橋下火災對混凝土橋墩的影響研究

索曉慶，高 峰，張學富，李林杰

(重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

近年來橋梁火災時有發(fā)生并有增多趨勢[1-2]，橋下堆積物燃燒引發(fā)橋梁火災是一種典型的橋梁火災事故，如2016a國道324漳州段漳州大橋火災事故[3]。橋梁下部結(jié)構(gòu)遭受火災后嚴重影響其承載力[4]且影響橋面交通安全。類似橋下堆積物引發(fā)的火災具有難以發(fā)現(xiàn)、火勢發(fā)展迅速且較大、持續(xù)時間長和難以撲滅等特點[5]。

根據(jù)《火災后混凝土構(gòu)件評定標準》[6](DBJ08-219-96)附錄B可知，當火災溫度大于800℃后混凝土強度和承載力將嚴重降低。橋梁火災后通常采用現(xiàn)場調(diào)查、試驗檢測等手段評判橋梁結(jié)構(gòu)遭受破壞的嚴重程度[7-8]，部分橋梁也采用數(shù)值模擬的方法[9-10]對承載力進行評估。目前采取的方法并未考慮火災燃燒時間和火災過程對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，這必然會影響橋梁結(jié)構(gòu)的加固方法和修復措施，因此有必要考慮橋梁火災的時間效應。

火災動力學模擬工具(fired dynamics simulator，F(xiàn)DS)常用于模擬火災的燃燒過程[11]，有限元程序ANSYS[12]廣泛用于分析熱傳遞引起的固體內(nèi)部溫度場。本研究以某特大橋下堆積物燃燒發(fā)生火災為背景，采用FDS模擬火災發(fā)生過程，獲得墩身表面的溫度時空演化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上運用ANSYS分析墩身三維溫度時空變化，研究火災溫度和持續(xù)時間對墩身表面溫度和橫截面方向內(nèi)部溫度的影響，并與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果進行比對，驗證數(shù)值模擬的準確性，以期為類似橋梁火災后結(jié)構(gòu)評估和加固提供借鑒和參考。

1 工程概況

2016a 3月10日，某橋9#墩和10#墩之間堆放約1～1.5m高的三七專用遮陽網(wǎng)突然失火，火焰高度約6m。發(fā)現(xiàn)火災5min后采取覆蓋泥土和澆水等措施進行滅火，35min后消防車到場噴水滅火，50min后撲滅明火。

9#墩、10#墩為C35鋼筋混凝土矩形空心橋墩，墩高分別為28m、29m，兩墩中心距離為32m。橋墩墩頂、墩底分別設(shè)3m、1.5m實體段，墩頂處壁厚50cm，墩底壁厚分別為70cm、71cm，墩底尺寸為499cm×789cm、504cm×794cm。

2 計算參數(shù)和模型

2.1 計算參數(shù)

本文涉及FDS模擬燃燒過程與ANSYS模擬墩身溫度時空演化，主要的計算參數(shù)包括火災熱釋放速率與混凝土的熱物理參數(shù)。

1)火災熱釋放速率 本文將9#墩和10#墩之間的三七專用遮陽網(wǎng)可燃物簡化為一個尺寸為27m(長)×8m(寬)×1.25m(高)的長方體遮陽網(wǎng)模型，簡化依據(jù)是兩墩中心距離、墩底部尺寸和遮陽網(wǎng)的高度。遮陽網(wǎng)的材質(zhì)為聚氨酯，其密度大約為0.05g/cm3，燃燒熱值約25MJ/kg。火災大約持續(xù)了50min，根據(jù)公式(1)和(2)計算火源燃燒的平均熱釋放功率。

Q=ΔH·m

(1)

(2)

2)混凝土的熱物理參數(shù) 依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)確定鋼筋混凝土橋墩的熱物理參數(shù)，密度(ρ)為2 400kg/m3，導熱系數(shù)(λ)為176.7w/(m·℃)，熱熔(c)為2.304×106J/(m3·℃)。

2.2 計算模型

1)FDS模型 FDS模型網(wǎng)格為160×40×120(個)，總網(wǎng)格數(shù)量為768 000個，火源設(shè)置在兩墩之間，火源面積尺寸為27m(X方向)×8m(Y方向)，X方向為順橋向，Y方向為橫橋向(見圖1)。

圖1 FDS模型 圖2 ANSYS模型

2)ANSYS模型 火源在9#墩和10#墩之間且兩墩高度相差1m，現(xiàn)場調(diào)查表明10#墩比9#墩受損更嚴重，故研究10#墩的墩身表面溫度和墩身內(nèi)部溫度隨時間變化規(guī)律?；炷炼詹捎脤嶓w單元solid278模擬，模型共760個單元、1 448個節(jié)點(見圖2)，將FDS計算的橋墩表面溫度作為墩身溫度邊界條件施加。

3 結(jié)果分析

3.1 火災溫度分析

根據(jù)FDS軟件模擬結(jié)果，從9#墩和10#墩之間縱橋向X=2.75m、X=29.25m墩身表面不同時刻溫度分布圖(見圖3)可以看出，以10min為間隔，火災過程中橋墩表面的最高溫度出現(xiàn)在橋墩靠近火源一側(cè)橫截面的底部，最高溫度達505℃。

(1) 10min (2) 30min (3) 50min

從9#墩和10#墩之間橫橋向Y=0m墩身表面不同時刻溫度分布(見圖4)可以看出，橋墩底部的火焰最高溫度約660℃，橋梁底部空氣中的溫度隨著高度的增加而衰減，當?shù)竭_橋梁頂部時，空氣溫度大約60℃。

(1) 10min (2) 30min (3) 50min

針對9#墩和10#墩火災過程FDS數(shù)值模擬，并根據(jù)《火災后混凝土構(gòu)件評定標準》(DBJ08-219-96)判定此次火災溫度屬于450～700℃范圍，此時角部混凝土爆裂剝落，角部開裂并出現(xiàn)裂縫，部分部位露筋，這與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果較接近，驗證了FDS參數(shù)取值和數(shù)值模擬的準確性。

3.2 墩身表面溫度分析

本文借助FDS模擬的火災過程中橋墩表面周圍的溫度場分布結(jié)果，利用ANSYS軟件分析橋墩墩身表面溫度和橫截面內(nèi)部溫度隨時間的變化規(guī)律。

1)墩身四周表面溫度分布 火災對10#墩墩身不同側(cè)面影響程度均不同，進而墩身4個側(cè)面溫度分布也不同(見圖5)。火源側(cè)和左側(cè)受火災的影響較大，火源側(cè)溫度明顯高于左側(cè)溫度，同時墩身表面溫度分布呈“中間高兩邊低”火焰形狀。其余兩個側(cè)面受火災影響較小，墩身溫度隨時間變化起伏不大。

(1) 10min (2) 30min (3) 50min

2)墩身火源側(cè)表面溫度分布 選取10#墩火源側(cè)表面溫度分布情況進行分析，由圖6可知，首先火源側(cè)墩身表面溫度隨著時間發(fā)生變化；其次溫度等值線形狀與火焰形狀類似，3m以下在墩表面中心線附近為高溫集中區(qū)，最高溫度達到800℃以上。墩身3～6m范圍內(nèi)在墩表面中心線臨近區(qū)域的最高度約700℃，大于300℃的范圍集中在墩身高度9m以下。

以5min為時間間隔，分析10#墩墩身表面火源側(cè)最大溫度(Tmax)變化規(guī)律，如圖7所示，10#墩墩身溫度隨時間變化無明顯規(guī)律，溫度最大值均在820℃以上， 最高可達904.3℃。 由此可見火災時10#墩墩身溫度較高，火災對橋墩的損害較大。

圖7 Tmax隨時間變化圖

3)受損范圍分析 由于對于溫度大于800℃的混凝土無論怎么冷卻，其強度降低幅度非常大，不能按照正常狀態(tài)工作，故本文選取10#墩身表面溫度大于800℃的受損范圍進行分析。

由表1可知，火源側(cè)墩身表面溫度大于800℃的受損范圍隨時間變化無明顯規(guī)律，第5min時，S800℃值約1.2m2；在10～25min之間S800℃變化幅度不大；隨著燃燒持續(xù)，S800℃逐漸增大，在35min時，S800℃達到最大值約5.2m2；隨后35～45min時，S800℃變化幅度不大；在50min時S800℃減少至約2.7m2?？傮w來看，S800℃隨時間變化與燃燒過程能量釋放基本一致，局部有波動是真實反映。溫度大于800℃的受損范圍的寬度(w)和高度(h2)的最大值分別為2.9m和2.5m，最小值分別為1.0m和1.1m， 平均值為2.3m和1.9m。 同時， 隨著火災時間的持續(xù)， 墩身表面溫度大于800 ℃的受損面積(S800℃)的變化波動性較明顯， 墩身表面溫度大于800℃的受損范圍的寬度(w)和高度(h2)的變化波動性較小， 受損面積的影響的最大因素是受損寬度。

表1 火源側(cè)墩身表面溫度大于800℃的范圍

3.3 墩身橫截面方向內(nèi)部溫度分析

根據(jù)橋墩構(gòu)造和受力的要求，橋墩設(shè)計為鋼筋混凝土矩形空心墩，沿著墩高方向，橋墩壁厚是變化的，不同壁厚的鋼筋混凝土構(gòu)件抵抗火災的能力是不同的，故以10min為間隔研究10#墩身厚度方向溫度變化規(guī)律。

1)墩身內(nèi)部溫度大于100℃的壁厚 ANSYS仿真分析中發(fā)現(xiàn)，10#墩身小里程側(cè)和左側(cè)均出現(xiàn)溫度大于100℃情況，有必要對這兩個側(cè)面的墩身壁厚(b100℃)與內(nèi)部溫度大于100℃的橋墩高度(H100℃)變化規(guī)律進行研究，圖8中縱坐標為內(nèi)部溫度大于100℃的壁厚(b100℃)與墩身壁厚(b)的比值,橫坐標為相應位置的橋墩高度(H100℃)。

(1) 10min (2) 30min (3) 50min

圖9 H 100℃隨時間變化圖

4 結(jié)論及展望

對火災過程墩身表面溫度場和墩身橫截面方向內(nèi)部溫度場進行分析，并與火災后橋墩現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果對比，可得出如下結(jié)論：

(1)在火災過程中，采用FDS模擬燃燒過程獲得不同時刻墩身表面溫度分布規(guī)律，利用ANSYS中的熱分析模塊研究墩身橫截面溫度隨時間變化規(guī)律。通過對比《火災后混凝土構(gòu)件評定標準》(DBJ08-219-96)中附錄B“火災后混凝土構(gòu)件外觀特征”與火災后現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，驗證了本文采用的模擬方法的正確性和合理性，對其他類似工程有一定的借鑒意義；

(2)火災溫度和火災過程影響著火災后橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估，墩身表面溫度分布和墩身橫截面溫度分布隨著時間發(fā)生變化較為復雜，需要通過反復計算，并與火災現(xiàn)場結(jié)果核實后采取合理的修復加固措施；

(3)制定橋墩火災加固措施時，不僅需要根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果(墩身外觀情況、墩身表面混凝土受損的范圍、墩身混凝土強度沿墩壁厚度方向變化情況、混凝土強度檢測)和結(jié)構(gòu)承載力的驗算結(jié)果，而且建議增加考慮墩身表面溫度變化和墩身橫截面內(nèi)部溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響。

本文對火災燃燒時長和燃燒消耗的聚氨酯質(zhì)量是根據(jù)火災事故情況進行推測的，無法精確測量，所以模擬過程中設(shè)置的火災熱釋放速率是一個估計值。今后可以考慮通過火災試驗，精確測量火災的燃料質(zhì)量消耗率，進而得到精確的火災熱釋放速率。