劉旭政，李任福，余晨曦，郭河

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 江西 南昌 330013；2.杭州市丁橋醫(yī)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.中交路橋工程檢測(cè)股份有限公司, 北京 101301)

0 引言

隨著我國(guó)公路橋梁事業(yè)的迅速發(fā)展，由人為或環(huán)境因素引發(fā)的橋梁火災(zāi)事故也越來越多。橋梁火災(zāi)往往給橋梁帶來了較大的損壞，嚴(yán)重時(shí)引起橋梁垮塌，給人們生命及財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大的損失。據(jù)美國(guó)聯(lián)邦交通委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，因火災(zāi)而導(dǎo)致的橋梁損傷數(shù)量約為地震引發(fā)橋梁損傷數(shù)量的3倍[1]。2018年4月，湖北省隨州市廣水南立交橋因橋下商店大火，導(dǎo)致梁體嚴(yán)重受損；2018年7月，四川省成都市繞城高速府河大橋橋下違規(guī)搭建的板房倉庫突發(fā)火災(zāi)，造成梁底混凝土開裂剝落、鋼筋外露，并封閉大橋進(jìn)行交通管制?；馂?zāi)對(duì)橋梁管養(yǎng)和交通安全運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重威脅。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷的常規(guī)檢測(cè)及評(píng)估方法開展了相關(guān)研究。Lattimer等[2]、Woodworth[3]考慮了橋梁火災(zāi)的火源位置、大小、通風(fēng)條件對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，采用CFD數(shù)值模擬方法研究受火鋼橋以及組合橋的破壞特征，火源處于跨中位置處時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變形最嚴(yán)重。Alos-moya等[4]基于流體動(dòng)力學(xué)軟件FDS，模擬了美國(guó)伯明翰的I65高速立交橋的火災(zāi)過程，同時(shí)對(duì)火災(zāi)高溫后立交橋采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并將數(shù)值模擬結(jié)果與檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性。Peris-sayol等[5]通過數(shù)值模型分析油罐車火災(zāi)下的橋梁響應(yīng)，闡釋了火災(zāi)位置、橋梁構(gòu)造以及風(fēng)速對(duì)橋梁響應(yīng)的影響。張崗等[6-7]對(duì)受火橋梁進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，通過高溫輻射及熱傳導(dǎo)理論，對(duì)火災(zāi)下簡(jiǎn)支梁的高溫場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了火災(zāi)下混凝土橋梁的變形及承載能力的變化規(guī)律。杜紅秀等[8]采用紅外線檢測(cè)技術(shù)對(duì)受火混凝土試件進(jìn)行測(cè)試。吳慧萍等[9]研究了構(gòu)件的實(shí)際受火溫度與紅外線熱成像的對(duì)應(yīng)關(guān)系。謝正良等[10]通過逐層回彈法、逐層深入檢測(cè)法應(yīng)用于火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的實(shí)際檢測(cè)。唐鵬等[11]基于火災(zāi)溫度公式、表面顏色判定的火災(zāi)高溫溫度的快速推定，提供了小型橋梁在發(fā)生火災(zāi)后快速科學(xué)評(píng)估的方法。

現(xiàn)有的研究對(duì)于受火橋梁溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算多針對(duì)某一特定火場(chǎng)，災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過度依賴于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷[12]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)尚無可用于受火橋梁檢測(cè)及評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，缺乏對(duì)火災(zāi)后的橋梁損傷研究和評(píng)估方法的系統(tǒng)研究。一旦橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)，管養(yǎng)單位難以快速掌握橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，檢測(cè)單位也缺乏可參考的檢測(cè)、評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，因此建立火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)安全快速評(píng)估方法具有較好的理論意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。本文基于流體動(dòng)力學(xué)軟件(fire dynamic simulation，F(xiàn)DS)，考慮了不同火源面積和梁底距燃燒物高度對(duì)于梁底溫度場(chǎng)的影響；依據(jù)不同的受火溫度區(qū)間，對(duì)梁底受影響區(qū)域進(jìn)行了劃分，建立了一套火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)安全初步評(píng)估方法；最后以某實(shí)際受火橋梁為例，對(duì)比分析了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果與本文提出的安全初步評(píng)估結(jié)果。

1 數(shù)值分析模型建立

FDS軟件是美國(guó)聯(lián)邦建筑與火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室(BFRL)開發(fā)的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，能夠計(jì)算壓力、溫度場(chǎng)、密度、火災(zāi)熱釋放速率以及煙氣蔓延等物理量場(chǎng)分布，受到國(guó)內(nèi)外抗火研究學(xué)者的青睞，諸多橋梁抗火研究學(xué)者利用FDS軟件模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了該軟件在橋梁火災(zāi)模擬中的適用性、準(zhǔn)確性。目前主要使用Pyrosim作為建模工具，本文通過Pyrosim進(jìn)行建模，根據(jù)以下步驟建立FDS有限元計(jì)算模型：①設(shè)置模擬空間，該網(wǎng)格內(nèi)包含三維受火模型；②劃分空間內(nèi)網(wǎng)格，確定邊界條件及通風(fēng)口；③設(shè)定材料屬性(電導(dǎo)率、密度、比熱和發(fā)射率)；④建立網(wǎng)格內(nèi)火源模型，設(shè)定火源類型及面積；⑤受火模型上布置切片、測(cè)點(diǎn)，讀取計(jì)算溫度。

1.1 FDS模型建立

目前，因?yàn)閲?guó)內(nèi)中小跨徑橋梁常用主梁形式為空心板梁、小箱梁以及T梁3類，其中空心板梁、小箱梁占比很大。對(duì)于梁底表面溫度場(chǎng)計(jì)算來說，箱型梁與空心板梁的梁底構(gòu)造均為一塊平板，橋下火災(zāi)對(duì)這2類梁底溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果是一致的，本文主要研究這2類主梁的橋下火災(zāi)溫度場(chǎng)。文中以一座長(zhǎng)20 m、寬10 m的標(biāo)準(zhǔn)混凝土空心板梁進(jìn)行建模計(jì)算，考慮了不同火源面積S和梁底距燃燒物高度H對(duì)于梁底溫度場(chǎng)的影響，H分別取1、2、3、4、5、6 m。文中H取值上限為6 m，這是考慮到對(duì)于本文研究的堆積木材或紡織物燃燒，高度超過6 m時(shí)梁底溫度不高，對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響很??；同時(shí)，在H取值不變時(shí)，S超過臨界值后對(duì)梁底最高溫度影響很小，因此，S的取值依據(jù)H的大小來選定，各計(jì)算參數(shù)的取值范圍見表1。計(jì)算參數(shù)的選取基本涵蓋了絕大多數(shù)發(fā)生橋下火災(zāi)的火場(chǎng)情況。FDS建模需要設(shè)置計(jì)算區(qū)域V，該計(jì)算區(qū)域要能包含所建的模型。由表1可得各計(jì)算模型的H、S、V參數(shù)設(shè)置值。

表1 各計(jì)算參數(shù)的取值范圍

理論上，網(wǎng)格劃分越細(xì)，煙氣的擴(kuò)散場(chǎng)景與實(shí)際越接近，F(xiàn)DS火災(zāi)模擬結(jié)果越精確，但網(wǎng)格過多無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算以及考慮資源與準(zhǔn)確率相匹配，只能在模型精度和計(jì)算機(jī)性能之間取平衡點(diǎn)。根據(jù)Mcgrattan等[13]提出的網(wǎng)格劃分方法火源特征直徑尺寸D*可由式(1)計(jì)算得出，綜合考慮計(jì)算時(shí)長(zhǎng)和計(jì)算精度[14-15]，本文計(jì)算區(qū)域劃分的網(wǎng)格尺寸均設(shè)為0.2 m×0.2 m×0.2 m。

(1)

式中：D*為火災(zāi)特征直徑，m；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速，m/s2；Q為總熱釋放速率，kW；Cp為環(huán)境空氣比熱，kJ/(kg·K)。

1.2 火源的設(shè)定

火災(zāi)在燃燒過程中經(jīng)歷增長(zhǎng)階段、穩(wěn)態(tài)燃燒階段、減弱階段[16]，本文研究的是火災(zāi)導(dǎo)致橋梁損傷所達(dá)到的最高溫度場(chǎng)以及最大破壞程度，因此只對(duì)燃燒過程的增長(zhǎng)階段和穩(wěn)態(tài)燃燒階段進(jìn)行分析。根據(jù)Loennermark等[17]的火災(zāi)熱釋放理論，將火災(zāi)熱釋放模型分為3種，即線性增長(zhǎng)模型、平方增長(zhǎng)模型[18]、指數(shù)增長(zhǎng)模型，由于平方增長(zhǎng)模型形式簡(jiǎn)單，可方便應(yīng)用于實(shí)際火場(chǎng)的計(jì)算，因此本文采用平方增長(zhǎng)模型，其函數(shù)形式為

(2)

式中:α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW/s2；t為火災(zāi)發(fā)展時(shí)間，s；tmax為火災(zāi)達(dá)到最大熱釋放率的時(shí)間；Qmax為火災(zāi)最大熱釋放率，kW；td為維持最大熱釋放率的時(shí)間，s。

火災(zāi)發(fā)展系數(shù)表征火災(zāi)蔓延的快慢，根據(jù)美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA(national fire protection association)的分類，火災(zāi)發(fā)展速率可分為極快、快速、中等和緩慢4種類型，火災(zāi)發(fā)展系數(shù)與NFPA標(biāo)準(zhǔn)中典型可燃物燃燒的取值見表2。

表2 典型可燃物燃燒的取值Tab.2 Value of typical combustibles

自然環(huán)境中橋梁發(fā)生火災(zāi)的燃燒過程復(fù)雜，火源燃燒物形式多樣，橋下火災(zāi)絕大部分的是由于橋下堆積物發(fā)生火災(zāi)(木材、紡織品等)以及部分橋下作業(yè)空間發(fā)生火災(zāi)(橋下違章建筑、停車場(chǎng)等)[19]。堆積木材或紡織類材料在炎熱大氣環(huán)境中具有易發(fā)生自燃、燃燒速率快、且橋下通常大量廢棄材料堆積的特點(diǎn)。因此，本文研究火源燃燒物材料為堆積木材或紡織類材料燃燒，根據(jù)表2中這類材料的火災(zāi)增長(zhǎng)分級(jí)為快速火，α取值為0.046 89。

Qmax=A×Hrrp=α·t2，

(3)

式中：A為火源燃燒物所占的面積，m2；Hrrp為單位面積熱釋放速率，kW/m2。

圖1 FDS運(yùn)算模型Fig.1 FDS calculation model

由式(3)可知，Hrrp的確定是火災(zāi)增長(zhǎng)定義中的關(guān)鍵。美國(guó)消防手冊(cè)SFPE及相關(guān)文獻(xiàn)[20-22]中定義堆積木材或紡織類材料的Hrrp取值范圍應(yīng)為500～1 000 kW/m2，本文偏安全考慮取單位面積熱釋放速率為1 000 kW/m2，環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃。在實(shí)際橋下火災(zāi)環(huán)境中，由于燃燒物總量、火災(zāi)減弱時(shí)間難以計(jì)算，以及火源材料的火災(zāi)增長(zhǎng)分級(jí)為快速火，因此本文綜合考慮橋下火災(zāi)情況。假設(shè)火災(zāi)熱釋放率達(dá)到最大值后，短時(shí)間內(nèi)保持為穩(wěn)定階段，運(yùn)行時(shí)間擬定為1 000 s。公路橋梁受火一般均處于開放環(huán)境中，模型邊界條件設(shè)為五面通風(fēng)口，底面設(shè)為惰性表面，F(xiàn)DS運(yùn)算模型如圖1所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 梁底中心測(cè)點(diǎn)溫度

梁底溫度是通過在FDS模型中布置測(cè)點(diǎn)和切片來獲取計(jì)算結(jié)果。在H分別為1、2、3、4、5、6 m時(shí)，不同S、H下的梁底中心測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線如圖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

根據(jù)FDS計(jì)算結(jié)果，在不同的H下，當(dāng)S超出臨界面積后，中心測(cè)點(diǎn)的溫度與S大小無關(guān)。例如，圖2(e)中當(dāng)S小于4 m×4 m時(shí)，中心測(cè)點(diǎn)溫度與S成正相關(guān)；而當(dāng)S超出臨界面積4 m×4 m后，中心測(cè)點(diǎn)的溫度與S大小無關(guān)(穩(wěn)定在1 000 ℃左右)。產(chǎn)生原因是：因?yàn)楸疚倪x取的火源材料類型是固定的，依據(jù)式(3)可知，S值增大，只是間接增大了熱釋放速率以及火焰的高度，而木材及紡織類材料燃燒的火焰所能達(dá)到最高溫度是不變的，所以導(dǎo)致上述現(xiàn)象產(chǎn)生。此外，當(dāng)中心測(cè)點(diǎn)的溫度達(dá)到最大值，即穩(wěn)定燃燒階段時(shí)，火災(zāi)熱釋放速率達(dá)到最大值，火源燃燒物傳遞給梁板的熱量值無明顯變化，梁底中心測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間增加在穩(wěn)定線上下短頻波動(dòng)。

不同S下的H與梁底中心測(cè)點(diǎn)最高溫度變化趨勢(shì)如圖3所示：當(dāng)S為1 m×1 m時(shí)，隨著H的增大，其梁底最高溫度不斷減??；當(dāng)S為2 m×2 m、3 m×3 m、4 m×4 m，隨著H的增大，梁底最高溫度先增大后逐漸減小。溫度變化趨勢(shì)產(chǎn)生差異的原因是：由于大氣環(huán)境中燃燒火焰的構(gòu)造關(guān)系，其外焰溫度>內(nèi)焰溫度>焰心溫度，S相同時(shí)，火焰的高度不變。不同H下模擬的燃燒狀態(tài)如圖4所示，由圖4(a)、圖4(b)可見，當(dāng)H小于外焰高度時(shí)，溫度峰值與H成正相關(guān)；由圖4(b)、圖4(c)可見，一旦H大于外焰高度時(shí)，溫度峰值與H成負(fù)相關(guān)。圖3中S為5 m×5 m、6 m×6 m時(shí)，二者在圖中曲線變化趨勢(shì)幾乎相同，梁底最高溫度先不斷增大，當(dāng)H超過3 m時(shí)，溫度隨H的增大而緩慢上升。

圖3 梁底最高溫度變化圖Fig.3 Diagram of the maximum temperature change at the beam bottom

圖4 不同H下模擬的燃燒狀態(tài)Fig. 4 Simulated combustion state under various H

2.2 梁底溫度場(chǎng)半徑

為了考察梁底溫度場(chǎng)面積及高溫區(qū)域整體分布狀態(tài)，通過提取28個(gè)FDS模型的梁底溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用可視化后處理軟件Tecplot繪制出溫度等值線云圖分別如圖5、圖6所示。根據(jù)火焰構(gòu)造關(guān)系，結(jié)合繪制的28副溫度場(chǎng)分布云圖可得出以下規(guī)律：當(dāng)H小于外焰高度時(shí)，梁底各溫度等值線往里收縮(如圖5所示)；當(dāng)H大于外焰高度時(shí)，梁底各溫度等值線平滑呈近圓形(如圖6所示)?？梢钥闯?，梁底溫度場(chǎng)分布情況與梁高的關(guān)系密切。

參考《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS252: 2009)[23]中使混凝土受損的溫度需高于300 ℃，統(tǒng)計(jì)28個(gè)模型中溫度超過300 ℃的面積大小。根據(jù)梁底溫度云圖，各溫度區(qū)域均為圍繞梁底中心點(diǎn)的近圓形，可換算為圓形半徑方便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，H與S對(duì)應(yīng)下溫度超過300 ℃的溫度分布半徑如圖7所示。需要注意的是，文中計(jì)算出的溫度場(chǎng)半徑是火災(zāi)燃燒1 000 s后的數(shù)值，如果火場(chǎng)燃燒物充足，超過1 000 s之后的熱釋放率仍保持最大值的話，相應(yīng)的溫度場(chǎng)半徑也會(huì)隨燃燒時(shí)間的增加而增大。

圖5 H=2 m、S=2 m×2 m溫度等值線云圖Fig.5 H=2 m, S=2 m×2 m temperature cloud

圖6 H=5 m、S=3 m×3 m溫度等值線云圖Fig.6 H=5 m, S=3 m×3 m temperature cloud

圖7 H與S對(duì)應(yīng)下高于300 ℃的溫度分布半徑Fig.7 Radius of temperature distribution greater than 300 ℃ for H and S

2.3 不同溫度區(qū)間的梁底受損面積占比

橋梁火災(zāi)發(fā)展過程十分復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)損傷具有面積大、均勻化的特點(diǎn)。高溫作用造成混凝土的性能損失和發(fā)生變形的主要原因是：水分蒸發(fā)后形成的內(nèi)部空隙和裂縫；粗骨料和其周圍水泥砂漿體的熱工性能不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生變形差和內(nèi)應(yīng)力，骨料本身的受熱膨脹破裂等[24]。這些內(nèi)部損傷的發(fā)展和積累隨溫度升高而更加嚴(yán)重。本文參照《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS252: 2009)[23]，根據(jù)梁底溫度區(qū)間不同對(duì)梁底混凝土損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定，混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應(yīng)與溫度的關(guān)系見表3。

表3 混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應(yīng)與溫度的關(guān)系Tab.3 Relations between concrete surface color, cracking, peeling, hammering reaction and temperature

由表3可知：300～<500 ℃、500～<700 ℃區(qū)間的混凝土狀態(tài)有較為明顯的區(qū)分；而700～800 ℃、>800 ℃溫度區(qū)間混凝土的表觀狀態(tài)、顏色及物理反應(yīng)已經(jīng)接近，且二者所占的溫度區(qū)域面積較小，單獨(dú)考慮意義不大，故而合為>700 ℃進(jìn)行研究。將300～<500 ℃、500～700 ℃、>700 ℃分別簡(jiǎn)化為低、中、高溫區(qū)。采用后處理軟件Tecplot計(jì)算低溫區(qū)、中溫區(qū)、高溫區(qū)的面積，并偏安全的對(duì)其面積占比進(jìn)行了劃分，梁底溫度場(chǎng)低溫區(qū)、中溫區(qū)、高溫區(qū)的占比見表4。

表4 梁底溫度場(chǎng)低溫區(qū)、中溫區(qū)、高溫區(qū)的占比Tab.4 The proportion of low, middle, and high-temperature area at the bottom of the beam

由于溫度區(qū)間的面積會(huì)隨火災(zāi)穩(wěn)態(tài)燃燒階段時(shí)間增加而增大，本文選擇偏安全比例，各溫度區(qū)間的面積占比可以劃分為：低溫區(qū)占55%，中溫區(qū)占30%，高溫區(qū)占15%。此溫度區(qū)域占比使用前提：實(shí)際測(cè)得的梁高、火源面積的值需符合本文選取的梁高1～6 m與火源面積1～36 m2的范圍，且對(duì)應(yīng)表4中>700 ℃的占比不為0方可使用，若為0可通過表4查找對(duì)應(yīng)的各溫度區(qū)域占比。溫度區(qū)域占比優(yōu)勢(shì)在于方便對(duì)火災(zāi)后混凝土梁橋的梁底溫度區(qū)間面積進(jìn)行估算。

3 火災(zāi)后橋梁安全初步評(píng)估方法

目前，火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估分為初步評(píng)估與詳細(xì)評(píng)定2種，初步評(píng)估主要通過查起火原因、主要燃燒物、火災(zāi)持續(xù)時(shí)間、火災(zāi)燃燒殘留物、起火位置和滅火方式等，了解火災(zāi)場(chǎng)景概況，初步劃分火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷等級(jí)并鑒定結(jié)構(gòu)安全性，為災(zāi)后的應(yīng)急處置方案提供參考建議。《火災(zāi)后混凝土構(gòu)件評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ 08—219—1996)[25]和《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS252: 2009)[23]中火災(zāi)后混凝土梁初步鑒定評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及構(gòu)件損傷狀態(tài)劃分等級(jí)，火災(zāi)后混凝土橋梁損傷初步評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)見表5。如果火災(zāi)后梁底混凝土嚴(yán)重破損，且難以維修加固，此時(shí)該構(gòu)件初步評(píng)估可評(píng)為Ⅳ類。

參考現(xiàn)行的火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)評(píng)定規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮橋梁火災(zāi)特點(diǎn)及災(zāi)后橋梁安全評(píng)估的實(shí)用性，建立了一套火災(zāi)后混凝土橋梁結(jié)構(gòu)安全的初步評(píng)估流程，如圖8所示。主要評(píng)估流程有：①判定主梁類型及火源燃燒類型是否相符；②確定受火橋梁H、S的數(shù)值及火災(zāi)持續(xù)時(shí)間；③根據(jù)H、S的數(shù)值，從本文圖3、圖7中提取對(duì)應(yīng)的梁底中心測(cè)點(diǎn)溫度及大于300 ℃的梁底溫度場(chǎng)半徑；④通過大于300 ℃的梁底溫度場(chǎng)半徑，按低溫區(qū)占55%、中溫區(qū)占30%、高溫區(qū)占15%計(jì)算對(duì)應(yīng)面積；⑤參考表3中各溫度區(qū)間對(duì)混凝土的表觀損傷狀態(tài)，判定梁底混凝土表觀損傷面積；⑥參考表5中初步評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，通過梁底中心測(cè)點(diǎn)溫度及梁底混凝土表觀損傷面積，對(duì)火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)安全等級(jí)進(jìn)行初步評(píng)估。

表5 火災(zāi)后混凝土橋梁損傷初步評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Preliminary assessment criteria for damage of concrete bridges after fire

各評(píng)定等級(jí)對(duì)應(yīng)的處理建議如下：初步評(píng)估為Ⅱa的橋梁構(gòu)件，可采取簡(jiǎn)單的維修加固措施；初步評(píng)估為Ⅱb、Ⅲ的橋梁構(gòu)件，需進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，通過梁底溫度場(chǎng)下鋼筋、混凝土的材質(zhì)性能損失，計(jì)算火災(zāi)后橋梁的承載能力，火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)的詳細(xì)檢測(cè)評(píng)定主要參照公路橋梁承載能力評(píng)定規(guī)程執(zhí)行，本文不再累述。本文提出的初步評(píng)估方法通過模擬橋下溫度場(chǎng)，從理論上掌握火災(zāi)后橋梁的最高溫度、受損范圍、受損程度，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方向和范圍，可精準(zhǔn)的判斷災(zāi)后梁體的真實(shí)狀況，為后續(xù)管養(yǎng)、維修、加固提供參考依據(jù)。

圖8 火災(zāi)后橋梁安全初步評(píng)估流程Fig.8 Preliminary assessment process of fired bridge

4 實(shí)例對(duì)比分析

2015年申嘉湖高速公路S12湖州段K61+479.541分離立交橋下發(fā)生火災(zāi)，災(zāi)后檢測(cè)報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研圖如圖9所示，從發(fā)現(xiàn)火情至火焰撲滅歷時(shí)約2 h。橋梁結(jié)構(gòu)為4.0 m ×25.0 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，橋梁全寬12.0 m。上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高1.4 m。根據(jù)災(zāi)后檢測(cè)報(bào)告，主要由堆積木材及紡織品廢料燃燒起火引起多跨橋梁均遭受不同程度損傷，根據(jù)燃燒后橋梁狀況推定第2跨H為3.0 m左右，S約為2.0 m×4.5 m，如圖10(a)所示。文獻(xiàn)[26]和相關(guān)檢測(cè)報(bào)告[27]已做該預(yù)應(yīng)力混凝土箱橋火災(zāi)后的檢測(cè)和試驗(yàn)方面研究，作為本文溫度場(chǎng)及評(píng)估等級(jí)對(duì)比。

(a) 橋梁發(fā)生火災(zāi)橋跨的側(cè)面照

(b) 第2跨橋下殘余燃燒物

(a) 梁底局部大面積混凝土脫落

(b) H=3 m、S=3×3 m2等值線溫度云圖

采用文中的火災(zāi)后橋梁安全初步評(píng)估方法對(duì)該受火橋梁的進(jìn)行評(píng)估：該橋主梁類型及火源燃燒類型與本文研究?jī)?nèi)容相符；火場(chǎng)情況與本文研究的H=3 m、S=3 m×3 m較為吻合，且火災(zāi)持續(xù)時(shí)間大于15 min，因此第2跨的橋下火災(zāi)滿足本文評(píng)估方法要求；圖10所示為溫度云圖與實(shí)際梁底狀況對(duì)比，圖10(b)中火源對(duì)應(yīng)的梁底位置呈現(xiàn)片區(qū)高溫，與圖10(a)中梁底局部大面積混凝土脫落對(duì)應(yīng)；穩(wěn)定燃燒階段梁底中心測(cè)點(diǎn)的溫度為1 000 ℃左右；>300 ℃區(qū)域半徑為3.87 m；按照安全比例計(jì)算，中溫區(qū)和高溫區(qū)面積分別為14.12、7.06 m2；由表3可知，高溫區(qū)梁底混凝土出現(xiàn)大面積脫落，中溫區(qū)混凝土出現(xiàn)局部剝落，因此梁底混凝土脫落的總面積應(yīng)大于7.06 m2；通過梁底所達(dá)到最高溫度及梁底混凝土的表觀損傷面積，參考表5中初步評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該受火橋梁結(jié)構(gòu)安全等級(jí)初步評(píng)估為Ⅲ級(jí)，屬于中度灼燒；建議進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估計(jì)算其承載力下降程度，判斷是否需要進(jìn)行大維修或局部更換措施。本文評(píng)估結(jié)果與文獻(xiàn)及檢測(cè)報(bào)告結(jié)果對(duì)比見表6。

表6 本文評(píng)估結(jié)果與文獻(xiàn)及檢測(cè)報(bào)告結(jié)果對(duì)比Tab.6 Comparison between in-site inspection results and preliminary safety assessment

由于本文火源熱釋放率取為堆積木材或紡織類材料的最大值，同時(shí)各溫度區(qū)域梁底影響范圍占比也是偏安全的進(jìn)行取值，所以得出梁底最高溫度略微偏大，混凝土脫落面積相差較小，初步評(píng)估等級(jí)與檢測(cè)報(bào)告及文獻(xiàn)中評(píng)定等級(jí)相同。因此，本文評(píng)估方法可以用于實(shí)際檢測(cè)進(jìn)行初步評(píng)估，且為火災(zāi)后混凝土橋梁計(jì)算梁體內(nèi)部材料性能及承載力下降程度提供合理的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)語

① 不同的梁底距燃燒物高度下，當(dāng)火源面積超出其臨界面積后，中心測(cè)點(diǎn)的溫度與火源面積大小無關(guān)。由于大氣環(huán)境中燃燒火焰的自身構(gòu)造使得梁底最高溫度與橋下火源各層焰火的燃燒高度有關(guān)，使得不同火源面積下的梁底距燃燒物高度與梁底最高溫度變化趨勢(shì)并不統(tǒng)一。

② 根據(jù)梁底溫度范圍將受火區(qū)域劃分為低溫區(qū)、中溫區(qū)和高溫區(qū)，各溫度區(qū)的面積占比可偏安全地劃分為55%、30%和15%，該范圍劃分可適用于絕大部分的橋下火災(zāi)。

③ 綜合考慮橋梁火災(zāi)特點(diǎn)及災(zāi)后橋梁安全評(píng)估的實(shí)用性，建立了一套火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)安全的初步評(píng)估方法。以某實(shí)際受火橋梁為例，將該橋的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果與本文的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文提出的火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)安全初步評(píng)估方法的有效性。

④ 本文考慮的是堆積木材或紡織類材料燃燒對(duì)于箱型梁與空心板梁的安全評(píng)估影響，對(duì)于其他類型的燃燒物及主梁形式，后續(xù)還應(yīng)深入進(jìn)行研究，以擴(kuò)展本文研究結(jié)果的適應(yīng)性。