積，m2，取值40 m2。

3.3溫度場數(shù)值模擬

30 MW釋熱率取其平面坐標(0，2)處沿高度方向混凝土構件表面溫度與其附近溫度場的比較如圖6所示。

圖6　30 MW釋熱率砼構件表面溫度與其附近溫度場　　　的比較

在對鋼筋混凝土結構的強度特性有影響的溫度范圍內(nèi)，其表面的溫度要高于其附近溫度場的溫度，因此鋼筋混凝土結構計算溫度應采用其表面溫度而不是溫度場的溫度。

3.4火災后混凝土強度折減系數(shù)

經(jīng)過調(diào)查及分析，根據(jù)橋梁結構受災的溫度場分析確定砼構件表面燒灼溫度，按照表2、表3的強度折減系數(shù)計算火災后混凝土構件受損后的實際強度。

表2 高溫混凝土水冷卻后抗壓強度折減系數(shù)溫度/℃fcu,s/fcu溫度/℃fcu,s/fcu常溫1.006000.403000.707000.254000.608001.105000.50 注:表中fcu,s為砼高溫下或高溫冷卻后的抗壓強度;fcu為砼原有抗壓強度。

表3 箱梁混凝土水冷卻后抗壓強度折減系數(shù)受損區(qū)域損傷級別變形等級評定初步判斷所受溫度/℃混凝土折減系數(shù)SSQ—1Ⅲ ζ/h≤0.002>800<0.10SSQ—2Ⅱbζ/h≤0.002700～8000.10～0.25SSQ—3Ⅱaζ/h≤0.002500～7000.25～0.50

4結論

1) 研究分析了箱梁橋溫度場數(shù)值模擬方法，結合橋梁結構火災現(xiàn)場實際輸入的火災熱釋放速率曲線，確保了結構災變分析參數(shù)的精確性。同時，通過本案例的運用，掌握了等截面箱梁橋火災溫度場的分布規(guī)律。

2) 建立了混凝土橋梁火災損傷評估模型，利用評估模型完成了鑒定評估工作，數(shù)據(jù)明確、結果可靠，對同類型結構火災后的災變機理分析及評估具有很好的參考意義。

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文章編號：1008-844X(2016)02-0163-02

收稿日期:2016-03-17

作者簡介:吳新印( 1983-) ，男，碩士研究生，工程師，主要從事橋梁檢測與施工監(jiān)控。

中圖分類號：U 446.3

文獻標識碼：A