三塔自錨式懸索橋主纜抗火性能評估方法

馬如進，鄒明明

(1. 同濟大學 土木工程學院，上海 200092； 2. 安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著危險石化品運輸量的迅速增加，車輛火災發生的頻率及危害也不斷增加[1]。而現有研究大多是針對小跨徑簡支鋼橋、鋼-混組合橋梁開展的，較少涉及大跨徑纜索承重橋梁。E.M.AZIZ等[2]通過試驗和數值模擬的方法研究了荷載集度、腹板長細比、加勁肋間距等對簡支鋼板梁抗火性能的影響；ZHANG Gang等[3]數值模擬了在油罐車發生火災時某預應力混凝土箱梁的性能，結果表明預應力度對跨中撓度變化具有很大影響；GONG Xu等[4]對多種類型纜索承重體系橋梁的火災損傷機理、火災下的承載力及防護措施展開研究；MA Rujing等[5]基于數值模擬方法開展了某大跨徑懸索橋在油罐車火災作用下鋼中塔的穩定性分析；CUI Chuanjie等[6]提出了一種基于性能的橋梁結構抗火設計方法，并以某斜拉橋為例說明方法的適用性。

筆者提出了一種車致火災作用下橋梁結構性能簡易評估方法。首先，基于某鋼-混簡支梁試件火災試驗，開展數值模擬分析，通過對比試驗與數值模擬構件溫度分布與跨中撓度，驗證了簡易評估方法的適用性；然后，采用簡易評估方法對油罐車火災、貨車火災、客車火災及小汽車火災4種火災場景下，某三塔四跨自錨式懸索橋的構件傳熱性能、全橋結構高溫下靜力響應性能進行了分析，獲取了各火災場景下纜索溫度場分布特征；最后，對橋梁構件的局部損傷及結構的安全性進行了評估。研究結果證明筆者所提的簡易評估方法可用于大跨纜索承重橋梁結構抗火性能的評估。

1 橋梁火災分析方法與驗證

1.1 數值模擬分析方法

橋梁結構抗火性能評估流程如圖1，研究步驟如下[7-8]：

圖1 橋梁結構抗火性能評估流程Fig. 1 Evaluation process of fire resistance of bridge structures

1)確定火災場景。包括車輛類型、火災空間位置及荷載特征等。

2)火源模型分析。基于標準升溫曲線及FDS數值模擬方法，獲取火焰溫度-時程曲線。

3)構件傳熱分析?？紤]結構熱傳導、熱對流、熱輻射作用，獲取構件溫度-時程(T-t)曲線。

4)結構性能評估。將構件T-t曲線以溫度荷載的形式加載至結構模型上，依據結構材料力學性能隨溫度變化的規律，開展結構靜力響應分析，并對構件損傷及全橋結構安全性能進行評估。

1.2 數值模擬分析方法驗證

筆者以英國鋼鐵公司開展的鋼-混組合節段試件火災試驗結果為研究對象[9]，試件尺寸如圖2。

圖2 鋼-混組合節段試件尺寸Fig. 2 Dimension of steel-concrete composite segment specimen

建立鋼-混組合節段試件數值模擬分析模型，開展了ISO-834升溫曲線下試件各測點的溫度時程及跨中撓度響應分析。在節段試件加載試驗中，混凝土板與工字鋼梁無縱向連接，試件破壞時混凝土板底部出現明顯的彎曲裂縫。為簡化跨中撓度響應分析，僅建立工字鋼梁結構模型，將混凝土板自重等效至鋼梁模型中。且假定混凝土板的極限承載力為其底板開裂荷載。試件數值模擬與試驗結果的對比曲線如圖3。

圖3 火災試驗與數值模擬結果Fig. 3 Fire test and numerical simulation results

由圖3可以看出：

1)工字鋼梁上翼緣溫度明顯低于下翼緣，且腹板處溫度最高。分析原因是，上翼緣板部分熱量以熱傳導的形式傳遞至混凝土頂板，而腹板厚度最薄，升至相同的溫度所需的熱量最少。

2)火災10 min后，隨著溫度的升高，鋼梁彈性模量及強度不斷下降，跨中撓度迅速增大。節段試件高溫下各點的溫度時程及結構響應數值模擬結果與試驗結果吻合良好，驗證了筆者提出的橋梁火災數值模擬分析方法的可行性。

2 工程實例驗證

2.1 工程概況

濟南鳳凰大橋為三塔四跨自錨式半漂浮懸索橋，跨徑布置為70 m + 168 m + 428 m + 428 m + 168 m + 70 m=1 332 m。主梁截面為整體式鋼箱截面，梁高4.1 m，橋寬61.7 m，橋面為雙向8車道。圖4為主橋總體立面、主梁橫斷面以及火災場景分布示意。

圖4 主橋總體立面、主梁橫斷面及火災場景布置Fig. 4 General elevation, cross section of main beam and fire scene layout of main bridge

主纜及吊索均采用鍍鋅鋁合金高強鋼絲。每根主纜由61束索股組成，每束索股由127根φ6.2 mm抗拉強度大于1 960 MPa的高強平行鋼絲組成，纜徑599 mm。主纜索股外包防護層由內到外分別為磷化底漆、S型鍍鋅鋼絲、磷化底漆、環氧底漆、硫化型橡膠密封劑、氟碳面漆，防護層總厚度為5.9 mm。吊索由187根φ7 mm抗拉強度大于1 860 MPa的高強平行鋼絲組成。吊索高強鋼絲外部纏繞雙層HDPE防護層及高強聚酯帶。主纜、吊索外部防護層導熱系數和熱發射率一般較低，在火災初期可以屏蔽部分高溫熱量，對內部高強鋼絲具有一定的保護作用。

2.2 火災場景設定

鋼主梁由于受到混凝土板和橋面鋪裝的保護，火災下溫度較低，力學性能基本不受影響。主纜及吊索作為結構主要受力構件，均由高強鋼絲組成，高溫作用下其彈性模量及強度大大降低。因此，筆者以主纜及吊索為主要研究對象。橋面各車道中，最內側車道距研究對象的橫向間距最小，僅有4.0 m，且跨中主纜距橋面最近，故跨中最內側車道為最不利火災場景位置。筆者選擇常見的油罐車、貨車、客車及小汽車4種車型作為車致火災危險源，對火災下橋梁結構性能進行評估。4種車型火災設計參數(最大熱釋放速率Qmax、燃燒時間t及等效火焰尺寸m、n)見表1[8]。

表1 各種車輛火災設計參數Table 1 Design parameters of various kinds of vehicle fires

3 構件溫度場分析

3.1 材料高溫特性分析

高強鋼絲的導熱系數λs、比熱容cs根據歐洲規范[10]選取，如圖5。熱膨脹系數αs根據ECCS[11]選取，λs=1.4×10-5。

圖5 高強鋼絲的導熱系數λs及比熱容cFig. 5 λs and c of high-strength steel wire

根據等效原理，將主纜、吊索外包各層保護材料簡化為單層各向同性隔熱層，并計算其等效導熱系數、比熱容。

根據文獻12，取常溫高強平行鋼絲彈性模量E=1.950×105MPa、屈服強度fy=1.718×103MPa、極限強度fu=2.014×103MPa，同時根據高強平行鋼絲高溫彈性模量、屈服強度及極限強度，由圖6得到高強平行鋼絲高溫力學性能折減系數γX。

圖6 高強鋼絲高溫力學性能折減系數Fig. 6 Reduction coefficient of mechanical properties of high-strength steel wire at high temperature

3.2 構件傳熱特性分析

3.2.1 傳熱分析理論

由于橋面火災處于敞開的環境，熱煙氣擴散迅速，熱對流效應不明顯，故熱輻射成為結構升溫的主要熱量來源。火焰與橋梁結構之間的傳熱形式可視為面-面輻射，如圖7。

na—火焰表面微元法線；nb—構件表面微元法線；θa—火焰至構件輻射線與火焰微元法線夾角；θb—火焰至構件輻射線與構件微元法線夾角。圖7 火焰與結構面-面輻射示意Fig. 7 Surface radiation between the flame and structure plane

結構表面微元單位時間內獲得的凈輻射能qrad為：

(1)

式中：nf為火焰表面微元的個數；εa、εb分別為火焰和構件表面的發射率；σ為Stefan-Boltzmann常量，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；Ta、Tb分別為火焰和構件表面溫度/℃；Fa→b為從火焰表面a微元到構件表面b微元的角系數，即表面a發出的輻射能中被表面b接收部分的比例，與表面a、表面b幾何形狀、熱源及被輻射物體之間的相對位置有關，按式(2)計算[8]：

(2)

式中：Ab為構件表面某一微元的面積；ra→b為火焰與構件表面微元之間的距離。

3.2.2 傳熱分析有限元模型建立

在建立火焰附近主纜及吊索傳熱分析有限元模型時，首先，根據等效原理將主纜、吊索外包防護層簡化為一定厚度的隔熱層，內部高強鋼絲等效為實心圓柱體，火焰等效為長方體；然后，用SOLID 70單元建立傳熱分析實體模型，用SHELL131單元建立火焰及構件表面輻射模型。為了平衡計算精度與效率，對火場附近受高溫影響較顯著的部分主纜單元網格進行加密處理。主纜及吊索傳熱分析模型共138 685個節點、128 850個單元。

3.2.3 傳熱分析結果與討論

采用馬明雷[13]提出的各種車輛火災作用下的空間溫度模型，考慮火災溫度沿豎向折減效應，開展構件溫度場數值模擬分析，得到油罐車火災在7 200 s時主纜截面溫度分布(圖8)及主纜、吊索橫截面各測點T-t曲線(圖9)。圖8中S-0、S-1/4、S-2/4、S-3/4、S-4/4分別為截面各溫度測點的位置。

圖8 油罐車發生火災7 200 s時大橋主纜橫截面溫度場分布Fig. 8 Temperature field distribution of the main cable cross section of the bridge when the oil tanker fires for 7 200 s

圖9 油罐車發生火災時大橋主纜及吊索橫截面各點T-t曲線Fig. 9 T-t curves of each point on the cross section of main cable and suspender of bridge in case of oil tanker fire

從圖8、圖9可以看出，油罐車發生火災時，主纜橫截面溫度表現為梯度分布，火焰側主纜表面最高溫度達到830 ℃。由于吊索橫截面尺寸遠小于主纜，吊索整體溫度高于主纜。需要說明的是，在火災高溫作用下，主纜、吊索外包防護層溫度達到熔點時將會發生熔化剝落。

同理，可得到貨車、客車、小汽車發生火災時，大橋主纜T-t曲線，如圖10。由圖9、圖10可以看出，在火災開始階段，由于防護層的保護作用，主纜、吊索截面的溫度緩慢上升；防護層剝落之后，火災高溫熱量直接輻射至高強鋼絲表面，構件火源側溫度迅速上升。對于油罐車、貨車、客車，分別是在火災發生后1 200 s、1 800 s和2 400 s左右，防護層熔化剝落；而小汽車發生火災，防護層不會熔化剝落。

圖10 貨車、客車、小汽車發生火災時大橋主纜橫截面T-t曲線Fig. 10 T-t curves of cross section of main cable of bridge in case of truck fire, bus fire and car fire

圖11為油罐車、貨車、客車、小汽車發生火災時，主纜橫截面溫度與火焰溫度之間的關系。

圖11 油罐車、貨車、客車、小汽車發生火災時主纜橫截面溫度Fig. 11 Temperatures of cross-section of main cable in case of oil tanker fire, truck fire, bus fire and car fire

從圖11可見：隨著火災規模的擴大，主纜橫截面整體溫度升高，其中油罐車火災對橋梁結構的危害最大；主纜橫截面溫差顯著增大，溫度梯度更加明顯；火焰最高溫度與主纜最高溫度的差值減小，構件溫度更加接近火場溫度，原因在于結構升溫具有一定的滯后性，隨著火災規模的擴大、燃燒時間的延長，主纜表面溫度逐漸接近火焰溫度。

4 構件損傷及全橋安全性評估

熱-結構耦合作用分析方法包括直接耦合法和間接耦合法。筆者采用間接耦合法，即構件溫度分布僅單向影響結構響應，而不考慮二者之間的相互影響，將火災作用下構件溫度分布以體荷載的形式加載至結構模型中，根據構件溫度修正結構的彈性模量、強度等力學參數。

4.1 全橋熱-結構耦合作用模型

采用有限元分析軟件建立全橋桿系單元和實體單元耦合模型。建立火焰附近主纜及吊索實體模型時，僅將溫度場分析模型中采用的SOLID 70單元類型轉換成SOLID 185單元，模型網格劃分及單元數目不變；主纜、吊索模型采用LINK 10單元，主塔、主梁模型采用BEAM 4單元；主纜實體模型與附近桿系模型通過節點剛域連接。全橋熱-結構耦合作用分析模型共126 296個節點，117 008個單元，如圖12。

圖12 全橋熱-結構耦合作用分析3-D有限元模型Fig. 12 3-D finite element model for thermo-structural coupling analysis of the whole bridge

4.2 結構靜力分析與評估

在進行油罐車、貨車、客車、小汽車發生火災全橋結構靜力響應分析時，僅考慮結構自重作用。分析表明，最內側車道發生火災時，火災附近的單側主纜構件升溫明顯，另一側主纜受到的影響較小，因此，橋梁結構發生扭轉是變形的主要原因。然而，對于超大跨徑纜索承重體系橋梁，橋梁跨度往往是火災尺寸的幾十倍甚至上百倍，而且橋梁結構冗余度一般較大，因此，火災作用下橋梁結構一般不會發生明顯的變形。

圖13為油罐車、貨車、客車、小汽車發生火災時，橋梁結構整體豎向撓度Δ曲線。可見，在危害最嚴重的油罐車火災時，跨中豎向撓度僅為160 mm，火災對橋梁結構整體撓度的影響很小。但是火災高溫仍會對主纜產生不可逆的永久損傷。

圖13 油罐車、貨車、客車、小汽車發生火災時橋梁結構撓度變形曲線Fig. 13 Deflection deformation curve of bridge structure in case of oil tanker fire, truck fire, bus fire and car fire

目前，有2種主纜構件損傷的評估標準：

1)JTG/T D 65-05—2015《公路懸索橋設計規范》規定：主纜抗拉強度分項系數γR=1.85，結構重要性系數γ0=1.1，計算得到主纜的容許安全系數γ=2.035。在高溫和外荷載作用下，主纜實際安全系數γs定義為材料高溫下極限抗拉強度/主纜Von Mises應力，若γs<γ，則認為主纜構件處于損傷狀態。γs按式(3)計算：

(3)

式中：fu,T為高溫T作用下高強鋼絲極限抗拉強度，MPa；σm為主纜Von Mises應力，MPa。

2)根據文獻[12]，在300～600 ℃溫度區間，低松弛高強鋼絲的彈性模量和極限強度迅速下降，600 ℃時分別折減為常溫下的30%和15%。因此，主纜溫度超過600 ℃即認為處于損傷狀態。

筆者以油罐車發生火災時構件損傷情況為例進行分析。圖14為主纜截面的Von Mises應力云圖?？梢?，由于橫截面溫度梯度，主纜發生明顯的應力重分布。

圖14 油罐車發生火災時主纜截面應力云圖Fig. 14 Stress contour of the main cable section in case of oil tanker fire

基于損傷評估標準，繪制主纜橫截面損傷云圖(圖15)，圖中陰影區域表示主纜損傷區域。由圖15可見：火災發生36 min時，主纜火焰背側應力達到最大，安全系數不滿足JTG/T D 65-05—2015《公路懸索橋設計規范》要求；42 min時，主纜火焰側表面最高溫度超過600 ℃，產生高溫損傷；60 min時，截面損傷區域超過全截面的1/3；120 min時，主纜全截面產生不可逆損傷。

圖15 油罐車發生火災時主纜截面損傷云圖Fig. 15 Damage contour of the main cable section in case of oil tanker fire

根據式(3)計算得到油罐車、貨車、客車、小汽車發生火災時主纜截面中心的安全系數γs，并繪制安全系數-時程(γs-t)曲線，如圖16?？梢钥闯?，油罐車發生300 MW火災時，主纜截面中心的安全系數不滿足JTG/T D 65-05—2015《公路懸索橋設計規范》要求。

圖16 油罐車、貨車、客車、小汽車發生火災時主纜截面中心應力安全系數Fig. 16 Safety coefficient of the center of cable section in case of oil tanker fire, truck fire, bus fire and car fire

綜上，油罐車發生火災時，主纜構件將產生嚴重的不可逆損傷，且火焰附近吊索截面溫度超過了800 ℃，此時，吊索已基本喪失了承載能力。因此，必須采取防范措施，以確保主纜及吊索在車致火災時的安全性。

5 結 論

提出了一種大跨徑纜索承重橋梁抗火性能評估方法，開展了某鋼-混組合試件傳熱分析及結構響應數值模擬分析，并與火災試驗結果進行對比；以某大跨徑懸索橋為例，采用提出的評估方法對跨中最內側車道在油罐車、貨車、客車、小汽車發生火災時構件損傷及結構性能進行了評估。得到以下主要結論：

1)高溫下，溫度分布及跨中撓度數值模擬結果與試驗結果吻合較好，驗證了筆者提出的評估方法的可行性。

2)火災高溫下，主纜、吊索外包防護層對高強鋼絲具有一定的保護作用，但在油罐車、貨車、客車發生火災時，防護層會熔化剝落；油罐車發生火災對纜索的威脅最大，主纜橫截面溫度呈梯度分布，最高溫度可達830 ℃。

3)油罐車發生火災時，盡管跨中撓度僅增加160 mm，但火焰附近主纜有較嚴重的損傷。火災發生36 min時，火焰背側主纜表面應力達到最大，有輕微損傷；42 min時，截面兩側與明顯損傷；60 min時，截面損傷區域超過1/3；120 min時，全截面產生不可逆損傷。