火灾后混凝土桥梁结构安全初步评估方法

2022-05-07刘旭政李任福余晨曦郭河

广西大学学报（自然科学版） 2022年1期

刘旭政，李任福，余晨曦，郭河

(1.华东交通大学土木建筑工程学院, 江西南昌 330013；2.杭州市丁桥医院, 浙江杭州 310044;3.福建省交通科研院有限公司, 福建福州 350004；4.中交路桥工程检测股份有限公司, 北京 101301)

0 引言

随着我国公路桥梁事业的迅速发展，由人为或环境因素引发的桥梁火灾事故也越来越多。桥梁火灾往往给桥梁带来了较大的损坏，严重时引起桥梁垮塌，给人们生命及财产安全带来了巨大的损失。据美国联邦交通委员会统计，因火灾而导致的桥梁损伤数量约为地震引发桥梁损伤数量的3倍[1]。2018年4月，湖北省随州市广水南立交桥因桥下商店大火，导致梁体严重受损；2018年7月，四川省成都市绕城高速府河大桥桥下违规搭建的板房仓库突发火灾，造成梁底混凝土开裂剥落、钢筋外露，并封闭大桥进行交通管制。火灾对桥梁管养和交通安全运营造成严重威胁。

国内外学者对于火灾后结构构件损伤的常规检测及评估方法开展了相关研究。Lattimer等[2]、Woodworth[3]考虑了桥梁火灾的火源位置、大小、通风条件对结构的影响，采用CFD数值模拟方法研究受火钢桥以及组合桥的破坏特征，火源处于跨中位置处时，桥梁结构所产生的变形最严重。Alos-moya等[4]基于流体动力学软件FDS，模拟了美国伯明翰的I65高速立交桥的火灾过程，同时对火灾高温后立交桥采用ABAQUS软件进行数值模拟分析，并将数值模拟结果与检测报告进行对比，验证了模型的有效性。Peris-sayol等[5]通过数值模型分析油罐车火灾下的桥梁响应，阐释了火灾位置、桥梁构造以及风速对桥梁响应的影响。张岗等[6-7]对受火桥梁进行数值仿真模拟，通过高温辐射及热传导理论，对火灾下简支梁的高温场进行了数值分析，研究了火灾下混凝土桥梁的变形及承载能力的变化规律。杜红秀等[8]采用红外线检测技术对受火混凝土试件进行测试。吴慧萍等[9]研究了构件的实际受火温度与红外线热成像的对应关系。谢正良等[10]通过逐层回弹法、逐层深入检测法应用于火灾后混凝土结构或者构件的实际检测。唐鹏等[11]基于火灾温度公式、表面颜色判定的火灾高温温度的快速推定，提供了小型桥梁在发生火灾后快速科学评估的方法。

现有的研究对于受火桥梁温度场的模拟计算多针对某一特定火场，灾后现场调查过度依赖于检测人员的经验判断[12]。同时，国内尚无可用于受火桥梁检测及评估的标准、规范，缺乏对火灾后的桥梁损伤研究和评估方法的系统研究。一旦桥梁结构发生火灾，管养单位难以快速掌握桥梁结构安全状态，检测单位也缺乏可参考的检测、评定标准，因此建立火灾后桥梁结构安全快速评估方法具有较好的理论意义和推广应用价值。本文基于流体动力学软件(fire dynamic simulation，FDS)，考虑了不同火源面积和梁底距燃烧物高度对于梁底温度场的影响；依据不同的受火温度区间，对梁底受影响区域进行了划分，建立了一套火灾后桥梁结构安全初步评估方法；最后以某实际受火桥梁为例，对比分析了现场检测结果与本文提出的安全初步评估结果。

1 数值分析模型建立

FDS软件是美国联邦建筑与火灾研究实验室(BFRL)开发的三维计算流体动力学软件，能够计算压力、温度场、密度、火灾热释放速率以及烟气蔓延等物理量场分布，受到国内外抗火研究学者的青睐，诸多桥梁抗火研究学者利用FDS软件模拟结果与试验对比，验证了该软件在桥梁火灾模拟中的适用性、准确性。目前主要使用Pyrosim作为建模工具，本文通过Pyrosim进行建模，根据以下步骤建立FDS有限元计算模型：①设置模拟空间，该网格内包含三维受火模型；②划分空间内网格，确定边界条件及通风口；③设定材料属性(电导率、密度、比热和发射率)；④建立网格内火源模型，设定火源类型及面积；⑤受火模型上布置切片、测点，读取计算温度。

1.1 FDS模型建立

目前，因为国内中小跨径桥梁常用主梁形式为空心板梁、小箱梁以及T梁3类，其中空心板梁、小箱梁占比很大。对于梁底表面温度场计算来说，箱型梁与空心板梁的梁底构造均为一块平板，桥下火灾对这2类梁底温度场计算结果是一致的，本文主要研究这2类主梁的桥下火灾温度场。文中以一座长20 m、宽10 m的标准混凝土空心板梁进行建模计算，考虑了不同火源面积S和梁底距燃烧物高度H对于梁底温度场的影响，H分别取1、2、3、4、5、6 m。文中H取值上限为6 m，这是考虑到对于本文研究的堆积木材或纺织物燃烧，高度超过6 m时梁底温度不高，对结构安全影响很小；同时，在H取值不变时，S超过临界值后对梁底最高温度影响很小，因此，S的取值依据H的大小来选定，各计算参数的取值范围见表1。计算参数的选取基本涵盖了绝大多数发生桥下火灾的火场情况。FDS建模需要设置计算区域V，该计算区域要能包含所建的模型。由表1可得各计算模型的H、S、V参数设置值。

表1 各计算参数的取值范围

理论上，网格划分越细，烟气的扩散场景与实际越接近，FDS火灾模拟结果越精确，但网格过多无法实现计算以及考虑资源与准确率相匹配，只能在模型精度和计算机性能之间取平衡点。根据Mcgrattan等[13]提出的网格划分方法火源特征直径尺寸D*可由式(1)计算得出，综合考虑计算时长和计算精度[14-15]，本文计算区域划分的网格尺寸均设为0.2 m×0.2 m×0.2 m。

(1)

式中：D*为火灾特征直径，m；ρ∞为环境空气密度，kg/m3；T∞为环境温度，K；g为重力加速，m/s2；Q为总热释放速率，kW；Cp为环境空气比热，kJ/(kg·K)。

1.2 火源的设定

火灾在燃烧过程中经历增长阶段、稳态燃烧阶段、减弱阶段[16]，本文研究的是火灾导致桥梁损伤所达到的最高温度场以及最大破坏程度，因此只对燃烧过程的增长阶段和稳态燃烧阶段进行分析。根据Loennermark等[17]的火灾热释放理论，将火灾热释放模型分为3种，即线性增长模型、平方增长模型[18]、指数增长模型，由于平方增长模型形式简单，可方便应用于实际火场的计算，因此本文采用平方增长模型，其函数形式为

(2)

式中:α为火灾增长系数，kW/s2；t为火灾发展时间，s；tmax为火灾达到最大热释放率的时间；Qmax为火灾最大热释放率，kW；td为维持最大热释放率的时间，s。

火灾发展系数表征火灾蔓延的快慢，根据美国消防协会NFPA(national fire protection association)的分类，火灾发展速率可分为极快、快速、中等和缓慢4种类型，火灾发展系数与NFPA标准中典型可燃物燃烧的取值见表2。

表2 典型可燃物燃烧的取值Tab.2 Value of typical combustibles

自然环境中桥梁发生火灾的燃烧过程复杂，火源燃烧物形式多样，桥下火灾绝大部分的是由于桥下堆积物发生火灾(木材、纺织品等)以及部分桥下作业空间发生火灾(桥下违章建筑、停车场等)[19]。堆积木材或纺织类材料在炎热大气环境中具有易发生自燃、燃烧速率快、且桥下通常大量废弃材料堆积的特点。因此，本文研究火源燃烧物材料为堆积木材或纺织类材料燃烧，根据表2中这类材料的火灾增长分级为快速火，α取值为0.046 89。

Qmax=A×Hrrp=α·t2，

(3)

式中：A为火源燃烧物所占的面积，m2；Hrrp为单位面积热释放速率，kW/m2。

图1 FDS运算模型Fig.1 FDS calculation model

由式(3)可知，Hrrp的确定是火灾增长定义中的关键。美国消防手册SFPE及相关文献[20-22]中定义堆积木材或纺织类材料的Hrrp取值范围应为500～1 000 kW/m2，本文偏安全考虑取单位面积热释放速率为1 000 kW/m2，环境温度设为20 ℃。在实际桥下火灾环境中，由于燃烧物总量、火灾减弱时间难以计算，以及火源材料的火灾增长分级为快速火，因此本文综合考虑桥下火灾情况。假设火灾热释放率达到最大值后，短时间内保持为稳定阶段，运行时间拟定为1 000 s。公路桥梁受火一般均处于开放环境中，模型边界条件设为五面通风口，底面设为惰性表面，FDS运算模型如图1所示。

2 计算结果分析

2.1 梁底中心测点温度

梁底温度是通过在FDS模型中布置测点和切片来获取计算结果。在H分别为1、2、3、4、5、6 m时，不同S、H下的梁底中心测点温度时程曲线如图2所示。

(a) H=1 m

(b) H=2 m

(c)H=3 m

(d) H=4 m

(e) H=5 m

(f) H=6 m

根据FDS计算结果，在不同的H下，当S超出临界面积后，中心测点的温度与S大小无关。例如，图2(e)中当S小于4 m×4 m时，中心测点温度与S成正相关；而当S超出临界面积4 m×4 m后，中心测点的温度与S大小无关(稳定在1 000 ℃左右)。产生原因是：因为本文选取的火源材料类型是固定的，依据式(3)可知，S值增大，只是间接增大了热释放速率以及火焰的高度，而木材及纺织类材料燃烧的火焰所能达到最高温度是不变的，所以导致上述现象产生。此外，当中心测点的温度达到最大值，即稳定燃烧阶段时，火灾热释放速率达到最大值，火源燃烧物传递给梁板的热量值无明显变化，梁底中心测点温度随时间增加在稳定线上下短频波动。

不同S下的H与梁底中心测点最高温度变化趋势如图3所示：当S为1 m×1 m时，随着H的增大，其梁底最高温度不断减小；当S为2 m×2 m、3 m×3 m、4 m×4 m，随着H的增大，梁底最高温度先增大后逐渐减小。温度变化趋势产生差异的原因是：由于大气环境中燃烧火焰的构造关系，其外焰温度>内焰温度>焰心温度，S相同时，火焰的高度不变。不同H下模拟的燃烧状态如图4所示，由图4(a)、图4(b)可见，当H小于外焰高度时，温度峰值与H成正相关；由图4(b)、图4(c)可见，一旦H大于外焰高度时，温度峰值与H成负相关。图3中S为5 m×5 m、6 m×6 m时，二者在图中曲线变化趋势几乎相同，梁底最高温度先不断增大，当H超过3 m时，温度随H的增大而缓慢上升。

图3 梁底最高温度变化图Fig.3 Diagram of the maximum temperature change at the beam bottom

图4 不同H下模拟的燃烧状态Fig. 4 Simulated combustion state under various H

2.2 梁底温度场半径

为了考察梁底温度场面积及高温区域整体分布状态，通过提取28个FDS模型的梁底温度场数据，采用可视化后处理软件Tecplot绘制出温度等值线云图分别如图5、图6所示。根据火焰构造关系，结合绘制的28副温度场分布云图可得出以下规律：当H小于外焰高度时，梁底各温度等值线往里收缩(如图5所示)；当H大于外焰高度时，梁底各温度等值线平滑呈近圆形(如图6所示)。可以看出，梁底温度场分布情况与梁高的关系密切。

参考《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS252: 2009)[23]中使混凝土受损的温度需高于300 ℃，统计28个模型中温度超过300 ℃的面积大小。根据梁底温度云图，各温度区域均为围绕梁底中心点的近圆形，可换算为圆形半径方便进行统计，H与S对应下温度超过300 ℃的温度分布半径如图7所示。需要注意的是，文中计算出的温度场半径是火灾燃烧1 000 s后的数值，如果火场燃烧物充足，超过1 000 s之后的热释放率仍保持最大值的话，相应的温度场半径也会随燃烧时间的增加而增大。

图5 H=2 m、S=2 m×2 m温度等值线云图Fig.5 H=2 m, S=2 m×2 m temperature cloud

图6 H=5 m、S=3 m×3 m温度等值线云图Fig.6 H=5 m, S=3 m×3 m temperature cloud

图7 H与S对应下高于300 ℃的温度分布半径Fig.7 Radius of temperature distribution greater than 300 ℃ for H and S

2.3 不同温度区间的梁底受损面积占比

桥梁火灾发展过程十分复杂，其结构损伤具有面积大、均匀化的特点。高温作用造成混凝土的性能损失和发生变形的主要原因是：水分蒸发后形成的内部空隙和裂缝；粗骨料和其周围水泥砂浆体的热工性能不协调，产生变形差和内应力，骨料本身的受热膨胀破裂等[24]。这些内部损伤的发展和积累随温度升高而更加严重。本文参照《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS252: 2009)[23]，根据梁底温度区间不同对梁底混凝土损伤状态进行评定，混凝土表面颜色、裂损剥落、锤击反应与温度的关系见表3。

表3 混凝土表面颜色、裂损剥落、锤击反应与温度的关系Tab.3 Relations between concrete surface color, cracking, peeling, hammering reaction and temperature

由表3可知：300～<500 ℃、500～<700 ℃区间的混凝土状态有较为明显的区分；而700～800 ℃、>800 ℃温度区间混凝土的表观状态、颜色及物理反应已经接近，且二者所占的温度区域面积较小，单独考虑意义不大，故而合为>700 ℃进行研究。将300～<500 ℃、500～700 ℃、>700 ℃分别简化为低、中、高温区。采用后处理软件Tecplot计算低温区、中温区、高温区的面积，并偏安全的对其面积占比进行了划分，梁底温度场低温区、中温区、高温区的占比见表4。

表4 梁底温度场低温区、中温区、高温区的占比Tab.4 The proportion of low, middle, and high-temperature area at the bottom of the beam

由于温度区间的面积会随火灾稳态燃烧阶段时间增加而增大，本文选择偏安全比例，各温度区间的面积占比可以划分为：低温区占55%，中温区占30%，高温区占15%。此温度区域占比使用前提：实际测得的梁高、火源面积的值需符合本文选取的梁高1～6 m与火源面积1～36 m2的范围，且对应表4中>700 ℃的占比不为0方可使用，若为0可通过表4查找对应的各温度区域占比。温度区域占比优势在于方便对火灾后混凝土梁桥的梁底温度区间面积进行估算。

3 火灾后桥梁安全初步评估方法

目前，火灾后桥梁结构损伤评估分为初步评估与详细评定2种，初步评估主要通过查起火原因、主要燃烧物、火灾持续时间、火灾燃烧残留物、起火位置和灭火方式等，了解火灾场景概况，初步划分火灾后结构构件损伤等级并鉴定结构安全性，为灾后的应急处置方案提供参考建议。《火灾后混凝土构件评定标准》(DBJ 08—219—1996)[25]和《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS252: 2009)[23]中火灾后混凝土梁初步鉴定评级标准及构件损伤状态划分等级，火灾后混凝土桥梁损伤初步评估标准见表5。如果火灾后梁底混凝土严重破损，且难以维修加固，此时该构件初步评估可评为Ⅳ类。

参考现行的火灾后建筑结构评定规范、标准，综合考虑桥梁火灾特点及灾后桥梁安全评估的实用性，建立了一套火灾后混凝土桥梁结构安全的初步评估流程，如图8所示。主要评估流程有：①判定主梁类型及火源燃烧类型是否相符；②确定受火桥梁H、S的数值及火灾持续时间；③根据H、S的数值，从本文图3、图7中提取对应的梁底中心测点温度及大于300 ℃的梁底温度场半径；④通过大于300 ℃的梁底温度场半径，按低温区占55%、中温区占30%、高温区占15%计算对应面积；⑤参考表3中各温度区间对混凝土的表观损伤状态，判定梁底混凝土表观损伤面积；⑥参考表5中初步评估标准，通过梁底中心测点温度及梁底混凝土表观损伤面积，对火灾后桥梁结构安全等级进行初步评估。

表5 火灾后混凝土桥梁损伤初步评估标准Tab.5 Preliminary assessment criteria for damage of concrete bridges after fire

各评定等级对应的处理建议如下：初步评估为Ⅱa的桥梁构件，可采取简单的维修加固措施；初步评估为Ⅱb、Ⅲ的桥梁构件，需进行详细评估，通过梁底温度场下钢筋、混凝土的材质性能损失，计算火灾后桥梁的承载能力，火灾后桥梁结构的详细检测评定主要参照公路桥梁承载能力评定规程执行，本文不再累述。本文提出的初步评估方法通过模拟桥下温度场，从理论上掌握火灾后桥梁的最高温度、受损范围、受损程度，指导现场检测方向和范围，可精准的判断灾后梁体的真实状况，为后续管养、维修、加固提供参考依据。

图8 火灾后桥梁安全初步评估流程Fig.8 Preliminary assessment process of fired bridge

4 实例对比分析

2015年申嘉湖高速公路S12湖州段K61+479.541分离立交桥下发生火灾，灾后检测报告现场调研图如图9所示，从发现火情至火焰扑灭历时约2 h。桥梁结构为4.0 m ×25.0 m预应力混凝土连续梁桥，桥梁全宽12.0 m。上部结构为现浇单箱双室预应力混凝土箱梁，梁高1.4 m。根据灾后检测报告，主要由堆积木材及纺织品废料燃烧起火引起多跨桥梁均遭受不同程度损伤，根据燃烧后桥梁状况推定第2跨H为3.0 m左右，S约为2.0 m×4.5 m，如图10(a)所示。文献[26]和相关检测报告[27]已做该预应力混凝土箱桥火灾后的检测和试验方面研究，作为本文温度场及评估等级对比。

(a) 桥梁发生火灾桥跨的侧面照

(b) 第2跨桥下残余燃烧物

(a) 梁底局部大面积混凝土脱落

(b) H=3 m、S=3×3 m2等值线温度云图

采用文中的火灾后桥梁安全初步评估方法对该受火桥梁的进行评估：该桥主梁类型及火源燃烧类型与本文研究内容相符；火场情况与本文研究的H=3 m、S=3 m×3 m较为吻合，且火灾持续时间大于15 min，因此第2跨的桥下火灾满足本文评估方法要求；图10所示为温度云图与实际梁底状况对比，图10(b)中火源对应的梁底位置呈现片区高温，与图10(a)中梁底局部大面积混凝土脱落对应；稳定燃烧阶段梁底中心测点的温度为1 000 ℃左右；>300 ℃区域半径为3.87 m；按照安全比例计算，中温区和高温区面积分别为14.12、7.06 m2；由表3可知，高温区梁底混凝土出现大面积脱落，中温区混凝土出现局部剥落，因此梁底混凝土脱落的总面积应大于7.06 m2；通过梁底所达到最高温度及梁底混凝土的表观损伤面积，参考表5中初步评估标准，对该受火桥梁结构安全等级初步评估为Ⅲ级，属于中度灼烧；建议进行详细评估计算其承载力下降程度，判断是否需要进行大维修或局部更换措施。本文评估结果与文献及检测报告结果对比见表6。

表6 本文评估结果与文献及检测报告结果对比Tab.6 Comparison between in-site inspection results and preliminary safety assessment

由于本文火源热释放率取为堆积木材或纺织类材料的最大值，同时各温度区域梁底影响范围占比也是偏安全的进行取值，所以得出梁底最高温度略微偏大，混凝土脱落面积相差较小，初步评估等级与检测报告及文献中评定等级相同。因此，本文评估方法可以用于实际检测进行初步评估，且为火灾后混凝土桥梁计算梁体内部材料性能及承载力下降程度提供合理的温度场数据支持。