钢桥防火安全评价及设计方法初步研究

林 辉，孟书涛

(1.北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191;2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

钢桥防火安全评价及设计方法初步研究

林 辉1，2，孟书涛1，2

(1.北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191;2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

火灾事故具有危害性、不确定性、信息有限性和时间有限性等特点，钢桥由于钢材自身特性，火灾威胁尤为严重，且钢桥在规划、设计和运营中尚缺乏一套完整防火救灾措施。本文首先介绍了近年来一些钢桥火灾事故，继而提出了钢桥火灾危险性等级划分和钢桥防火设计流程。同时，提出了钢桥防火措施设计总体原则，并针对一座钢桥提出了防火具体措施和灭火救灾对策流程。

钢桥 防火安全度 设计流程 防火措施

钢材具有强度高，重量轻，运输、架设方便，节省工期等众多优点，因而钢桥在桥梁建设中被大量采用。火给人类带来了文明、进步、光明和温暖。但是，失去控制的火却给人类带来了无情的灾难。钢材虽为非燃烧材料，但却并不耐火(温度600℃时将基本丧失全部强度和刚度)。桥梁作为交通运输基础设施中的控制性节点工程，一旦遭遇重大火灾，将产生巨大经济损失和社会影响[1-2]。

1 桥梁工程火灾

桥梁工程作为交通运输动脉中的控制性工程，火灾事故时有发生(近10多年来部分美国公路桥梁火灾事故见表1)，已造成巨额经济损失及重大人员伤亡。这些问题的产生给桥梁工程防火研究带来了新的挑战。

表1 美国公路桥梁火灾事故

当前，火灾研究已成为国内外研究的热点。文献[1，3]对火灾下建筑钢结构，索网结构进行了一系列试验和理论分析研究，文献[4-6]对火灾条件下人员紧急疏散与紧急交通管制进行了研究，文献[7-9]探索了防火设防水准，Bennetts等[10]研究了一座斜拉桥在潜在火灾场景中如何评价其结构构件遭受到的损伤问题。但针对钢桥防火安全评价及设计方法方面的研究却少见。因此，本文初步研究了该问题。

2 钢桥防火设计流程

防火设计是降低(甚至可能在一定程度上避免)钢桥潜在火灾的有效方法，但同时也会增加工程投资。防火设计能在相当程度上保证桥梁交通畅通，提高桥梁运行效率。各种防火设计措施是否必要、合理、经济等问题均需要回答。

在作决策时，决策者需要了解桥梁工程可能遇到的多种火灾情况，钢桥防火设计中需要了解潜在火灾可能引起的桥梁交通中断或限行情况。交通的中断或限行是由各类火灾(或者说是火灾引起的灾害情况)影响与我们的应对措施(防火措施)两者共同决定的，其中包括火灾作用、防火措施反应和防火措施反应容许值这三个因素，桥梁交通的中断或限行状态就取决于估计的防火措施的反应是否超过其容许值。

结合目前我国桥梁的实际状况和技术水平，本文把我国钢桥火灾危险性等级从高到低划分为Ⅰ(高)、Ⅱ(中高)、Ⅲ(中低)和Ⅳ(低)共4个等级。

Ⅰ(高)危险级:火灾危险性大，使用性质重要，桥上交通量大，物资、人员密集，扑救困难，容易造成重大经济损失、人员伤亡及社会影响，甚至出现人员群死群伤的极端情况;

Ⅱ(中高)危险级:火灾危险性较大，使用性质较重要，桥上交通量较大，实施扑救较困难，一旦发生火灾后易造成较重大经济损失、一定数量人员伤亡，但不致出现群死群伤等较大社会影响事件;

Ⅲ(中低)危险级:火灾危险性较小，使用性质一般，桥上交通量较小，单位时间从桥上通过的物资、人员不多，火灾发生后扑救相对容易，即使发生火灾所造成的损失也相对较小;

Ⅳ(低)危险级:火灾危险性小，桥上日常交通量相当小，单位时间从桥上通过的物资、人员极少，火灾发生后扑救容易，即使发生火灾所造成的损失也相当小。

钢桥防火设计流程如图1所示。

图1 钢桥防火设计流程

3 钢桥防火措施设计总体原则

钢桥防火宜采用简便、经济、先进的措施。进行钢桥防火设计时，应遵循以下总体原则。

1)提高桥梁利用率从而提高车辆通行效率

众所周知，建设跨越江、河、湖、海的桥梁工程的目的是方便人员、物资的交流。桥梁工程的利用率体现在车辆通行效率。满足车辆通行效率的需要是钢桥防火设计的根本出发点。一味追求防火需要而不顾车辆通行效率的方式是不可取的，也是各方所不能接受的。作为桥梁设计者，需要在保证交通通畅的前提下进行钢桥防火设计。

2)选用作用机构简单的防火设计措施

钢桥防火设计往往容易进入的一个误区就是认为桥梁防火能力越强越好，这种想法是极端错误的。钢桥防火设计的成功与否不完全看桥梁防火能力的强与弱，经济因素也是一个不得不考虑的重要因素。亦即需要在桥梁防火性能与经济性(或者说社会承受能力)之间找到较佳的平衡点。

3)措施的性能应明确有效期

在钢桥防火设计中采用的防火措施必须特别注意相应措施的性能，尤其是部分措施随使用时间的增加各项性能指标会发生严重退化的情况。当该项措施的性能指标不能达到要求时需及时更换。否则在桥梁火灾发生时，可能出现不仅不能满足设计要求，甚至可能由于自身破坏给桥梁带来次生危害的情况发生。

4)措施应具体到构件层次

钢桥潜在火灾具有高度不确定性，这种不确定性导致了桥梁结构在其全寿命周期过程中具有一定的失效概率。同时，桥梁失效的后果(包括潜在的生命或财产损失)取决于结构及其在系统中的重要程度。根据桥梁将来潜在火灾预测，针对各种可能出现的情况，选择适当的桥梁防火措施。根据桥梁性能退化分析，确定不同火灾下桥梁可能出现问题的构件、组件，从而确定需要进行防火设计的构件和结构细部。

5)强关键构件弱一般构件

理想的钢桥防火设计是使桥梁各可能过火构件都具有近似相等的抵御火灾的能力，即不要存在局部薄弱环节;更进一步的要求应该是等破坏设计，即各可能过火构件达到破坏而引起桥梁达到破坏的抵御火灾性能相近。等抵御火灾性能要求同等充分利用各构件防火性能储备，等抵御火灾性能设计则要求强关键构件弱一般构件，因为关键构件的破坏会造成整个桥梁的破坏，而一般构件的破坏只会造成局部影响[11]。

4 算例

4.1 桥梁及其危险等级、火灾类型

某悬索桥(跨径布置为108 m+248 m+108 m)，根据相关经济、社会统计数据，该桥火灾危险性等级为Ⅱ(中高)。从《火灾分类》GB/T 4968—2008可以看出，桥上可能发生的火灾类型包括:

A类火灾，固体物质火灾。固体物质火灾发生的情况有两种:一种是车辆载运固体货物发生火灾;另一种是桥梁构件发生火灾。从目前国内、外报道来看，桥梁固体物质火灾基本上为第一种情况，即车辆载运固体货物发生火灾。

B类火灾，液体或可熔化的固体物质火灾(出于运输经济性考虑，现在工业气体一般液化后进行运输)。从目前国内、外报道来看，桥梁工程需重点关注从其上经过的各类罐车。

E类火灾，带电火灾。这类火灾一般是由于桥梁工程上自身电气设备出现故障引起的火灾。从目前国内、外报道来看，桥梁工程发生带电火灾的情况还鲜有报道。

4.2 灭火救灾对策流程

桥上一旦发生火灾，应尽量在火灾初期将其扑灭，防止事态恶化，同时对桥梁使用者提供确切情报，防止车辆驶向火灾现场，并对驶向桥梁出口的车辆给予正确引导，使其安全撤离失火桥梁。桥梁灭火救灾对策流程如图2所示，灭火作业后还需:确认火灾扑灭→清理火灾现场→进行毁损评估→毁损部位修复→临时通行→恢复正常通行。

图2 桥梁灭火救灾对策流程

4.3 消防设施组成

4.3.1 消防电力系统设置

1)消防用电设备采用专用供电回路;

2)桥梁自发电设备作为消防备用电源，其自动启动时间≤30 s;

3)消防应急照明系统连续供电时间≥2.0 h;

4)桥上疏散指示标志连续供电时间≥30 min;

5)消防用电缆线管道与其它管道分开设置;

6)桥梁内部禁止设置高压电线电缆。

4.3.2 报警系统设置

1)桥梁入口外200 m处设置悬臂式可变情报板，悬臂式可变情报板安装示意图如图3所示;

2)桥梁出入口及两侧设置报警电话，间距≤100 m;

3)设置火灾自动报警系统作为辅助装置;

4)桥梁火灾应急广播装置间距≤50 m。

4.3.3 灭火器设置

1)桥梁出、入口及两侧均设置灭火器，间距≤100 m;

2)每个灭火器设置点配4具(A类1具，B类2具，C类1具);

3)灭火器应设置在位置明显和便于取用的地点;4)灭火器的摆放应稳固，铭牌应朝外;

5)灭火器宜设置在灭火器箱内(灭火器箱不得上锁)，其顶部离地面高度≤1.50 m，底部离地面高度≥0.10 m;

6)每3个月检查一次灭火器，每6个月抽查A，B和C类灭火器各一具。每年交替更换1/3灭火器。

图3 悬臂式可变情报板安装示意

4.3.4 消防给排水设置

1)消防用水量按2.0 h火灾延续时间确定(消防用水强度30 L/s);

2)设置消防水池供消防车辆取水;

3)桥梁排水设施应考虑灭火时的消防用水量;

4)桥梁应采取防止事故时可燃液体或有害液体沿桥梁漫流的措施。

4.3.5 火灾疏散系统设置

1)桥梁两侧设置消防应急照明系统(供电能力按消防电力系统设置要求执行);

2)桥梁两侧设置明显的发光紧急疏散指示标志(间距5 m，高度1.5 m);

3)设置能保持视觉连续的灯光疏散指示标志(间距 20 m)[11]。

5 结语

1)本文提出了钢桥防火措施设计的总体原则，包括:提高桥梁利用率从而提高车辆通行效率;选用作用机构简单的防火设计措施;措施的性能应明确有效期;措施应具体到构件层次;强关键构件弱一般构件等。

2)在算例中具体提出了消防电力系统设置;报警系统设置;灭火器设置;消防给排水设置和火灾疏散系统设置等措施，为类似桥梁防火设计提供了有益参考。

3)对不同结构形式的钢桥，下一步还需要深入研究其在火灾中的典型破坏模式。由于火灾防御、抵抗措施的花费与增加的抵御火灾能力指标之间的关系明显地影响最优防火措施的采用。因此，进一步深入研究两者之间的相互作用关系十分必要。

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U445.7+5

A

1003-1995(2012)06-0006-04

2011-12-20;

2012-03-10

林辉(1981— )，男，四川成都人，工程师，博士。

(责任审编 孟庆伶)