桥下火灾对混凝土桥墩的影响研究

索晓庆，高 峰，张学富，李林杰

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

近年来桥梁火灾时有发生并有增多趋势[1-2]，桥下堆积物燃烧引发桥梁火灾是一种典型的桥梁火灾事故，如2016a国道324漳州段漳州大桥火灾事故[3]。桥梁下部结构遭受火灾后严重影响其承载力[4]且影响桥面交通安全。类似桥下堆积物引发的火灾具有难以发现、火势发展迅速且较大、持续时间长和难以扑灭等特点[5]。

根据《火灾后混凝土构件评定标准》[6](DBJ08-219-96)附录B可知，当火灾温度大于800℃后混凝土强度和承载力将严重降低。桥梁火灾后通常采用现场调查、试验检测等手段评判桥梁结构遭受破坏的严重程度[7-8]，部分桥梁也采用数值模拟的方法[9-10]对承载力进行评估。目前采取的方法并未考虑火灾燃烧时间和火灾过程对桥梁结构的影响，这必然会影响桥梁结构的加固方法和修复措施，因此有必要考虑桥梁火灾的时间效应。

火灾动力学模拟工具(fired dynamics simulator，FDS)常用于模拟火灾的燃烧过程[11]，有限元程序ANSYS[12]广泛用于分析热传递引起的固体内部温度场。本研究以某特大桥下堆积物燃烧发生火灾为背景，采用FDS模拟火灾发生过程，获得墩身表面的温度时空演化规律，在此基础上运用ANSYS分析墩身三维温度时空变化，研究火灾温度和持续时间对墩身表面温度和横截面方向内部温度的影响，并与现场调查结果进行比对，验证数值模拟的准确性，以期为类似桥梁火灾后结构评估和加固提供借鉴和参考。

1 工程概况

2016a 3月10日，某桥9#墩和10#墩之间堆放约1～1.5m高的三七专用遮阳网突然失火，火焰高度约6m。发现火灾5min后采取覆盖泥土和浇水等措施进行灭火，35min后消防车到场喷水灭火，50min后扑灭明火。

9#墩、10#墩为C35钢筋混凝土矩形空心桥墩，墩高分别为28m、29m，两墩中心距离为32m。桥墩墩顶、墩底分别设3m、1.5m实体段，墩顶处壁厚50cm，墩底壁厚分别为70cm、71cm，墩底尺寸为499cm×789cm、504cm×794cm。

2 计算参数和模型

2.1 计算参数

本文涉及FDS模拟燃烧过程与ANSYS模拟墩身温度时空演化，主要的计算参数包括火灾热释放速率与混凝土的热物理参数。

1)火灾热释放速率 本文将9#墩和10#墩之间的三七专用遮阳网可燃物简化为一个尺寸为27m(长)×8m(宽)×1.25m(高)的长方体遮阳网模型，简化依据是两墩中心距离、墩底部尺寸和遮阳网的高度。遮阳网的材质为聚氨酯，其密度大约为0.05g/cm3，燃烧热值约25MJ/kg。火灾大约持续了50min，根据公式(1)和(2)计算火源燃烧的平均热释放功率。

Q=ΔH·m

(1)

(2)

2)混凝土的热物理参数 依据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)确定钢筋混凝土桥墩的热物理参数，密度(ρ)为2 400kg/m3，导热系数(λ)为176.7w/(m·℃)，热熔(c)为2.304×106J/(m3·℃)。

2.2 计算模型

1)FDS模型 FDS模型网格为160×40×120(个)，总网格数量为768 000个，火源设置在两墩之间，火源面积尺寸为27m(X方向)×8m(Y方向)，X方向为顺桥向，Y方向为横桥向(见图1)。

图1 FDS模型 图2 ANSYS模型

2)ANSYS模型 火源在9#墩和10#墩之间且两墩高度相差1m，现场调查表明10#墩比9#墩受损更严重，故研究10#墩的墩身表面温度和墩身内部温度随时间变化规律。混凝土墩采用实体单元solid278模拟，模型共760个单元、1 448个节点(见图2)，将FDS计算的桥墩表面温度作为墩身温度边界条件施加。

3 结果分析

3.1 火灾温度分析

根据FDS软件模拟结果，从9#墩和10#墩之间纵桥向X=2.75m、X=29.25m墩身表面不同时刻温度分布图(见图3)可以看出，以10min为间隔，火灾过程中桥墩表面的最高温度出现在桥墩靠近火源一侧横截面的底部，最高温度达505℃。

(1) 10min (2) 30min (3) 50min

从9#墩和10#墩之间横桥向Y=0m墩身表面不同时刻温度分布(见图4)可以看出，桥墩底部的火焰最高温度约660℃，桥梁底部空气中的温度随着高度的增加而衰减，当到达桥梁顶部时，空气温度大约60℃。

(1) 10min (2) 30min (3) 50min

针对9#墩和10#墩火灾过程FDS数值模拟，并根据《火灾后混凝土构件评定标准》(DBJ08-219-96)判定此次火灾温度属于450～700℃范围，此时角部混凝土爆裂剥落，角部开裂并出现裂缝，部分部位露筋，这与现场调查结果较接近，验证了FDS参数取值和数值模拟的准确性。

3.2 墩身表面温度分析

本文借助FDS模拟的火灾过程中桥墩表面周围的温度场分布结果，利用ANSYS软件分析桥墩墩身表面温度和横截面内部温度随时间的变化规律。

1)墩身四周表面温度分布 火灾对10#墩墩身不同侧面影响程度均不同，进而墩身4个侧面温度分布也不同(见图5)。火源侧和左侧受火灾的影响较大，火源侧温度明显高于左侧温度，同时墩身表面温度分布呈“中间高两边低”火焰形状。其余两个侧面受火灾影响较小，墩身温度随时间变化起伏不大。

(1) 10min (2) 30min (3) 50min

2)墩身火源侧表面温度分布 选取10#墩火源侧表面温度分布情况进行分析，由图6可知，首先火源侧墩身表面温度随着时间发生变化；其次温度等值线形状与火焰形状类似，3m以下在墩表面中心线附近为高温集中区，最高温度达到800℃以上。墩身3～6m范围内在墩表面中心线临近区域的最高度约700℃，大于300℃的范围集中在墩身高度9m以下。

以5min为时间间隔，分析10#墩墩身表面火源侧最大温度(Tmax)变化规律，如图7所示，10#墩墩身温度随时间变化无明显规律，温度最大值均在820℃以上， 最高可达904.3℃。 由此可见火灾时10#墩墩身温度较高，火灾对桥墩的损害较大。

图7 Tmax随时间变化图

3)受损范围分析 由于对于温度大于800℃的混凝土无论怎么冷却，其强度降低幅度非常大，不能按照正常状态工作，故本文选取10#墩身表面温度大于800℃的受损范围进行分析。

由表1可知，火源侧墩身表面温度大于800℃的受损范围随时间变化无明显规律，第5min时，S800℃值约1.2m2；在10～25min之间S800℃变化幅度不大；随着燃烧持续，S800℃逐渐增大，在35min时，S800℃达到最大值约5.2m2；随后35～45min时，S800℃变化幅度不大；在50min时S800℃减少至约2.7m2。总体来看，S800℃随时间变化与燃烧过程能量释放基本一致，局部有波动是真实反映。温度大于800℃的受损范围的宽度(w)和高度(h2)的最大值分别为2.9m和2.5m，最小值分别为1.0m和1.1m， 平均值为2.3m和1.9m。 同时， 随着火灾时间的持续， 墩身表面温度大于800 ℃的受损面积(S800℃)的变化波动性较明显， 墩身表面温度大于800℃的受损范围的宽度(w)和高度(h2)的变化波动性较小， 受损面积的影响的最大因素是受损宽度。

表1 火源侧墩身表面温度大于800℃的范围

3.3 墩身横截面方向内部温度分析

根据桥墩构造和受力的要求，桥墩设计为钢筋混凝土矩形空心墩，沿着墩高方向，桥墩壁厚是变化的，不同壁厚的钢筋混凝土构件抵抗火灾的能力是不同的，故以10min为间隔研究10#墩身厚度方向温度变化规律。

1)墩身内部温度大于100℃的壁厚 ANSYS仿真分析中发现，10#墩身小里程侧和左侧均出现温度大于100℃情况，有必要对这两个侧面的墩身壁厚(b100℃)与内部温度大于100℃的桥墩高度(H100℃)变化规律进行研究，图8中纵坐标为内部温度大于100℃的壁厚(b100℃)与墩身壁厚(b)的比值,横坐标为相应位置的桥墩高度(H100℃)。

(1) 10min (2) 30min (3) 50min

图9 H 100℃随时间变化图

4 结论及展望

对火灾过程墩身表面温度场和墩身横截面方向内部温度场进行分析，并与火灾后桥墩现场调查结果对比，可得出如下结论：

(1)在火灾过程中，采用FDS模拟燃烧过程获得不同时刻墩身表面温度分布规律，利用ANSYS中的热分析模块研究墩身横截面温度随时间变化规律。通过对比《火灾后混凝土构件评定标准》(DBJ08-219-96)中附录B“火灾后混凝土构件外观特征”与火灾后现场调查结果，验证了本文采用的模拟方法的正确性和合理性，对其他类似工程有一定的借鉴意义；

(2)火灾温度和火灾过程影响着火灾后桥梁结构的状态评估，墩身表面温度分布和墩身横截面温度分布随着时间发生变化较为复杂，需要通过反复计算，并与火灾现场结果核实后采取合理的修复加固措施；

(3)制定桥墩火灾加固措施时，不仅需要根据现场检测结果(墩身外观情况、墩身表面混凝土受损的范围、墩身混凝土强度沿墩壁厚度方向变化情况、混凝土强度检测)和结构承载力的验算结果，而且建议增加考虑墩身表面温度变化和墩身横截面内部温度变化对结构的影响。

本文对火灾燃烧时长和燃烧消耗的聚氨酯质量是根据火灾事故情况进行推测的，无法精确测量，所以模拟过程中设置的火灾热释放速率是一个估计值。今后可以考虑通过火灾试验，精确测量火灾的燃料质量消耗率，进而得到精确的火灾热释放速率。