索曉慶，高 峰，張學(xué)富，李林杰

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

近年來橋梁火災(zāi)時(shí)有發(fā)生并有增多趨勢(shì)[1-2]，橋下堆積物燃燒引發(fā)橋梁火災(zāi)是一種典型的橋梁火災(zāi)事故，如2016a國道324漳州段漳州大橋火災(zāi)事故[3]。橋梁下部結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)后嚴(yán)重影響其承載力[4]且影響橋面交通安全。類似橋下堆積物引發(fā)的火災(zāi)具有難以發(fā)現(xiàn)、火勢(shì)發(fā)展迅速且較大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)和難以撲滅等特點(diǎn)[5]。

根據(jù)《火災(zāi)后混凝土構(gòu)件評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[6](DBJ08-219-96)附錄B可知，當(dāng)火災(zāi)溫度大于800℃后混凝土強(qiáng)度和承載力將嚴(yán)重降低。橋梁火災(zāi)后通常采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、試驗(yàn)檢測(cè)等手段評(píng)判橋梁結(jié)構(gòu)遭受破壞的嚴(yán)重程度[7-8]，部分橋梁也采用數(shù)值模擬的方法[9-10]對(duì)承載力進(jìn)行評(píng)估。目前采取的方法并未考慮火災(zāi)燃燒時(shí)間和火災(zāi)過程對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，這必然會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的加固方法和修復(fù)措施，因此有必要考慮橋梁火災(zāi)的時(shí)間效應(yīng)。

火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬工具(fired dynamics simulator，F(xiàn)DS)常用于模擬火災(zāi)的燃燒過程[11]，有限元程序ANSYS[12]廣泛用于分析熱傳遞引起的固體內(nèi)部溫度場(chǎng)。本研究以某特大橋下堆積物燃燒發(fā)生火災(zāi)為背景，采用FDS模擬火災(zāi)發(fā)生過程，獲得墩身表面的溫度時(shí)空演化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用ANSYS分析墩身三維溫度時(shí)空變化，研究火災(zāi)溫度和持續(xù)時(shí)間對(duì)墩身表面溫度和橫截面方向內(nèi)部溫度的影響，并與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，以期為類似橋梁火災(zāi)后結(jié)構(gòu)評(píng)估和加固提供借鑒和參考。

1 工程概況

2016a 3月10日，某橋9#墩和10#墩之間堆放約1～1.5m高的三七專用遮陽網(wǎng)突然失火，火焰高度約6m。發(fā)現(xiàn)火災(zāi)5min后采取覆蓋泥土和澆水等措施進(jìn)行滅火，35min后消防車到場(chǎng)噴水滅火，50min后撲滅明火。

9#墩、10#墩為C35鋼筋混凝土矩形空心橋墩，墩高分別為28m、29m，兩墩中心距離為32m。橋墩墩頂、墩底分別設(shè)3m、1.5m實(shí)體段，墩頂處壁厚50cm，墩底壁厚分別為70cm、71cm，墩底尺寸為499cm×789cm、504cm×794cm。

2 計(jì)算參數(shù)和模型

2.1 計(jì)算參數(shù)

本文涉及FDS模擬燃燒過程與ANSYS模擬墩身溫度時(shí)空演化，主要的計(jì)算參數(shù)包括火災(zāi)熱釋放速率與混凝土的熱物理參數(shù)。

1)火災(zāi)熱釋放速率 本文將9#墩和10#墩之間的三七專用遮陽網(wǎng)可燃物簡(jiǎn)化為一個(gè)尺寸為27m(長(zhǎng))×8m(寬)×1.25m(高)的長(zhǎng)方體遮陽網(wǎng)模型，簡(jiǎn)化依據(jù)是兩墩中心距離、墩底部尺寸和遮陽網(wǎng)的高度。遮陽網(wǎng)的材質(zhì)為聚氨酯，其密度大約為0.05g/cm3，燃燒熱值約25MJ/kg。火災(zāi)大約持續(xù)了50min，根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算火源燃燒的平均熱釋放功率。

Q=ΔH·m

(1)

(2)

2)混凝土的熱物理參數(shù) 依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)確定鋼筋混凝土橋墩的熱物理參數(shù)，密度(ρ)為2 400kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)(λ)為176.7w/(m·℃)，熱熔(c)為2.304×106J/(m3·℃)。

2.2 計(jì)算模型

1)FDS模型 FDS模型網(wǎng)格為160×40×120(個(gè))，總網(wǎng)格數(shù)量為768 000個(gè)，火源設(shè)置在兩墩之間，火源面積尺寸為27m(X方向)×8m(Y方向)，X方向?yàn)轫槝蛳颍琘方向?yàn)闄M橋向(見圖1)。

圖1 FDS模型 圖2 ANSYS模型

2)ANSYS模型 火源在9#墩和10#墩之間且兩墩高度相差1m，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明10#墩比9#墩受損更嚴(yán)重，故研究10#墩的墩身表面溫度和墩身內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化規(guī)律?；炷炼詹捎脤?shí)體單元solid278模擬，模型共760個(gè)單元、1 448個(gè)節(jié)點(diǎn)(見圖2)，將FDS計(jì)算的橋墩表面溫度作為墩身溫度邊界條件施加。

3 結(jié)果分析

3.1 火災(zāi)溫度分析

根據(jù)FDS軟件模擬結(jié)果，從9#墩和10#墩之間縱橋向X=2.75m、X=29.25m墩身表面不同時(shí)刻溫度分布圖(見圖3)可以看出，以10min為間隔，火災(zāi)過程中橋墩表面的最高溫度出現(xiàn)在橋墩靠近火源一側(cè)橫截面的底部，最高溫度達(dá)505℃。

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

從9#墩和10#墩之間橫橋向Y=0m墩身表面不同時(shí)刻溫度分布(見圖4)可以看出，橋墩底部的火焰最高溫度約660℃，橋梁底部空氣中的溫度隨著高度的增加而衰減，當(dāng)?shù)竭_(dá)橋梁頂部時(shí)，空氣溫度大約60℃。

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

針對(duì)9#墩和10#墩火災(zāi)過程FDS數(shù)值模擬，并根據(jù)《火災(zāi)后混凝土構(gòu)件評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ08-219-96)判定此次火災(zāi)溫度屬于450～700℃范圍，此時(shí)角部混凝土爆裂剝落，角部開裂并出現(xiàn)裂縫，部分部位露筋，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果較接近，驗(yàn)證了FDS參數(shù)取值和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

3.2 墩身表面溫度分析

本文借助FDS模擬的火災(zāi)過程中橋墩表面周圍的溫度場(chǎng)分布結(jié)果，利用ANSYS軟件分析橋墩墩身表面溫度和橫截面內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1)墩身四周表面溫度分布 火災(zāi)對(duì)10#墩墩身不同側(cè)面影響程度均不同，進(jìn)而墩身4個(gè)側(cè)面溫度分布也不同(見圖5)?；鹪磦?cè)和左側(cè)受火災(zāi)的影響較大，火源側(cè)溫度明顯高于左側(cè)溫度，同時(shí)墩身表面溫度分布呈“中間高兩邊低”火焰形狀。其余兩個(gè)側(cè)面受火災(zāi)影響較小，墩身溫度隨時(shí)間變化起伏不大。

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

2)墩身火源側(cè)表面溫度分布 選取10#墩火源側(cè)表面溫度分布情況進(jìn)行分析，由圖6可知，首先火源側(cè)墩身表面溫度隨著時(shí)間發(fā)生變化；其次溫度等值線形狀與火焰形狀類似，3m以下在墩表面中心線附近為高溫集中區(qū)，最高溫度達(dá)到800℃以上。墩身3～6m范圍內(nèi)在墩表面中心線臨近區(qū)域的最高度約700℃，大于300℃的范圍集中在墩身高度9m以下。

以5min為時(shí)間間隔，分析10#墩墩身表面火源側(cè)最大溫度(Tmax)變化規(guī)律，如圖7所示，10#墩墩身溫度隨時(shí)間變化無明顯規(guī)律，溫度最大值均在820℃以上， 最高可達(dá)904.3℃。 由此可見火災(zāi)時(shí)10#墩墩身溫度較高，火災(zāi)對(duì)橋墩的損害較大。

圖7 Tmax隨時(shí)間變化圖

3)受損范圍分析 由于對(duì)于溫度大于800℃的混凝土無論怎么冷卻，其強(qiáng)度降低幅度非常大，不能按照正常狀態(tài)工作，故本文選取10#墩身表面溫度大于800℃的受損范圍進(jìn)行分析。

由表1可知，火源側(cè)墩身表面溫度大于800℃的受損范圍隨時(shí)間變化無明顯規(guī)律，第5min時(shí)，S800℃值約1.2m2；在10～25min之間S800℃變化幅度不大；隨著燃燒持續(xù)，S800℃逐漸增大，在35min時(shí)，S800℃達(dá)到最大值約5.2m2；隨后35～45min時(shí)，S800℃變化幅度不大；在50min時(shí)S800℃減少至約2.7m2?？傮w來看，S800℃隨時(shí)間變化與燃燒過程能量釋放基本一致，局部有波動(dòng)是真實(shí)反映。溫度大于800℃的受損范圍的寬度(w)和高度(h2)的最大值分別為2.9m和2.5m，最小值分別為1.0m和1.1m， 平均值為2.3m和1.9m。 同時(shí)， 隨著火災(zāi)時(shí)間的持續(xù)， 墩身表面溫度大于800 ℃的受損面積(S800℃)的變化波動(dòng)性較明顯， 墩身表面溫度大于800℃的受損范圍的寬度(w)和高度(h2)的變化波動(dòng)性較小， 受損面積的影響的最大因素是受損寬度。

表1 火源側(cè)墩身表面溫度大于800℃的范圍

3.3 墩身橫截面方向內(nèi)部溫度分析

根據(jù)橋墩構(gòu)造和受力的要求，橋墩設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土矩形空心墩，沿著墩高方向，橋墩壁厚是變化的，不同壁厚的鋼筋混凝土構(gòu)件抵抗火災(zāi)的能力是不同的，故以10min為間隔研究10#墩身厚度方向溫度變化規(guī)律。

1)墩身內(nèi)部溫度大于100℃的壁厚 ANSYS仿真分析中發(fā)現(xiàn)，10#墩身小里程側(cè)和左側(cè)均出現(xiàn)溫度大于100℃情況，有必要對(duì)這兩個(gè)側(cè)面的墩身壁厚(b100℃)與內(nèi)部溫度大于100℃的橋墩高度(H100℃)變化規(guī)律進(jìn)行研究，圖8中縱坐標(biāo)為內(nèi)部溫度大于100℃的壁厚(b100℃)與墩身壁厚(b)的比值,橫坐標(biāo)為相應(yīng)位置的橋墩高度(H100℃)。

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

圖9 H 100℃隨時(shí)間變化圖

4 結(jié)論及展望

對(duì)火災(zāi)過程墩身表面溫度場(chǎng)和墩身橫截面方向內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，并與火災(zāi)后橋墩現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果對(duì)比，可得出如下結(jié)論：

(1)在火災(zāi)過程中，采用FDS模擬燃燒過程獲得不同時(shí)刻墩身表面溫度分布規(guī)律，利用ANSYS中的熱分析模塊研究墩身橫截面溫度隨時(shí)間變化規(guī)律。通過對(duì)比《火災(zāi)后混凝土構(gòu)件評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ08-219-96)中附錄B“火災(zāi)后混凝土構(gòu)件外觀特征”與火災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，驗(yàn)證了本文采用的模擬方法的正確性和合理性，對(duì)其他類似工程有一定的借鑒意義；

(2)火災(zāi)溫度和火災(zāi)過程影響著火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估，墩身表面溫度分布和墩身橫截面溫度分布隨著時(shí)間發(fā)生變化較為復(fù)雜，需要通過反復(fù)計(jì)算，并與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果核實(shí)后采取合理的修復(fù)加固措施；

(3)制定橋墩火災(zāi)加固措施時(shí)，不僅需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果(墩身外觀情況、墩身表面混凝土受損的范圍、墩身混凝土強(qiáng)度沿墩壁厚度方向變化情況、混凝土強(qiáng)度檢測(cè))和結(jié)構(gòu)承載力的驗(yàn)算結(jié)果，而且建議增加考慮墩身表面溫度變化和墩身橫截面內(nèi)部溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

本文對(duì)火災(zāi)燃燒時(shí)長(zhǎng)和燃燒消耗的聚氨酯質(zhì)量是根據(jù)火災(zāi)事故情況進(jìn)行推測(cè)的，無法精確測(cè)量，所以模擬過程中設(shè)置的火災(zāi)熱釋放速率是一個(gè)估計(jì)值。今后可以考慮通過火災(zāi)試驗(yàn)，精確測(cè)量火災(zāi)的燃料質(zhì)量消耗率，進(jìn)而得到精確的火災(zāi)熱釋放速率。