近塔橋面火災(zāi)對(duì)三塔懸索橋結(jié)構(gòu)性能影響研究

馬如進(jìn)+崔傳杰+馬明雷

摘 要：以某三塔懸索橋中間鋼塔為例，研究了火災(zāi)對(duì)鋼橋塔和橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響.首先，通過(guò)火災(zāi)場(chǎng)景數(shù)值模擬，得出橋面近塔區(qū)域不同類型火災(zāi)場(chǎng)景下的火焰溫度分布規(guī)律，以及鋼結(jié)構(gòu)橋塔的溫度分布特性.其次，通過(guò)非線性分析獲得了三塔懸索橋在不同的近塔火災(zāi)場(chǎng)景下結(jié)構(gòu)靜力性能的變化.結(jié)果表明，在大型車輛火災(zāi)作用下，鋼中塔有超過(guò)80 m2的區(qū)域溫度超過(guò)800 ℃，最高溫度達(dá)到1 000 ℃以上，中塔性能受到顯著影響.鋼中塔的應(yīng)力、變形發(fā)生較為明顯的變化：鋼塔產(chǎn)生4.6 mm的豎向殘余變形和53.8 mm的側(cè)向殘余變形，火災(zāi)區(qū)域應(yīng)力折減達(dá)70 MPa，而主纜、主梁的應(yīng)力和變形變化較小.

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)分析；三塔懸索橋；中間鋼塔；火災(zāi)；管理養(yǎng)護(hù)

中圖分類號(hào)：U445.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2017）05-0088-08

Abstract： The yield strength of the steel component gradually decreases under high temperature. As a result， the structural performance of the steel component on the bridges will be greatly affected by the on-deck fire disaster. Taking the steel pylon of a three-pylon suspension bridge as an example， this paper mainly studied the influence of the fire disaster on the structural performance of the steel pylon and the entire bridge. First of all， the temperature distribution inside the fire and steel pylon was obtained by the numerical simulation of different on-deck fire scenarios near the middle steel pylon. Secondly， the change of the structural static performance of the bridge under different fire scenarios was obtained by a nonlinear analysis. The results showed that under the effect of a serious vehicle fire， larger than 80 m2 area of the middle steel pylon was under the temperature up to 800 ℃， and the maximum temperature would exceed 1 000 ℃， which can greatly affect the structural performance of the steel pylon. Obvious changes of stress and formation of the middle steel pylon were discorverd， which means 4.6 mm vertical residual deformation， 53.8 mm lateral residual deformation and 70 MPa stress reduction.

However， the stress and deformation of the main cable and girder only showed minor changes.

Key words：structural analysis； three-pylons suspension bridge； middle steel pylon； fire accident； management and maintenance

橋梁火災(zāi)是橋梁結(jié)構(gòu)在其壽命周期內(nèi)常見(jiàn)的和嚴(yán)重的災(zāi)害之一.根據(jù)紐約交通局2008年對(duì)1 746起橋梁事故的調(diào)查結(jié)果，其中有52座橋梁因火災(zāi)事故遭到破壞，而由于地震導(dǎo)致破壞的僅有19座[1].近年來(lái)橋梁火災(zāi)事故也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn).2007年4月，連接美國(guó)舊金山和奧克蘭兩大城市的高速公路上發(fā)生油罐車火災(zāi)，造成舊金山地區(qū)一座鋼梁橋熔化倒塌；2014年10月在建的赤石特大橋塔內(nèi)火災(zāi)引起9根斜拉索斷裂導(dǎo)致橋面一側(cè)下沉.可見(jiàn)針對(duì)橋梁抗火的研究應(yīng)引起設(shè)計(jì)者與運(yùn)營(yíng)管理者的充分重視.

自1957年Blinov等[2]率先開展火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究以來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)建筑火災(zāi)進(jìn)行了相關(guān)方面的理論研究，且建筑火災(zāi)及抗火設(shè)計(jì)規(guī)范日益成熟.而相比于建筑領(lǐng)域，橋梁火災(zāi)事故的理論研究卻是剛剛起步.近十年來(lái)針對(duì)橋梁火災(zāi)進(jìn)行的研究有：Mendes等[3]通過(guò)二維平面模型模擬了Vasco da Gama大橋船舶火災(zāi)事故的發(fā)生過(guò)程；Dotreppe等[4]使用計(jì)算機(jī)程序SAFIR對(duì)比利時(shí)Vivegnis大橋火災(zāi)事故做了數(shù)值模擬；Kodur等[5]使用計(jì)算機(jī)程序SAFIR針對(duì)鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的加勁梁防火性能做了案例分析；IGNACIO等[6]采用LUSAS軟件研究了由美國(guó)聯(lián)邦公路管理局設(shè)計(jì)的12.20 m簡(jiǎn)支梁橋的抗火性能.長(zhǎng)安大學(xué)李利軍則嘗試進(jìn)行了公路火災(zāi)溫度場(chǎng)的模擬，并對(duì)大跨纜索承重橋梁進(jìn)行了火災(zāi)分析.但這些研究多著眼于主梁和纜索系統(tǒng)火災(zāi)場(chǎng)景下的分析，而對(duì)纜索承重橋梁關(guān)鍵承力構(gòu)件的橋塔，還缺乏深入研究.

本文在總結(jié)既有橋梁火災(zāi)研究工作的基礎(chǔ)上，以泰州長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，對(duì)橋梁的常見(jiàn)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行了基于FDS（Fire Dynamics Simulator）的數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上求解了中間鋼橋塔受到火災(zāi)影響時(shí)的溫度場(chǎng)分布，研究了各類火災(zāi)場(chǎng)景對(duì)全橋結(jié)構(gòu)靜力性能的影響.泰州長(zhǎng)江大橋?yàn)槿卮罂鐟宜鳂?，中塔的力學(xué)性能對(duì)全橋結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，本文研究結(jié)果對(duì)了解鋼塔結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的性能變化以及對(duì)全橋受力行為的影響有較好的參考意義.

1 橋梁火災(zāi)數(shù)值模擬

1.1 火源模型和火災(zāi)場(chǎng)景

橋梁火災(zāi)多由車輛事故引起，屬于非穩(wěn)態(tài)模型，相應(yīng)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程大致要經(jīng)歷3個(gè)階段：初始增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定燃燒階段和減弱階段.目前國(guó)際上常用的非穩(wěn)態(tài)火源模型有3種[7].本次研究中采用Heskestad所提出的t2火源模型（圖1）[8].設(shè)火災(zāi)持續(xù)時(shí)間為tmax，熱釋放速率在td時(shí)刻達(dá)到最大值Qd，由于實(shí)際分析中往往只需關(guān)心初始增長(zhǎng)和穩(wěn)定燃燒兩個(gè)階段，該火源模型可表述為：

式中：Q為熱釋放速率，kW；α為增長(zhǎng)系數(shù)，kW/s2；t為時(shí)間，s.由于橋梁火災(zāi)的相關(guān)試驗(yàn)研究和統(tǒng)計(jì)資料仍處在起步階段，而橋梁火災(zāi)與隧道火災(zāi)在火源類型和火災(zāi)場(chǎng)景等諸多方面具有相似之處，本文借鑒了隧道火災(zāi)在火源模型和火災(zāi)場(chǎng)景等方面的研究成果.根據(jù)車輛的類型與燃燒生成的熱量分類，將火災(zāi)分為小汽車火災(zāi)、客車火災(zāi)、載重卡車和油罐車火災(zāi)4類[9].Cafaro等人[10]通過(guò)大量隧道火災(zāi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小汽車火災(zāi)熱釋放速率為4～8 MW，增長(zhǎng)系數(shù)可取為0.010～0.012 kW/s2；客車火災(zāi)熱釋放速率為15～30 MW，增長(zhǎng)系數(shù)可取0.10～0.15 kW/s2；載重卡車火災(zāi)熱釋放速率為15～150 MW，增長(zhǎng)系數(shù)取0.50 kW/s2.而油罐車火災(zāi)由于火源龐大，相關(guān)試驗(yàn)研究較少，但一般認(rèn)為在5～10 min內(nèi)即可達(dá)到最高熱釋放速率100～300 MW[11].對(duì)于火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，法國(guó)CETU（隧道研究中心）[12]對(duì)小汽車、客車、載重卡車、油罐車的建議取值分別為2 700 s，5 400 s，6 000 s和6 000 s，Haack在一項(xiàng)隧道火災(zāi)的專題研究中則建議對(duì)油罐車火災(zāi)取7 200 s的燃燒時(shí)間[13].對(duì)于火源尺寸，Heselden[14]研究認(rèn)為小汽車、客車、載重卡車、油罐車的尺寸可分別取為1.5 m×4 m，2 m×6 m～2.5 m×10 m，4 m×6 m，4 m×12 m；世界道路協(xié)會(huì)常設(shè)協(xié)會(huì)（PIARC）[15]規(guī)定小汽車、客車和油罐車的火焰尺寸分別為1.5 m×4 m，2 m×6 m，2.5 m×10 m.結(jié)合上述研究成果，4類火災(zāi)的參數(shù)取值如表1所示，其中場(chǎng)景A，B，C和D分別對(duì)應(yīng)一輛普通小汽車、一輛公共汽車、一輛大型載重卡車以及一輛油罐車的燃燒場(chǎng)景.

1.2 火源模型數(shù)值模擬

本研究對(duì)火源模型和火災(zāi)場(chǎng)景的模擬采用基于CFD理論的FDS軟件進(jìn)行.FDS基于大渦模擬理論，以火災(zāi)中的流體運(yùn)動(dòng)為主要模擬對(duì)象，通過(guò)滿足火災(zāi)場(chǎng)景下的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和組分守恒，結(jié)合相關(guān)狀態(tài)方程和壓力方程，可較好地用于開放環(huán)境下的橋梁火災(zāi)模擬[16].FDS在火災(zāi)動(dòng)力模擬中的可靠性已經(jīng)得到許多證實(shí)[16-17].將火災(zāi)源設(shè)置在泰州大橋鋼中塔附近，在模擬過(guò)程中假定周邊邊界氧氣供應(yīng)充足且周圍不存在絕熱障礙物.通過(guò)4類火災(zāi)場(chǎng)景的模擬，可以得到焰心不同高度處的溫度分布，圖2給出了場(chǎng)景A和D的火焰中心溫度分布.圖3給出了場(chǎng)景D的火災(zāi)場(chǎng)景的模擬效果.

從分析可知，場(chǎng)景A火焰根部溫度約為700 ℃，隨著火焰高度增加，溫度迅速降低，5 m處火焰溫度已經(jīng)降低到200 ℃左右.場(chǎng)景B，C，D火焰最高溫度相仿，均為1 000～1 100 ℃左右.但隨著火焰高度增加，其溫度降低幅度存在較大差異，5 m高度時(shí)場(chǎng)景B已低于600 ℃，場(chǎng)景C，D為800 ℃左右.場(chǎng)景D與場(chǎng)景C各高度處火焰溫度均相差不大，但場(chǎng)景D火焰尺寸（4×12 m）遠(yuǎn)大于場(chǎng)景C（4×6 m），可以預(yù)見(jiàn)火災(zāi)場(chǎng)景D對(duì)結(jié)構(gòu)可能造成的破壞最大.

1.3 FDS數(shù)值模擬可靠性驗(yàn)證

目前國(guó)際上廣泛采用的火災(zāi)升溫曲線有ISO834曲線[18]、ASEM-EI19曲線[19]、HC曲線[20]等.本文將數(shù)值模擬的最高溫度與3種升溫曲線的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，圖4給出了場(chǎng)景A與場(chǎng)景D的比較結(jié)果.通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬整體上具有較高的吻合度.但由于ISO834曲線和ASEM-EI19曲線主要是針對(duì)建筑火災(zāi)制定的，相比較處在開放環(huán)境下、氧氣供應(yīng)充足的橋梁火災(zāi)，在大型火災(zāi)場(chǎng)景下的溫度計(jì)算結(jié)果偏低；HC曲線主要應(yīng)用在石油化工領(lǐng)域，計(jì)算曲線考慮了火災(zāi)初期的爆炸和熱沖擊效應(yīng)，對(duì)場(chǎng)景A這類小型火災(zāi)，計(jì)算結(jié)果明顯偏高.總體看來(lái)模擬結(jié)果可以較合理地反映類似橋面特征的開放式空間在火災(zāi)作用下的溫度場(chǎng)特征.

2 火災(zāi)下中塔溫度場(chǎng)分布

對(duì)處于開放環(huán)境下的橋梁火災(zāi)而言，近塔橋面火災(zāi)主要通過(guò)熱對(duì)流和熱輻射的形式對(duì)橋塔產(chǎn)生影響[16].熱對(duì)流是由于流體的運(yùn)動(dòng)而傳遞的熱量，對(duì)流可分自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種，橋梁火災(zāi)對(duì)流形式為自然對(duì)流，是由于溫度不均勻而引起的.其傳熱滿足[21]：

熱輻射是由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)（或者說(shuō)由于物體自身的溫度）而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象.橋梁火災(zāi)處在開放環(huán)境中，煙氣容易擴(kuò)散，受熱輻射影響較大，其凈熱量傳遞可以用斯蒂芬波爾茲曼方程計(jì)算：

由式（2），式（3）可以看出，熱對(duì)流與熱輻射的熱量傳遞均與當(dāng)前時(shí)刻的表面溫度有關(guān)，因此火源結(jié)構(gòu)傳熱模型的建立是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)程分析，目前國(guó)內(nèi)外多采用數(shù)值模擬的手段，尚無(wú)針對(duì)火災(zāi)結(jié)構(gòu)傳熱模型的簡(jiǎn)化或經(jīng)驗(yàn)公式研究.本文借助Ansys有限元分析軟件的熱力學(xué)模塊，選取受火災(zāi)影響的鋼中塔節(jié)段以shell131單元進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬.分析中假設(shè)火災(zāi)作用于橋塔順橋向中心處，火焰外側(cè)邊緣距離橋塔0.5 m.鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱按照歐洲規(guī)范EC3[22]及EC4[23]的規(guī)定取值，如式（4），式（5）所示：

通過(guò)分析得到4類火災(zāi)場(chǎng)景下在中塔部分節(jié)段最大溫度場(chǎng)分布如圖5所示.

從圖5可以看出，4類火災(zāi)場(chǎng)景下中塔的溫度場(chǎng)分布規(guī)律基本與火源模型的模擬結(jié)果相一致.相比之下，場(chǎng)景A，B的溫度場(chǎng)受影響程度遠(yuǎn)小于場(chǎng)景C，D.場(chǎng)景C，D在橋塔中心處沿高度方向的分布規(guī)律基本一致，但場(chǎng)景D在順橋向的影響范圍遠(yuǎn)大于場(chǎng)景C，場(chǎng)景D的影響范圍會(huì)波及到橋塔側(cè)表面，中塔有超過(guò)80 m2范圍內(nèi)溫度超過(guò)800 ℃.

3 火災(zāi)作用前后結(jié)構(gòu)靜力分析

3.1 高溫下鋼結(jié)構(gòu)性能

目前，歐洲EC3[22]，EC4[23]、美國(guó)AISC（American Institute of Steel Construction）[24]、英國(guó)BS5950等[25]國(guó)家規(guī)范都對(duì)高溫作用下鋼結(jié)構(gòu)的材料特性作出了規(guī)定.其中EC3和EC4的方法計(jì)算簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)，本研究對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料特性的計(jì)算以此規(guī)范為參考進(jìn)行.

EC3和EC4中定義的屈服強(qiáng)度和彈性模量隨溫度變化結(jié)果如圖6所示.

由圖6可以看出，當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量與屈服強(qiáng)度幾乎只剩10%.結(jié)合圖5所示的溫度場(chǎng)分析結(jié)果，可以預(yù)見(jiàn)車輛火災(zāi)發(fā)生時(shí)，特別是場(chǎng)景C，D這類大型火災(zāi)，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的影響.

3.2 結(jié)構(gòu)靜力性能分析

針對(duì)三塔兩跨懸索橋，鋼中塔是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵.在考慮火災(zāi)影響下，傳統(tǒng)的梁式模型不能考慮其局部影響效應(yīng).為此，本文將鋼中塔采用板殼單元模擬，如圖7所示.考慮到火災(zāi)發(fā)生時(shí)，一般橋梁管理中嚴(yán)控車輛通行，因此本文重點(diǎn)比較了火災(zāi)影響時(shí)恒載下結(jié)構(gòu)行為的變化.

圖8和表2給出了4類火災(zāi)場(chǎng)景下，中塔的變形趨勢(shì)以及各關(guān)鍵位置的位移增量數(shù)值，其中va，ha代表遠(yuǎn)離火災(zāi)一側(cè)的塔頂豎向和側(cè)向位移，vb，hb代表火災(zāi)發(fā)生一側(cè)的塔頂豎向和側(cè)向位移.

以火災(zāi)場(chǎng)景D為例，將中塔位移按照150倍比例放大，單獨(dú)觀察橋塔受火面附近的變形和應(yīng)力變化，如圖9所示.

可以看到，受火災(zāi)影響區(qū)域由于材料性能受損，其應(yīng)力值相比周邊單元大幅降低，受火災(zāi)影響區(qū)域的變形也比未受火災(zāi)的一側(cè)橋塔顯著得多，在火災(zāi)作用下，受火面橫橋向變形明顯呈現(xiàn)出外凸的趨勢(shì)，而中塔整體上呈現(xiàn)向遠(yuǎn)離火災(zāi)一側(cè)傾斜的變形趨勢(shì).火災(zāi)場(chǎng)景D作用下，中塔最大豎向位移增量4.6 mm，最大橫橋向位移增量53.8 mm.溫度最高區(qū)域應(yīng)力降低約70 MPa，中塔靜力行為受到較為明顯的影響.

分別提取不同火災(zāi)形式下加勁梁豎向撓度增量圖，如圖10和圖11所示.圖12給出了主纜不同位置處的應(yīng)力增量變化圖.

由分析結(jié)果可以看出，火災(zāi)作用對(duì)主梁豎向撓度以及主纜應(yīng)力的影響很小，主梁最大豎向位移增量?jī)H為5 mm，主纜最大應(yīng)力增量0.16 MPa.結(jié)合圖9可以看出，即使在最嚴(yán)重的場(chǎng)景D作用下，火災(zāi)主要造成直接受到輻射和對(duì)流影響的部分區(qū)段產(chǎn)生應(yīng)力重分布，而對(duì)對(duì)流輻射區(qū)域外的區(qū)段應(yīng)力分布影響很小.本橋主跨1 080 m，垂跨比1/9，僅考慮恒載作用下，由塔頂位移計(jì)算結(jié)果可知主纜最大豎向和橫橋向變形率分別為1/26 087和1/20 074.因此僅考慮恒載作用下，火災(zāi)對(duì)主梁豎向撓度和主纜應(yīng)力影響很小是合乎邏輯的.

4 考慮中塔火災(zāi)影響的管養(yǎng)策略

根據(jù)以上分析結(jié)果，針對(duì)中塔位置所發(fā)生的車輛火災(zāi)，本文給出以下管養(yǎng)策略：

1）從t2火源模型可以看出，火災(zāi)從發(fā)生到達(dá)到穩(wěn)定燃燒要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間（場(chǎng)景A，B，C和D達(dá)到穩(wěn)定燃燒所需的時(shí)間分別為11 min，8 min，7 min和7 min），因此，車輛火災(zāi)發(fā)生后保證消防救援的及時(shí)性極為重要，為此必須設(shè)立專門的消防應(yīng)急通道，建議消防救援到達(dá)時(shí)間不得超過(guò)15 min.

2）火災(zāi)場(chǎng)景A（普通小汽車火災(zāi)）對(duì)橋梁的影響可基本忽略不計(jì)，因此無(wú)需采取專門針對(duì)性的后續(xù)加固措施；火災(zāi)場(chǎng)景B，C和D均會(huì)對(duì)中塔造成較為明顯的損傷，必須采取合理的加固措施.中塔火災(zāi)對(duì)主纜和加勁梁的影響很小，無(wú)需專門處理.

5 結(jié) 論

本文結(jié)合對(duì)橋梁火災(zāi)的已有認(rèn)識(shí)，分析確定了4類橋梁火災(zāi)場(chǎng)景的基本參數(shù)，通過(guò)FDS得到了具有通用價(jià)值的火災(zāi)數(shù)值模擬結(jié)果，并與現(xiàn)有火災(zāi)模型曲線進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性.在此基礎(chǔ)上，以泰州長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，對(duì)中間鋼塔火災(zāi)作用下的全橋靜力性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究得到的主要結(jié)論如下：

1）近塔橋面火災(zāi)作用對(duì)中塔影響十分明顯，火災(zāi)作用區(qū)域由于材料性能受損，應(yīng)力值相比正常狀態(tài)下大幅降低；火災(zāi)作用下，受火區(qū)域橫橋向變形明顯呈現(xiàn)出外凸的趨勢(shì)，中塔整體上呈現(xiàn)向遠(yuǎn)離火災(zāi)一側(cè)傾斜的變形趨勢(shì)，最大側(cè)移超過(guò)50 mm.

2）近塔橋面火災(zāi)作用對(duì)加勁梁豎向撓度以及主纜應(yīng)力的影響很小，基本可忽略不計(jì).

3）結(jié)合火災(zāi)作用下中塔溫度場(chǎng)分布以及全橋靜力行為的分析結(jié)果，提出了具有針對(duì)性的防火管養(yǎng)策略，以供有關(guān)部門參考借鑒.

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