危险火灾场景下铁路钢桥温度场和极限承载力研究

刘晓光 鞠晓臣

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

铁路桥梁发生火灾属于极端偶然事件，由于其诱因的不确定性，一旦发生火灾，在野外扑救困难，结构可能遭到显著损伤甚至破坏，进而直接影响铁路正常运输。目前，国内外学者针对混凝土梁的高温力学性能［1-2］，灾后损伤检测、评估以及加固［3-4］等开展了大量的理论和试验研究，而铁路桥梁抗火分析研究［5］鲜有涉及。桥梁发生火灾时，燃料主要为油类或其他易燃物品，燃烧速度较快，火灾荷载大，因与隧道火灾类似，常借鉴隧道火灾升温曲线进行分析。但具体使用条件有所不同，桥梁处于开敞空间，空气流通性较好。

本文基于火灾铁路桥梁结构和列车设计信息调研，确定火灾危险场景，首次提出铁路桥梁火灾场升温曲线。以典型的64 m 单线下承式钢桁梁为研究对象，分析铁路桥梁火灾作用下温度场，将危险火灾温度场赋予到桥梁力学模结构型中研究火灾下的力学行为，获得桥梁的耐火极限。

1 铁路桥梁火灾场景设定

1.1 大涡场模型理论

大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）是现有条件下模拟高雷诺数紊流流动的最佳方法，本文采用该方法模拟铁路火灾场景。大涡模拟是将流体物理量分为大尺度（grid-scale）与亚网格尺度（subgrid-scale，SGS）2 部分。对于大尺度的物理量在LES 中直接由Navier-Stokes 方程式求解［6］，滤波后的 Navier-Stokes 方程为

式中：ρ为流体密度；为过滤后的大尺度速度，即可解尺度速度。

1.2 热辐射和热对流

火灾发生时，火焰热流向上部移动，造成周围空气温度迅速上升，而热空气通过热辐射和热对流将热量传递到构件表面，在构件内部通过热传导方式进行传热。

热辐射是指物体以电磁能的形式对外发射能量，被其他物体吸收后转化为热量的交换过程。热辐射可以通过Stefan-Boltzmann方程表示，即

式中：Qf为单位时间内向构件上传递的热量，W；σ为Stefan-Boltzmann 常数，约5.67×10-8W/（m2K4）；ε为综合辐射系数，取 0.5；S为传热面积；η为形状系数，一般取1.0。

热对流Qd是指固体表面与周围的流体之间存在温差时产生的热量交换过程，其计算公式为

式中，α为换热系数，对于烃类和纤维类燃烧火灾，取50 W/（m·°C）。

2 钢梁全桥温度场热分析

2.1 温度场模型

采用ANSYS 分析软件建立64 m 单线铁路下承式钢桁梁［8］热分析有限元模型（图1），模型立面布置见图2。钢梁共计8 个节间，每个节间长度为8 m，桁高为11 m，主桁中心距为5.75 m。假定各杆件之间连接良好，节点连接均简化为刚接，忽略端斜桥门架内腹杆影响。所有杆件均采用Shell131单元模拟。端部支座处垫块采用Solid70单元模拟。构件表面的热对流、热辐射效应采用三维热表面效应单元SURF152模拟。高温材料属性按照EC3规范取值。

图1 1/2钢桁梁模型

图2 64 m单线钢桁梁构件截面（单位：mm）

2.2 火灾升温曲线

根据铁路桥梁的结构、运营和环境特点，铁路桥梁火灾场景可分为3类：桥面列车火灾、开敞式桥下火灾、半开敞式桥下火灾。对于钢桁梁桥，桥下失火通常对上部钢桥影响小，其危险火灾场景一般为桥面列车火灾。假定在列车长度方向上各处的温度均匀，模拟分析时可只取其中的一个车厢进行模拟，并在车厢的两端均设置绝热面。在高度方向上取5倍的车厢高度（4.4 m×5=22.0 m），顶面暴露于外部空气中，且导热系数很大，可自由散热；在宽度方向上取5倍的单线64 m 钢桁梁桥宽度（6.0 m×5=30.0 m），桥梁2 个侧面暴露于外部空气中，导热系数很大，可自由散热。车厢底板均按耐火极限要求设计，故桥面可假定为绝热面。桥面列车火灾危险场景设定见表1。

采用Heskestad 公式［9］对铁路桥梁火灾尺寸进行计算，公式为

式中：H为火焰高度，m；D为火焰直径，即液池的直径，m；Q为火源释热速率，kW；η1为燃烧效率，取0～1；mn为单位液池面积的质量燃烧速率，kg/（m2·s）；A为液池的面积，m2；Hc为单位质量燃料的燃烧热值，kJ/kg；

表1 桥面列车火灾危险场景设定

对于列车火灾，火源尺寸为26.6 m×3.3 m，按其面积等效为圆形时所计算的火焰尺寸会偏大很多；按其面积等效为方形（3.3 m×3.3 m）时所计算的火焰尺寸会偏小。因此，对于长宽比很大的火源尺寸，取火源长度为1.5倍的宽度计算火焰高度。铁路桥梁危险火灾场景火焰尺寸见表2。

表2 铁路桥梁危险火灾场景火焰尺寸

列车底板设计时要求耐火极限不小于120 min，因此列车底板高度以下部分的钢结构按不受火考虑；桥面以上部分考虑5.5 m 高度（2 倍火焰高度+列车高度=1.25×2+3.0=5.5 m）范围内受火，高出部分不受火。

本文基于FDS 软件对危险火灾场景进行数值模拟分析，铁路桥梁火灾特点与RABT升温曲线［10］相似。因此，基于RABT 升温曲线提出危险场景火灾升温曲线，火灾持续时间取120 min，升温曲线为

式中，t为火灾持续时间，min。

2.3 温度场分析结果

分析钢桁梁温度场发现，当钢桁梁受火后，随着温度的不断升高，在热对流、热传导、热辐射等影响下，钢桁架的温度随之升高。图3 为钢桁梁在桥面以上5.5 m 高度范围内受火时的温度场，图4 为构件温度-时间关系曲线。由图3和图4可见，截面436×10构件温度升高最快，截面 440×12、420×12 构件和截面260×12 构件次之，截面 600×20 构件温度升高最慢。说明构件越薄，升温速度越快。当受火时间超过25 min，无论构件薄厚，温度都接近火灾烟气温度，即当钢桁梁受火后，在25 min后达到其最高温度。

图3 钢桁梁温度场（单位：℃）

图4 受火构件温度-时间关系曲线

3 抗火力学分析

3.1 结构模型

将热分析得到的温度场作为体荷载施加到钢桁架结构分析模型上，进行恒载升温结构受力有限元模拟分析，计算其在火灾下的结构反应。考虑火灾下设计荷载的折减，恒载和活载的组合系数均取1.0。恒载根据设计图给出的恒载下支座反力求得，活载参考TB 10002D1—2005《铁路桥涵设计基本规范》取92 kN/m。施加轨道纵梁上的均布荷载为1.0×恒载+1.0×活载=0.246 N/mm2。

3.2 分析结果

施加温度场后，随着温度的升高，塑性变形及承载损失逐渐累积，受火的钢桁架跨中挠度越来越大。当受火时间达到15 min 时，梁跨中竖向位移变化较为均匀，跨中最大挠度为14.94 mm，见图5（a）；梁的塑性变形开始逐渐增大，当受火时间达到30 min，跨中挠度已达50.57 mm，见图5（b）；当受火时长达到38.5 min时，跨中最大挠度为80.09 mm，大于整体钢桁梁结构梁跨中挠度71.1 mm（L/900=71.1 mm，L为桥梁跨度64 m）最大值要求，见图5（c）。因此，确定钢桁架的耐火极限约为38.5 min，但整个钢桁梁结构依然保持受力状态，并未发生倒塌。

图5 钢桁梁竖向位移云图（位移单位：mm）

4 结论

1）基于大涡模拟场模型理论得到铁路桥梁火灾特点，提取危险火灾场景参数和升温曲线，为钢桁梁温度场分布提供温度数据。

2）通过对铁路单线铁路栓焊下承式钢桁梁危险火灾场景时的热分析，掌握了该类型桥梁的温度场分布情况。在相同温度区间，构件越薄升温越快。受火区域及其附近构件温度很高，当受火时间超过25 min时，构件温度达到最高温度，即接近火灾烟气温度。

3）考虑火灾时设计荷载会折减，在恒载和活载的组合系数均取1.0的情况下，钢桁梁的耐火极限较小。受火约38 min 时钢桁梁跨中挠度超过规范中的最大值。此时，钢桁梁虽可以继续承受荷载，但已达到极限破坏状态。