近塔橋面火災對三塔懸索橋結構性能影響研究

馬如進+崔傳杰+馬明雷

摘 要：以某三塔懸索橋中間鋼塔為例，研究了火災對鋼橋塔和橋梁結構性能的影響.首先，通過火災場景數值模擬，得出橋面近塔區域不同類型火災場景下的火焰溫度分布規律，以及鋼結構橋塔的溫度分布特性.其次，通過非線性分析獲得了三塔懸索橋在不同的近塔火災場景下結構靜力性能的變化.結果表明，在大型車輛火災作用下，鋼中塔有超過80 m2的區域溫度超過800 ℃，最高溫度達到1 000 ℃以上，中塔性能受到顯著影響.鋼中塔的應力、變形發生較為明顯的變化：鋼塔產生4.6 mm的豎向殘余變形和53.8 mm的側向殘余變形，火災區域應力折減達70 MPa，而主纜、主梁的應力和變形變化較小.

關鍵詞：結構分析；三塔懸索橋；中間鋼塔；火災；管理養護

中圖分類號：U445.7 文獻標志碼：A

文章編號：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

橋梁火災是橋梁結構在其壽命周期內常見的和嚴重的災害之一.根據紐約交通局2008年對1 746起橋梁事故的調查結果，其中有52座橋梁因火災事故遭到破壞，而由于地震導致破壞的僅有19座[1].近年來橋梁火災事故也呈現增加趨勢，對橋梁的運營安全帶來了很大的挑戰.2007年4月，連接美國舊金山和奧克蘭兩大城市的高速公路上發生油罐車火災，造成舊金山地區一座鋼梁橋熔化倒塌；2014年10月在建的赤石特大橋塔內火災引起9根斜拉索斷裂導致橋面一側下沉.可見針對橋梁抗火的研究應引起設計者與運營管理者的充分重視.

自1957年Blinov等[2]率先開展火災實驗研究以來，國內外很多學者對建筑火災進行了相關方面的理論研究，且建筑火災及抗火設計規范日益成熟.而相比于建筑領域，橋梁火災事故的理論研究卻是剛剛起步.近十年來針對橋梁火災進行的研究有：Mendes等[3]通過二維平面模型模擬了Vasco da Gama大橋船舶火災事故的發生過程；Dotreppe等[4]使用計算機程序SAFIR對比利時Vivegnis大橋火災事故做了數值模擬；Kodur等[5]使用計算機程序SAFIR針對鋼混凝土組合結構橋梁的加勁梁防火性能做了案例分析；IGNACIO等[6]采用LUSAS軟件研究了由美國聯邦公路管理局設計的12.20 m簡支梁橋的抗火性能.長安大學李利軍則嘗試進行了公路火災溫度場的模擬，并對大跨纜索承重橋梁進行了火災分析.但這些研究多著眼于主梁和纜索系統火災場景下的分析，而對纜索承重橋梁關鍵承力構件的橋塔，還缺乏深入研究.

本文在總結既有橋梁火災研究工作的基礎上，以泰州長江大橋為工程實例，對橋梁的常見火災場景進行了基于FDS（Fire Dynamics Simulator）的數值模擬，在此基礎上求解了中間鋼橋塔受到火災影響時的溫度場分布，研究了各類火災場景對全橋結構靜力性能的影響.泰州長江大橋為三塔特大跨懸索橋，中塔的力學性能對全橋結構至關重要，本文研究結果對了解鋼塔結構在火災作用下的性能變化以及對全橋受力行為的影響有較好的參考意義.

1 橋梁火災數值模擬

1.1 火源模型和火災場景

橋梁火災多由車輛事故引起，屬于非穩態模型，相應火災發展過程大致要經歷3個階段：初始增長階段、穩定燃燒階段和減弱階段.目前國際上常用的非穩態火源模型有3種[7].本次研究中采用Heskestad所提出的t2火源模型（圖1）[8].設火災持續時間為tmax，熱釋放速率在td時刻達到最大值Qd，由于實際分析中往往只需關心初始增長和穩定燃燒兩個階段，該火源模型可表述為：

式中：Q為熱釋放速率，kW；α為增長系數，kW/s2；t為時間，s.由于橋梁火災的相關試驗研究和統計資料仍處在起步階段，而橋梁火災與隧道火災在火源類型和火災場景等諸多方面具有相似之處，本文借鑒了隧道火災在火源模型和火災場景等方面的研究成果.根據車輛的類型與燃燒生成的熱量分類，將火災分為小汽車火災、客車火災、載重卡車和油罐車火災4類[9].Cafaro等人[10]通過大量隧道火災試驗發現小汽車火災熱釋放速率為4～8 MW，增長系數可取為0.010～0.012 kW/s2；客車火災熱釋放速率為15～30 MW，增長系數可取0.10～0.15 kW/s2；載重卡車火災熱釋放速率為15～150 MW，增長系數取0.50 kW/s2.而油罐車火災由于火源龐大，相關試驗研究較少，但一般認為在5～10 min內即可達到最高熱釋放速率100～300 MW[11].對于火災持續時間，法國CETU（隧道研究中心）[12]對小汽車、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在一項隧道火災的專題研究中則建議對油罐車火災取7 200 s的燃燒時間[13].對于火源尺寸，Heselden[14]研究認為小汽車、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；世界道路協會常設協會（PIARC）[15]規定小汽車、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.結合上述研究成果，4類火災的參數取值如表1所示，其中場景A，B，C和D分別對應一輛普通小汽車、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景.

1.2 火源模型數值模擬

本研究對火源模型和火災場景的模擬采用基于CFD理論的FDS軟件進行.FDS基于大渦模擬理論，以火災中的流體運動為主要模擬對象，通過滿足火災場景下的質量守恒、動量守恒、能量守恒和組分守恒，結合相關狀態方程和壓力方程，可較好地用于開放環境下的橋梁火災模擬[16].FDS在火災動力模擬中的可靠性已經得到許多證實[16-17].將火災源設置在泰州大橋鋼中塔附近，在模擬過程中假定周邊邊界氧氣供應充足且周圍不存在絕熱障礙物.通過4類火災場景的模擬，可以得到焰心不同高度處的溫度分布，圖2給出了場景A和D的火焰中心溫度分布.圖3給出了場景D的火災場景的模擬效果.

從分析可知，場景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處火焰溫度已經降低到200 ℃左右.場景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高度時場景B已低于600 ℃，場景C，D為800 ℃左右.場景D與場景C各高度處火焰溫度均相差不大，但場景D火焰尺寸（4×12 m）遠大于場景C（4×6 m），可以預見火災場景D對結構可能造成的破壞最大.

1.3 FDS數值模擬可靠性驗證

目前國際上廣泛采用的火災升溫曲線有ISO834曲線[18]、ASEM-EI19曲線[19]、HC曲線[20]等.本文將數值模擬的最高溫度與3種升溫曲線的計算結果進行了比較，圖4給出了場景A與場景D的比較結果.通過比較可以發現，數值模擬整體上具有較高的吻合度.但由于ISO834曲線和ASEM-EI19曲線主要是針對建筑火災制定的，相比較處在開放環境下、氧氣供應充足的橋梁火災，在大型火災場景下的溫度計算結果偏低；HC曲線主要應用在石油化工領域，計算曲線考慮了火災初期的爆炸和熱沖擊效應，對場景A這類小型火災，計算結果明顯偏高.總體看來模擬結果可以較合理地反映類似橋面特征的開放式空間在火災作用下的溫度場特征.

2 火災下中塔溫度場分布

對處于開放環境下的橋梁火災而言，近塔橋面火災主要通過熱對流和熱輻射的形式對橋塔產生影響[16].熱對流是由于流體的運動而傳遞的熱量，對流可分自然對流和強迫對流兩種，橋梁火災對流形式為自然對流，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部微觀粒子的熱運動（或者說由于物體自身的溫度）而使物體向外發射輻射能的現象.橋梁火災處在開放環境中，煙氣容易擴散，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算：

由式（2），式（3）可以看出，熱對流與熱輻射的熱量傳遞均與當前時刻的表面溫度有關，因此火源結構傳熱模型的建立是一個復雜的時程分析，目前國內外多采用數值模擬的手段，尚無針對火災結構傳熱模型的簡化或經驗公式研究.本文借助Ansys有限元分析軟件的熱力學模塊，選取受火災影響的鋼中塔節段以shell131單元進行溫度場模擬.分析中假設火災作用于橋塔順橋向中心處，火焰外側邊緣距離橋塔0.5 m.鋼結構在高溫下的導熱系數和比熱按照歐洲規范EC3[22]及EC4[23]的規定取值，如式（4），式（5）所示：

通過分析得到4類火災場景下在中塔部分節段最大溫度場分布如圖5所示.

從圖5可以看出，4類火災場景下中塔的溫度場分布規律基本與火源模型的模擬結果相一致.相比之下，場景A，B的溫度場受影響程度遠小于場景C，D.場景C，D在橋塔中心處沿高度方向的分布規律基本一致，但場景D在順橋向的影響范圍遠大于場景C，場景D的影響范圍會波及到橋塔側表面，中塔有超過80 m2范圍內溫度超過800 ℃.

3 火災作用前后結構靜力分析

3.1 高溫下鋼結構性能

目前，歐洲EC3[22]，EC4[23]、美國AISC（American Institute of Steel Construction）[24]、英國BS5950等[25]國家規范都對高溫作用下鋼結構的材料特性作出了規定.其中EC3和EC4的方法計算簡單、適用性強，本研究對鋼結構材料特性的計算以此規范為參考進行.

EC3和EC4中定義的屈服強度和彈性模量隨溫度變化結果如圖6所示.

由圖6可以看出，當溫度達到800 ℃時，鋼結構的彈性模量與屈服強度幾乎只剩10%.結合圖5所示的溫度場分析結果，可以預見車輛火災發生時，特別是場景C，D這類大型火災，會對結構產生較強烈的影響.

3.2 結構靜力性能分析

針對三塔兩跨懸索橋，鋼中塔是結構的關鍵.在考慮火災影響下，傳統的梁式模型不能考慮其局部影響效應.為此，本文將鋼中塔采用板殼單元模擬，如圖7所示.考慮到火災發生時，一般橋梁管理中嚴控車輛通行，因此本文重點比較了火災影響時恒載下結構行為的變化.

圖8和表2給出了4類火災場景下，中塔的變形趨勢以及各關鍵位置的位移增量數值，其中va，ha代表遠離火災一側的塔頂豎向和側向位移，vb，hb代表火災發生一側的塔頂豎向和側向位移.

以火災場景D為例，將中塔位移按照150倍比例放大，單獨觀察橋塔受火面附近的變形和應力變化，如圖9所示.

可以看到，受火災影響區域由于材料性能受損，其應力值相比周邊單元大幅降低，受火災影響區域的變形也比未受火災的一側橋塔顯著得多，在火災作用下，受火面橫橋向變形明顯呈現出外凸的趨勢，而中塔整體上呈現向遠離火災一側傾斜的變形趨勢.火災場景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.溫度最高區域應力降低約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力增量變化圖.

由分析結果可以看出，火災作用對主梁豎向撓度以及主纜應力的影響很小，主梁最大豎向位移增量僅為5 mm，主纜最大應力增量0.16 MPa.結合圖9可以看出，即使在最嚴重的場景D作用下，火災主要造成直接受到輻射和對流影響的部分區段產生應力重分布，而對對流輻射區域外的區段應力分布影響很小.本橋主跨1 080 m，垂跨比1/9，僅考慮恒載作用下，由塔頂位移計算結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，火災對主梁豎向撓度和主纜應力影響很小是合乎邏輯的.

4 考慮中塔火災影響的管養策略

根據以上分析結果，針對中塔位置所發生的車輛火災，本文給出以下管養策略：

1）從t2火源模型可以看出，火災從發生到達到穩定燃燒要經過一定的時間（場景A，B，C和D達到穩定燃燒所需的時間分別為11 min，8 min，7 min和7 min），因此，車輛火災發生后保證消防救援的及時性極為重要，為此必須設立專門的消防應急通道，建議消防救援到達時間不得超過15 min.

2）火災場景A（普通小汽車火災）對橋梁的影響可基本忽略不計，因此無需采取專門針對性的后續加固措施；火災場景B，C和D均會對中塔造成較為明顯的損傷，必須采取合理的加固措施.中塔火災對主纜和加勁梁的影響很小，無需專門處理.

5 結 論

本文結合對橋梁火災的已有認識，分析確定了4類橋梁火災場景的基本參數，通過FDS得到了具有通用價值的火災數值模擬結果，并與現有火災模型曲線進行對比，驗證了數值模擬的可靠性.在此基礎上，以泰州長江大橋為工程實例，對中間鋼塔火災作用下的全橋靜力性能進行了系統分析，研究得到的主要結論如下：

1）近塔橋面火災作用對中塔影響十分明顯，火災作用區域由于材料性能受損，應力值相比正常狀態下大幅降低；火災作用下，受火區域橫橋向變形明顯呈現出外凸的趨勢，中塔整體上呈現向遠離火災一側傾斜的變形趨勢，最大側移超過50 mm.

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

3）結合火災作用下中塔溫度場分布以及全橋靜力行為的分析結果，提出了具有針對性的防火管養策略，以供有關部門參考借鑒.

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