火灾后箱梁桥灾变机理分析及评估方法研究

吴新印， 曾　军， 林　鸣

(1.湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙　410008；　2.湖南金沙路桥建设有限公司， 湖南 长沙　410025)



火灾后箱梁桥灾变机理分析及评估方法研究

吴新印1， 曾军2， 林鸣1

(1.湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙410008；2.湖南金沙路桥建设有限公司， 湖南 长沙410025)

摘要：针对目前桥梁火灾事故频发和桥梁灾变影响大、评估工作难度大的现状，研究了箱梁桥火灾特点与破坏特征，根据火灾热释放率模型分析了箱梁桥的结构温度场变化规律。基于火灾热释放率模型分析，进行混凝土表面的温度场数值模拟，建立了火灾后箱梁桥灾变机理分析及安全评估方法，对同类桥梁的抗火设计及加固处置研究具有一定的借鉴意义。

关键词：桥梁； 火灾； 热释放率； 温度场； 评估方法

近年来，桥梁火灾事故频发，主要原因有以下几个方面： ①易燃易爆运输车辆在桥梁附近发生事故自燃后导致结构发生火灾受损； ②桥下违建、违规堆放等发生火灾导致桥梁结构直接过火受损； ③施工期桥梁由于操作不规范导致临时堆放在桥梁空间范围内的易燃物着火引发安全事故。

依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 — 2004)，火灾按作用分类可归列为偶然作用，一旦产生会对桥梁结构造成显著破坏，其负面影响难以估算。目前，国内外的研究学者就火灾后桥梁结构的灾变机理、灾后评估方法和加固技术等，做了大量的理论与技术创新研究。笔者近几年接触了数座火灾桥梁安全评估工作，掌握了大量的一手资料及数据，在此基础上提出了普通钢筋混凝土连续箱梁桥火灾后结构的灾变机理、安全评估方法。

1火灾热释放率模型确定

当前发生的桥梁火灾，其结构受损情况大多在可控程度范围内，通过检测评估后，可通过后续的加固手段恢复结构原有的安全及耐久性能。而桥梁火灾发生后的评估和鉴定工作首先需要明确各受损结构参数的变异值，因此确定桥梁结构火灾热释放率模型是所有评估及鉴定工作的第一步。热释放率(HRR)是火灾过程中燃烧物能量释放的多少的衡量标准，也是灾后确定受损结构参数变异值的重要指标。由于现场条件的特殊性以及燃烧过程的复杂性，如果对整个火灾进行数值模拟将变得相当困难，再加上相关科研理论的滞后，因此目前暂不具备数值模型的条件。当前大多数做法是将热释放率作为一个指标具体量化为输入参数，带入计算影响结构受损参数的变异值，因此输入参数的真实性直接影响到评定结果的准确性。

1.1火灾发展阶段

桥梁结构火灾从发生到熄灭可分做3个受火阶段： ①增长阶段，热释放速率逐步增加到最高值； ②稳定燃烧阶段，热释放速率稳定在一定的数值范围内； ③减弱阶段，热释放速率逐步降低直到火灾完全熄灭的过程。火灾发生过程3个阶段如图1所示。对桥梁结构的安全评估通常取影响最大就是热释放率增长到最大值的初始阶段和热释放率保持在一定水平的稳定燃烧阶段。

图1　火灾的发展过程

1.2热释放速率曲线的确定

桥梁火灾后的热释放率曲线常规做法是确定T2发展火灾的特征火灾发展模型。T2特征火灾属于非稳态火灾，桥梁火灾后的安全评估工作可采用该模型来描述非稳态火灾热释放速率，通过该方法假定火灾热释放速度与燃烧时间的平方成正比：

Q=αT2

其中:α为火灾增长系数, kW/s2;T为火灾发展时间,s。

火灾发展时间为热释放率达到1 MW所需要的时间。可燃物材料的不同，其火灾增加系数取值也不相同，因此T2特征火灾增长分级可作如下区分：超快火、快速火、中速火、慢速火，分级见图2，T2火灾典型可燃物对应取值见表1。

图2　各类T2特征火灾的热释放率曲线

表1 对应于T2火灾的各类可燃物火灾增长分级燃烧材料火灾增长系数/(kW·s-2)热释放速率达到1MW的时间/s慢速火/0.002931,0.002770600中速火棉质、聚酯材料0.002931,0.002770300快速火木制、沫塑材料0.046890,0.044400150超快火成吨堆放泡沫塑料0.187800,0.17700075

2混凝土表面的温度场数值模拟

当释热率稳定的时候，随着时间的增加辐射到物体表面的温度还会持续升高，因此数值模拟时释热率的持时为其稳定时的最长时间。火灾各工况下实际数值模拟采用的释热率时程曲线如图3所示。

图3　车辆火灾释热率时程曲线

为了准确掌握各火灾作用下的混凝土结构的温度效应，根据箱梁桥的结构特点结合受灾现场情况建立高温场数值分析模型。通过分析软件输入待分析温度场截面尺寸、受火方式、延火时间、升温曲线等已知条件，得出计算结果。

3实例分析

3.1分析模型

某桥因桥下违规堆放的塑料和垃圾制品引发大火，大火历时约60min后被扑灭，造成桥梁梁底及桥墩大面积烧伤(图4)。受火区桥梁上部结构形式为7跨1联钢筋混凝土等截面连续箱梁，单箱5室结构，梁高1.45m，箱梁底板厚15cm，边腹板厚30cm，中腹板厚26cm，顶板厚16cm，箱梁标准断面如图5所示。支座采用盆式橡胶支座；下部结构为重力式桥台，柱式桥墩，桥台桥墩采用桩基础，受火桥墩为1#桥墩；桥面采用7.5cm沥青混凝土桥面铺装。受火箱梁及桥墩均采用C30混凝土，钢筋采用Ⅱ级钢筋。

图4　火灾后桥梁受损照片

图5　箱梁横断面示意图(单位： cm)

3.2火灾热释放速率曲线

桥下燃烧物包含快速燃烧的装饰家具，本次火灾增长分级确定为超快火，火灾增长系数为0.1878、0.177kW/s2，热释放速率达到1MW的时间为75s。考虑到火灾蔓延速度相当快，且堆放物集中，因此本次火灾增长期发展速度较快，火灾迅速发展到最大热释放率的稳定燃烧阶段。火灾作用过程中的最大热释放速率可依据以下公式进行计算：

Qmax=q×Ac

其中:Qmax为最大热释放速率，kW；q为热释放速率密度, kW/m2;Ac为可燃物所占的面积，m2，取值40 m2。

3.3温度场数值模拟

30 MW释热率取其平面坐标(0，2)处沿高度方向混凝土构件表面温度与其附近温度场的比较如图6所示。

图6　30 MW释热率砼构件表面温度与其附近温度场　　　的比较

在对钢筋混凝土结构的强度特性有影响的温度范围内，其表面的温度要高于其附近温度场的温度，因此钢筋混凝土结构计算温度应采用其表面温度而不是温度场的温度。

3.4火灾后混凝土强度折减系数

经过调查及分析，根据桥梁结构受灾的温度场分析确定砼构件表面烧灼温度，按照表2、表3的强度折减系数计算火灾后混凝土构件受损后的实际强度。

表2 高温混凝土水冷却后抗压强度折减系数温度/℃fcu,s/fcu温度/℃fcu,s/fcu常温1.006000.403000.707000.254000.608001.105000.50 注:表中fcu,s为砼高温下或高温冷却后的抗压强度;fcu为砼原有抗压强度。

表3 箱梁混凝土水冷却后抗压强度折减系数受损区域损伤级别变形等级评定初步判断所受温度/℃混凝土折减系数SSQ—1Ⅲ ζ/h≤0.002>800<0.10SSQ—2Ⅱbζ/h≤0.002700～8000.10～0.25SSQ—3Ⅱaζ/h≤0.002500～7000.25～0.50

4结论

1) 研究分析了箱梁桥温度场数值模拟方法，结合桥梁结构火灾现场实际输入的火灾热释放速率曲线，确保了结构灾变分析参数的精确性。同时，通过本案例的运用，掌握了等截面箱梁桥火灾温度场的分布规律。

2) 建立了混凝土桥梁火灾损伤评估模型，利用评估模型完成了鉴定评估工作，数据明确、结果可靠，对同类型结构火灾后的灾变机理分析及评估具有很好的参考意义。

参考文献：

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文章编号：1008-844X(2016)02-0163-02

收稿日期:2016-03-17

作者简介:吴新印( 1983-) ，男，硕士研究生，工程师，主要从事桥梁检测与施工监控。

中图分类号：U 446.3

文献标识码：A