危險火災場景下鐵路鋼橋溫度場和極限承載力研究

劉曉光 鞠曉臣

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

鐵路橋梁發(fā)生火災屬于極端偶然事件，由于其誘因的不確定性，一旦發(fā)生火災，在野外撲救困難，結(jié)構(gòu)可能遭到顯著損傷甚至破壞，進而直接影響鐵路正常運輸。目前，國內(nèi)外學者針對混凝土梁的高溫力學性能［1-2］，災后損傷檢測、評估以及加固［3-4］等開展了大量的理論和試驗研究，而鐵路橋梁抗火分析研究［5］鮮有涉及。橋梁發(fā)生火災時，燃料主要為油類或其他易燃物品，燃燒速度較快，火災荷載大，因與隧道火災類似，常借鑒隧道火災升溫曲線進行分析。但具體使用條件有所不同，橋梁處于開敞空間，空氣流通性較好。

本文基于火災鐵路橋梁結(jié)構(gòu)和列車設計信息調(diào)研，確定火災危險場景，首次提出鐵路橋梁火災場升溫曲線。以典型的64 m 單線下承式鋼桁梁為研究對象，分析鐵路橋梁火災作用下溫度場，將危險火災溫度場賦予到橋梁力學模結(jié)構(gòu)型中研究火災下的力學行為，獲得橋梁的耐火極限。

1 鐵路橋梁火災場景設定

1.1 大渦場模型理論

大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）是現(xiàn)有條件下模擬高雷諾數(shù)紊流流動的最佳方法，本文采用該方法模擬鐵路火災場景。大渦模擬是將流體物理量分為大尺度（grid-scale）與亞網(wǎng)格尺度（subgrid-scale，SGS）2 部分。對于大尺度的物理量在LES 中直接由Navier-Stokes 方程式求解［6］，濾波后的 Navier-Stokes 方程為

式中：ρ為流體密度；為過濾后的大尺度速度，即可解尺度速度。

1.2 熱輻射和熱對流

火災發(fā)生時，火焰熱流向上部移動，造成周圍空氣溫度迅速上升，而熱空氣通過熱輻射和熱對流將熱量傳遞到構(gòu)件表面，在構(gòu)件內(nèi)部通過熱傳導方式進行傳熱。

熱輻射是指物體以電磁能的形式對外發(fā)射能量，被其他物體吸收后轉(zhuǎn)化為熱量的交換過程。熱輻射可以通過Stefan-Boltzmann方程表示，即

式中：Qf為單位時間內(nèi)向構(gòu)件上傳遞的熱量，W；σ為Stefan-Boltzmann 常數(shù)，約5.67×10-8W/（m2K4）；ε為綜合輻射系數(shù)，取 0.5；S為傳熱面積；η為形狀系數(shù)，一般取1.0。

熱對流Qd是指固體表面與周圍的流體之間存在溫差時產(chǎn)生的熱量交換過程，其計算公式為

式中，α為換熱系數(shù)，對于烴類和纖維類燃燒火災，取50 W/（m·°C）。

2 鋼梁全橋溫度場熱分析

2.1 溫度場模型

采用ANSYS 分析軟件建立64 m 單線鐵路下承式鋼桁梁［8］熱分析有限元模型（圖1），模型立面布置見圖2。鋼梁共計8 個節(jié)間，每個節(jié)間長度為8 m，桁高為11 m，主桁中心距為5.75 m。假定各桿件之間連接良好，節(jié)點連接均簡化為剛接，忽略端斜橋門架內(nèi)腹桿影響。所有桿件均采用Shell131單元模擬。端部支座處墊塊采用Solid70單元模擬。構(gòu)件表面的熱對流、熱輻射效應采用三維熱表面效應單元SURF152模擬。高溫材料屬性按照EC3規(guī)范取值。

圖1 1/2鋼桁梁模型

圖2 64 m單線鋼桁梁構(gòu)件截面（單位：mm）

2.2 火災升溫曲線

根據(jù)鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)、運營和環(huán)境特點，鐵路橋梁火災場景可分為3類：橋面列車火災、開敞式橋下火災、半開敞式橋下火災。對于鋼桁梁橋，橋下失火通常對上部鋼橋影響小，其危險火災場景一般為橋面列車火災。假定在列車長度方向上各處的溫度均勻，模擬分析時可只取其中的一個車廂進行模擬，并在車廂的兩端均設置絕熱面。在高度方向上取5倍的車廂高度（4.4 m×5=22.0 m），頂面暴露于外部空氣中，且導熱系數(shù)很大，可自由散熱；在寬度方向上取5倍的單線64 m 鋼桁梁橋?qū)挾龋?.0 m×5=30.0 m），橋梁2 個側(cè)面暴露于外部空氣中，導熱系數(shù)很大，可自由散熱。車廂底板均按耐火極限要求設計，故橋面可假定為絕熱面。橋面列車火災危險場景設定見表1。

采用Heskestad 公式［9］對鐵路橋梁火災尺寸進行計算，公式為

式中：H為火焰高度，m；D為火焰直徑，即液池的直徑，m；Q為火源釋熱速率，kW；η1為燃燒效率，取0～1；mn為單位液池面積的質(zhì)量燃燒速率，kg/（m2·s）；A為液池的面積，m2；Hc為單位質(zhì)量燃料的燃燒熱值，kJ/kg；

表1 橋面列車火災危險場景設定

對于列車火災，火源尺寸為26.6 m×3.3 m，按其面積等效為圓形時所計算的火焰尺寸會偏大很多；按其面積等效為方形（3.3 m×3.3 m）時所計算的火焰尺寸會偏小。因此，對于長寬比很大的火源尺寸，取火源長度為1.5倍的寬度計算火焰高度。鐵路橋梁危險火災場景火焰尺寸見表2。

表2 鐵路橋梁危險火災場景火焰尺寸

列車底板設計時要求耐火極限不小于120 min，因此列車底板高度以下部分的鋼結(jié)構(gòu)按不受火考慮；橋面以上部分考慮5.5 m 高度（2 倍火焰高度+列車高度=1.25×2+3.0=5.5 m）范圍內(nèi)受火，高出部分不受火。

本文基于FDS 軟件對危險火災場景進行數(shù)值模擬分析，鐵路橋梁火災特點與RABT升溫曲線［10］相似。因此，基于RABT 升溫曲線提出危險場景火災升溫曲線，火災持續(xù)時間取120 min，升溫曲線為

式中，t為火災持續(xù)時間，min。

2.3 溫度場分析結(jié)果

分析鋼桁梁溫度場發(fā)現(xiàn)，當鋼桁梁受火后，隨著溫度的不斷升高，在熱對流、熱傳導、熱輻射等影響下，鋼桁架的溫度隨之升高。圖3 為鋼桁梁在橋面以上5.5 m 高度范圍內(nèi)受火時的溫度場，圖4 為構(gòu)件溫度-時間關系曲線。由圖3和圖4可見，截面436×10構(gòu)件溫度升高最快，截面 440×12、420×12 構(gòu)件和截面260×12 構(gòu)件次之，截面 600×20 構(gòu)件溫度升高最慢。說明構(gòu)件越薄，升溫速度越快。當受火時間超過25 min，無論構(gòu)件薄厚，溫度都接近火災煙氣溫度，即當鋼桁梁受火后，在25 min后達到其最高溫度。

圖3 鋼桁梁溫度場（單位：℃）

圖4 受火構(gòu)件溫度-時間關系曲線

3 抗火力學分析

3.1 結(jié)構(gòu)模型

將熱分析得到的溫度場作為體荷載施加到鋼桁架結(jié)構(gòu)分析模型上，進行恒載升溫結(jié)構(gòu)受力有限元模擬分析，計算其在火災下的結(jié)構(gòu)反應?？紤]火災下設計荷載的折減，恒載和活載的組合系數(shù)均取1.0。恒載根據(jù)設計圖給出的恒載下支座反力求得，活載參考TB 10002D1—2005《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》取92 kN/m。施加軌道縱梁上的均布荷載為1.0×恒載+1.0×活載=0.246 N/mm2。

3.2 分析結(jié)果

施加溫度場后，隨著溫度的升高，塑性變形及承載損失逐漸累積，受火的鋼桁架跨中撓度越來越大。當受火時間達到15 min 時，梁跨中豎向位移變化較為均勻，跨中最大撓度為14.94 mm，見圖5（a）；梁的塑性變形開始逐漸增大，當受火時間達到30 min，跨中撓度已達50.57 mm，見圖5（b）；當受火時長達到38.5 min時，跨中最大撓度為80.09 mm，大于整體鋼桁梁結(jié)構(gòu)梁跨中撓度71.1 mm（L/900=71.1 mm，L為橋梁跨度64 m）最大值要求，見圖5（c）。因此，確定鋼桁架的耐火極限約為38.5 min，但整個鋼桁梁結(jié)構(gòu)依然保持受力狀態(tài)，并未發(fā)生倒塌。

圖5 鋼桁梁豎向位移云圖（位移單位：mm）

4 結(jié)論

1）基于大渦模擬場模型理論得到鐵路橋梁火災特點，提取危險火災場景參數(shù)和升溫曲線，為鋼桁梁溫度場分布提供溫度數(shù)據(jù)。

2）通過對鐵路單線鐵路栓焊下承式鋼桁梁危險火災場景時的熱分析，掌握了該類型橋梁的溫度場分布情況。在相同溫度區(qū)間，構(gòu)件越薄升溫越快。受火區(qū)域及其附近構(gòu)件溫度很高，當受火時間超過25 min時，構(gòu)件溫度達到最高溫度，即接近火災煙氣溫度。

3）考慮火災時設計荷載會折減，在恒載和活載的組合系數(shù)均取1.0的情況下，鋼桁梁的耐火極限較小。受火約38 min 時鋼桁梁跨中撓度超過規(guī)范中的最大值。此時，鋼桁梁雖可以繼續(xù)承受荷載，但已達到極限破壞狀態(tài)。