國際橋梁抗火防災(zāi)技術(shù)新進展

文

上海師范大學建筑工程學院 朱美春

隨著我國能源需求量顯著增加，地域間的交通密度也隨之大幅提升，交通基礎(chǔ)設(shè)施面臨極端荷載（火災(zāi)、爆炸、碰撞、強腐、超載等）的風險日益增多，尤其交通類火災(zāi)頻繁發(fā)生，嚴重威脅交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全性能和耐久性能，造成人員傷亡、交通中斷、貨物滯留，影響社會穩(wěn)定。

橋梁抗火防災(zāi)的迫切性

交通類火災(zāi)中最為嚴重、威脅最大、發(fā)生頻率最高的是油罐車火災(zāi)。此類火災(zāi)是由各類運輸危化品槽車的翻傾或碰撞所致，燃燒速度快，燃燒量大，溫度峰值極高，所波及的結(jié)構(gòu)嚴重損傷。橋梁一旦遭遇油罐車火災(zāi)，就會出現(xiàn)大面積的混凝土深度剝落、鋼絞線外漏、鋼板大幅屈曲，桁桿失穩(wěn)或整體垮塌。本文作者張崗在2007年開始調(diào)研并分類統(tǒng)計國內(nèi)外橋梁火災(zāi)，旨在揭示環(huán)境火災(zāi)下橋梁結(jié)構(gòu)的災(zāi)變機理。密歇根州立大學科杜爾（Kodur）等在2010年指明橋梁火災(zāi)已經(jīng)成為學者關(guān)注的焦點，有必要在橋梁設(shè)計中考慮抗火設(shè)計。普林斯頓大學加洛克（Garlock）等在2010年全面定義了橋梁火災(zāi)，并統(tǒng)計了典型的橋梁火災(zāi)事件，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)致橋梁垮塌的數(shù)量約是地震垮塌數(shù)量的3倍。同濟大學李國強等在2010年強調(diào)了橋梁抗火的重要性?？梢?，橋梁抗火防災(zāi)技術(shù)的發(fā)展進步至關(guān)重要。

橋梁抗火性能試驗與智能預測

橋梁處于開放空間，火災(zāi)受環(huán)境因素的影響很大，尤其風速作用。在室外開展橋梁抗火性能試驗可真實反映實際火災(zāi)場景下真實結(jié)構(gòu)的響應(yīng)程度。張崗等試驗與測試了室外環(huán)境燃油火災(zāi)環(huán)境下的預應(yīng)力混凝土試件的爆裂，發(fā)現(xiàn)混凝土的爆裂深度與燃油的覆蓋面、燃油量、施加的預應(yīng)力及混凝土的濕度密切相關(guān)。廣東交科檢測有限公司許肇峰等測試了真實結(jié)構(gòu)的預應(yīng)力混凝土空心板梁節(jié)段火災(zāi)溫度場，采用等溫線法獲取了截面的縮減系數(shù)。西班牙瓦倫西亞理工大學阿洛斯·莫亞（Alos Moya）等在開放環(huán)境中完成了真實的鋼板-混凝土組合梁火災(zāi)試驗，發(fā)現(xiàn)兩鋼板之間出現(xiàn)燃氣溫度最大值，沿橋跨方向鋼板-混凝土組合梁的溫度顯著不同。得克薩斯大學阿靈頓分校貝內(nèi)貝魯（Beneberu）等對一跨全尺寸的預應(yīng)力混凝土組合梁進行了碳氫池火災(zāi)試驗，發(fā)現(xiàn)標準火災(zāi)不能用于評判橋梁遭遇真實火災(zāi)時的性能。但是，室外環(huán)境火災(zāi)測試難度大，涉及場地的選擇、環(huán)境的保護及消防應(yīng)急，所以當前大量的橋梁結(jié)構(gòu)抗火性能試驗仍采用室內(nèi)大比例縮尺模型火災(zāi)試驗。

預應(yīng)力混凝土試件環(huán)境燃油火災(zāi)試驗

懸索橋火災(zāi)預測分析示意圖

不論室外環(huán)境火災(zāi)試驗或室內(nèi)火災(zāi)試驗，橋梁結(jié)構(gòu)抗火試驗的費用昂貴，基于試驗驗證的橋梁結(jié)構(gòu)火災(zāi)行為預測成為橋梁抗火研究的主要方法，尤其對于大跨徑復雜體系橋梁更需要數(shù)值預測來模擬結(jié)構(gòu)的力學行為，懸索橋遭遇火災(zāi)時的預測分析所示。張崗等開發(fā)了橋梁結(jié)構(gòu)火災(zāi)行為智能預測程序BFA，研究了不同火災(zāi)場景下預應(yīng)力混凝土橋梁的力學機理、建立了火災(zāi)下混凝土橋梁有效預應(yīng)力計算方法；分析了火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)橋梁的破壞模式，提出了復雜火災(zāi)環(huán)境下鋼-混組合梁的熱屈撓變率計算方法?？贫艩柕乳_發(fā)了火災(zāi)下預應(yīng)力混凝土梁的有限元計算方法，給出了動態(tài)模擬火災(zāi)行為的求解技術(shù)。這些方法和技術(shù)準確地預測了火災(zāi)下橋梁結(jié)構(gòu)的力學行為。然而，火災(zāi)行為預測屬于超高次超靜定非線性分析，對軟硬件環(huán)境的要求非常高。

預應(yīng)力鋼索抗火技術(shù)

拉索廣泛應(yīng)用于懸索橋、斜拉橋、拱橋等各種預應(yīng)力橋梁中，其壽命關(guān)系整座大橋的健康運營。拉索對火災(zāi)高溫異常敏感，截至目前拉索抗火性能的研究仍非常有限，主要集中在拉索索體及拉索錨頭截面溫度場分布、拉索索體的高溫材料力學性能、拉索錨固系統(tǒng)高溫性能，以及索結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計。

拉索索體由多根圓形鋼絲擠壓形成，鋼絲之間不可避免地存在固體接觸間隙和圓體間空腔，熱分析時需要考慮接觸間隙和空腔輻射傳熱對拉索截面升溫的影響。南京工業(yè)大學杜詠等比較了拉索索體截面和純圓鋼截面的升溫歷程，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)升溫初期空腔熱輻射效應(yīng)增加了索體截面的升溫速率，而且考慮空腔熱輻射效應(yīng)的索體中心溫度高于等效截面圓鋼的中心溫度，這種差異會隨截面半徑的增大而增加。華僑大學霍靜思等針對某斜拉索特大橋火災(zāi)事件，模擬鋼絞線火災(zāi)燃燒試驗，獲得了鋼索火災(zāi)燃燒模式和鋼索燃燒時溫度場分布規(guī)律，指出鋼索內(nèi)各根鋼絞線受火程度存在明顯差異，可根據(jù)恒載作用下鋼絞線斷面收縮率與溫度之間的關(guān)系，推定鋼絞線遭遇火災(zāi)時的實際情況。

張崗等分別測試了過火混凝土橋梁的鋼束有效預應(yīng)力，得到了高溫后混凝土橋梁的有效預應(yīng)力衰變規(guī)律，通過試驗研究火災(zāi)下混凝土橋梁預應(yīng)力錨固區(qū)的應(yīng)力，獲知了高溫狀態(tài)下錨固區(qū)預應(yīng)力的變化情況。天津大學盧杰和劉紅波等研究了4類常用強度等級低松弛預應(yīng)力鋼絲高溫后的力學性能，發(fā)現(xiàn)當過火溫度超過400℃以后鋼絲的力學性能發(fā)生顯著變化，潑水冷卻過火溫度超過700℃的鋼絲則會喪失大部分的延性和強度。北京工業(yè)大學孫國軍等研究了高溫下及高溫后不銹鋼拉索的力學性能，發(fā)現(xiàn)高溫高應(yīng)力狀態(tài)下不銹鋼拉索的變形發(fā)展快、易破斷，高溫后不銹鋼拉索自然冷卻后其抗拉強度可恢復至常溫強度。中國建筑科學研究院有限公司王廣勇等基于《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）的方法和要求，對石家莊國際展覽中心大跨度懸索結(jié)構(gòu)屋蓋實施了抗火設(shè)計，確定了防火保護層厚度。

火災(zāi)后鋼束預應(yīng)力測試

錨下壓力傳感器布置

火災(zāi)高溫下錨固區(qū)預應(yīng)力測試

本文作者朱美春等測試了鋅銅合金熱鑄錨和環(huán)氧鐵砂冷鑄錨的足尺試件溫度場。從試驗中獲悉錨具內(nèi)鑄體材料和拉索的溫度場沿環(huán)向均勻分布，錨具中心處升溫緩慢，溫度明顯低于其余測點。在CECS200大空間火災(zāi)升溫條件下，鋅銅合金升溫60分鐘左右開始失去黏結(jié)力，而環(huán)氧鐵砂升溫20分鐘左右強度開始下降。繼而，通過試驗研究了熱鑄錨、冷鑄錨和Wirelock錨3類錨固系統(tǒng)的高溫性能，發(fā)現(xiàn)在CECS200大空間火災(zāi)升溫條件下，拉索錨固系統(tǒng)的滑移大致可分為3個階段：無滑移階段、滑移穩(wěn)定增長階段和破壞階段。

橋梁工程中所采用的拉索均是采用高強預應(yīng)力鋼絲制造，處于高應(yīng)力狀態(tài)，為避免火災(zāi)高溫的破壞，實際工程應(yīng)用中可采用防火涂料或外包防火毯、防火棉來提升拉索的抗火能力。對于有照明系統(tǒng)的拉索、吊桿和懸索必須提高拉索照明系統(tǒng)的耐久性。

智能抗火新材料

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）具有超彈性和形狀記憶等特性，將SMA與混凝土復合可形成智能抗火混凝土，可克服傳統(tǒng)混凝土的部分高溫缺陷。沈陽建筑大學閻石等針對混泥土梁-柱節(jié)點，將施加預應(yīng)力的SMA束埋入混凝土，在結(jié)構(gòu)梁端開展準靜態(tài)加載的數(shù)值模擬研究，討論配束率和預應(yīng)力水平對節(jié)點動力響應(yīng)的影響，指出經(jīng)過SMA強化的節(jié)點盡管殘余變形減小導致的能量耗散降低，其承載能力仍然顯著提高。伊利諾伊大學威徹姆（Wierchem）等研究了超彈性高聚物和SMA復合強化的混凝土結(jié)構(gòu)的延性和阻尼特性，數(shù)值和實驗研究表明在保留彈性特征的前提下，混凝土結(jié)構(gòu)的延性和阻尼特性均有大幅提高。相關(guān)團隊研究SMA絲對混泥土立柱的環(huán)向約束，荷載試驗結(jié)果表明：盡管SMA絲環(huán)繞而成的外套裝置沒有提高立柱的抗彎性能，但是立柱的延性明顯增加，研究結(jié)果可以在抗震加固方面得到很好的應(yīng)用。

哈爾濱工業(yè)大學匡亞川等綜述了混凝土裂縫仿生自修復研究，其中部分內(nèi)容重點介紹SMA智能自修復混凝土。美國新墨西哥大學瑪吉（Maji）等將SMA絞線埋置在混凝土砂漿小梁中，通過通電加熱SMA絞線實現(xiàn)預應(yīng)力的調(diào)節(jié)，指出這種設(shè)計可以用于“智能橋梁“的概念設(shè)計中。同濟大學劉振勇等針對鋼-混凝土組合梁開展基于SMA的變形控制，通過驅(qū)動試驗和數(shù)值模擬，研究SMA預應(yīng)變值、配置量及布置位置等因素對組合梁變形的影響，指出跨中撓度依賴于前述因素且通過熱激勵SMA能夠?qū)崿F(xiàn)組合梁的變形控制。

預應(yīng)力鑄錨高溫試驗

SMA纖維復合的智能混凝土抗火原理示意圖

中國民航大學劉兵飛等將SMA纖維摻入混凝土中，開展標準試件的壓縮、彎曲和劈裂基礎(chǔ)試驗，指出SMA纖維體積含量1%至2%的混凝土試件的力學性能相較于素混凝土顯著提高20%至50%。然而，針對升溫和降溫過程中，SMA纖維混凝土的力學性能變化卻缺乏研究，這給該類智能混凝土在抗火方面的應(yīng)用帶來阻礙。本文作者張永飛等研究基于火災(zāi)的發(fā)生將導致混凝土結(jié)構(gòu)溫度的上升，為埋置其中的SMA纖維提供溫度驅(qū)動，引起SMA材料晶相的改變，從而最終實現(xiàn)對混凝土的微觀預壓，以延緩過火初期結(jié)構(gòu)承載能力的降低速率的考慮，正在開展SMA纖維復合的智能混凝土不同溫度下基本力學特性的實驗和理論研究。這種新穎的混凝土被動抗火方式兼具自適應(yīng)和成本低廉的特點，具有重要的研究意義和巨大的潛在應(yīng)用價值。