火损后的“年限”——超千米悬索桥火灾下的安全与韧性

　　公路作为交通运输系统的最重要组成部分，承担并保障了包括燃料油、化工原料等危险品的运输流转，对于支撑社会经济发展，乃至维护国家能源安全，均有着重要意义。大跨径悬索桥作为公路的节点工程，不可避免地需要承担危险品运输的重要责任。然而据统计，我国和世界各国桥梁由于火灾导致的桥梁受损的数量约为地震致损量的三倍，危险品运输带来的桥梁火损风险不可忽视。相对的，针对大跨悬索桥的火损研究却远少于针对地震的相关研究。一旦桥梁受火损影响导致运营功能受损甚至倒塌，对人民生命的安全、人民生活的便捷和社会经济的发展影响极为巨大。

　　随着我国交通运输的快速发展，由于超速驾驶、超载运输、疲劳驾驶等造成的交通事故频发，桥梁火灾的现象也时有发生。桥梁上的火灾常见于两种形式：一是载有液态烃类燃料（如液化天然气LNG、液化石油气LPG）的油罐车侧翻，或与其他车辆发生碰撞，导致罐体严重破损，燃料大量泄漏，遇明火后发生爆燃；二是中小型车辆发生交通事故，车辆油箱损坏、燃油泄漏，遇明火后燃烧。前者由于运载了大量易燃易爆物，可导致大规模爆炸或火灾，将严重破坏周边大范围内的结构构件；后者虽然引发的火灾较小，但仍可导致缆索破断。

　　本文以国内某长期通行载有LNG（液化天然气）油罐车的超千米悬索桥为例，通过对该大跨径悬索桥进行多种火灾工况的结构影响分析，探讨超千米悬索桥火灾下的安全与韧性。

　　目前，针对桥梁火灾分析常用的方法，是基于升温曲线的简化“热—力”模拟方法。该方法直接对桥梁的结构模型进行热—力耦合分析，计算高温环境下桥梁的力学响应。在前人研究的基础上，笔者团队提出了一种基于计算流体动力学火灾蔓延模型的“火—热—力”模拟方法，用以分析大跨径悬索桥的火灾响应。该方法采用计算流体动力学方法模拟燃料的燃烧过程，分析从火灾到升温，再到结构变形、失效的全过程。分析中考虑了可燃物类型、通风条件和空间结构形式等，得到的火灾下的环境温度场具有梯度大、分布极不均匀等特点。分析结果与火灾实景更为吻合，是更精确的模拟方法。

　　火灾研究过程中，火灾的热释放率是描述火势的一个关键参数。不同燃料拥有不同的燃烧特性，而不同燃料的火灾燃烧热释放率可以用指数增长模型描述。参考油罐车实际装载容量，取50m3为罐车运输液态燃料的体积限定值，根据指数增长模型的热释放率计算方法，绘制不同种类燃料罐车燃烧热释放率，如图1-3所示。

　　经对比可以发现，多数烷类的燃烧热释放率水平居高，如庚烷、LPG（主要为丙烷）、LNG（主要为甲烷）燃烧热释放率超过了120MW。多数的石油产品如汽油、JP-4等，燃烧热释放率处于中等水平，普遍低于简单有机物的燃烧热释放率。而醇类燃料燃烧速度较为缓慢，因此2小时内，一罐车的醇类燃烧速度会趋于平稳。由于LNG燃料热释放率在第一个小时内热释放率水平为最高行列之一，且是该桥上运输量最大的燃料之一，故后续分析均采用图2中的LNG罐车火灾为典型火源进行。

　　除了火源自身燃烧性质，环境因素也会对火灾产生显著的影响。不同的环境风速对火焰形状的影响较为明显，主要体现在影响火灾高温区域的走势：环境风速越低，火焰与水平线的夹角越大，火焰形状相对笔直；环境风速越大，火焰与水平线的夹角越小，火焰形状相对水平，这样即影响了火焰高温区域的分布。

　　结合对象所在区域的气候条件，根据实测风力风向，采用FDS软件对大桥的主缆在不同风向、风速条件下的火灾开展了数值仿线 不同风速下桥面火灾的温度分布

　　分析表明，不同风速会直接影响火灾高温区域对桥梁主缆的作用程度。图4给出了火灾发生于主缆最低位置时，不同风速条件下主缆的响应。其中可以看出，在2.3 m/s～6.3 m/s的范围内，火焰的高温区域均会影响到主缆结构，对缆索系统造成一定的威胁。在不同环境风速的影响下，主缆周围横桥向的空气温度分布差异明显，主要体现在高温区域的温度水平。在3.3 m/s和4.3 m/s环境风的影响下，主缆周围的空气温度较高，超过了1100℃，远大于2.3 m/s、5.3 m/s、6.3 m/s环境风引起的火灾。结合环境风的平均风速，采用4.3m/s横桥向风进行后续桥面火灾计算。

　　对火灾进行数值模拟的过程中，火灾持续时间也是一个很重要的参数。它决定了火焰的发展状态、构件的温度变化过程和结构的最终响应等。目前针对桥梁火灾开展的研究，大多设定持火时间为60min或90min，这一取值主要根据研究场景的实际情况和实际需求来确定。

　　火灾持续不同时间下主缆各位置温度测点的时间-温度曲线min时，主缆顶部、底部、背桥侧、向桥侧的温度测点结果，分别比持火时间为60min的结果高出87.08℃、24.32℃、64.51℃、79.4℃。实桥受火分析时，应根据实际消防布防情况和工程实际选择火灾持续时间。而在难以估计或实测时，建议偏于保守的选择火灾持续时间为90min。

　　研究悬索桥火灾响应时，需要针对不利的横桥向与纵桥向起火设置分工况进行讨论。分析中，横桥向将桥面起火设置于外车道紧靠护栏位置。桥面纵桥向的起火位置工况分别选取了全桥六处位置进行分析。同时由于实际桥梁上运行的油罐车通车情况为车队行驶，假设为2辆油罐车追尾同时起火，共选定了九种火灾工况。桥梁中跨吊索由北向南依次编号为1-90号，中跨跨中最低处主缆两端吊索为45、46号。

　　由于主缆尺度较大,包含索股数量众多，在火灾影响下，同一截面不同位置钢丝温度差别显著，性能退化情况也不尽相同。为了客观反映受火主缆截面上由高温引起的刚度退化，可采用基于“加权平均”概念的主缆刚度计算方法。将钢材刚度根据所在位置处对应温度进行折减，最终将截面内所有单元的刚度折减系数加权平均，得到主缆整体截面的刚度减系数，以此评价主缆截面的整体刚度退化。

　　采用前述主缆与吊索性能退化方法，将火灾对桥梁结构性能的影响，代入全桥有限元模型中进行全桥力学响应的计算。计算结果表明，在上述火灾工况条件下，受火吊索会产生0-6根的破断。虽然吊索会产生不同程度的损害，结构的刚度和强度仍处于规范容许的范围之内。在上述9种工况研究的基础之上，考虑极端的受火情况进行多吊索断裂分析发现，当跨中受火影响断裂吊索数达到6根后，破断吊索附近的两根吊索的安全系数将降低至0.99。这意味着这两根吊索的承载能力已经达到极限，即将断裂，并引起一系列吊索发生连锁断裂的情况。故可以认为，此时桥梁已经处于不安全状态了。综合上述对实例桥梁的LNG火灾可能发生的位置及场景的分析，从火灾规模、对桥梁结构的影响等方面，比较分析该桥最不利火灾工况，评价总结于表1。

　　在环境风的影响下，LNG油罐车火灾的高温区域最高可覆盖至桥面以上10m左右，因此判定LNG油罐车火灾对跨中位置距离桥面10m以下的主缆节段影响较大。

　　工况一主缆中心温度在火灾发生后的2800s内，主缆中心的温度即可达到180℃。在为主缆布设防护材料之后，主缆截面内部温度分布得到了很大的改善，燃烧5400s也未超过40℃。考虑到主缆的不可更换性，设定火灾防护目标为不允许主缆钢丝发生损伤，即温度不得超过300℃。分析表明，需要对距离桥面高度10m以下的主缆节段布设防火材料，结合工程实际及周边消防站的位置，设定消防时间窗口为45min。

　　吊索为强度很高的钢绞线，对高温特别敏感。在相同温度下，钢绞线的强度损失百分比远大于普通结构钢。但对于悬索桥而言，1～2根吊索失效破断通常不会危及整个结构安全，且吊索的更换比较方便。综合经济性、安全性等因素，可间错每隔3根吊索为1根吊索布设防火材料。

　　通过对大跨径悬索桥发生九种工况的桥面火灾进行了结构热—力耦合响应的数值模拟计算，可以得到以下结论：在火灾的作用下，九种工况的主、边跨的跨中挠度仍处于规范安全值范围内，除局部主缆与部分吊索以及桥面铺装受到了高温破坏，全桥处于安全状态。其中，最不利火灾发生位置为中跨跨中，此处主缆位置较低，部分主缆与吊索受火后会被高温破坏，但是主缆结构的安全系数依然大于2.95。这说明主缆仍能保有一定的安全储备，通过验算可以看出全桥仍处于安全状态。若火源范围进一步扩大并导致6根吊索发生断破，则可能会引起悬索桥吊索依次连续破断，危及悬索桥结构安全。

　　此外，大跨径悬索桥可通过对关键构件进行防火处置，大幅提高火灾条件下的抗火性能。建议可对距离桥面高度10m内的主缆、每隔3根吊索为1根吊索在桥面高度15m内布设防火材料。本文提出的设防建议可以为其他类似桥梁在进行防火设计时提供一定的参考。