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悬索桥抗火研究简述

一、桥梁火灾原因

近来来的桥梁建设表明，由于悬索桥在大跨度桥型中具有很大的优势，越来越多的悬索桥被建设在了枢纽位置，以实现区域之间的相互连通。随着城市空间格局的加密，交通流量增大，能源交换的需求量也随之增大，装载运输“燃、汽、爆、化”的危化品槽车日益增多致使这些桥梁上运输易燃易爆物品的车辆(油罐车等)也不断增多，由此导致的车辆燃烧起火的事件也越来越多。然而，钢结构桥梁有一致命的弱点——“怕火”，其源于用来钢结构桥梁建造的钢材具有良好的导热性能和相对较弱的比热容，所以传热的速度快、储备热的能力差REF_Re\r\h[1]。这些危化品槽车一旦发生意外火灾，短时间内释放的能量巨大，温度极高，严重威胁钢结构桥梁的安全性能和耐久性能，甚至可造成钢结构桥梁的垮塌和人员伤亡，引发重大安全事故，影响民众出行，导致恶劣的社会影响。

目前，国内外学者主要进行了大量的建筑火灾及隧道火灾的研究工作，对桥梁结构中发生的火灾，尤其是跨度和柔性很大的悬索桥高温燃烧火灾，相关的研究涉及很少REF_Re\r\h[2]。桥梁上一旦发生油罐车等火灾，大火将会产生高温温度场，通过热对流和辐射作用使悬索桥主缆、吊索、桥面铺装及加劲梁的温度迅速升高，相应部位的弹性模量和强度均会大幅下降。同时，高温下结构的应力会发生重分布，产生巨大的变形挠度，如果没有能够及时采取救援措施，致使火灾温度持续升高，桥梁结构将会发生局部或者整体的破坏REF_Re\r\h[3]。

全球范围内其他著名的钢结构大桥也发生过重大火灾REF_Re\r\h[4]，如表1所示。

表1钢结构桥梁火灾

时间

桥梁名称

桥梁类型

发生火灾

的原因

火灾后果

2014年5月5日

赫斯珀里亚I-15

钢-混凝土组合梁

模板起火

桥梁垮塌

2008年5月7日

路易斯威尔大四桥

钢桁梁

照明系统起火

桥梁部分构件损伤

2006年1月16日

布鲁克林皇后6号高速公路

钢桥

油罐车碰撞

桥梁需要加固维修

2005年1月25日

希腊里翁-安提里翁大桥

斜拉桥(钢-混凝土组合梁）

斜拉索照明系统中的灯带起火

斜拉索45min后断裂

2004年8月26日

维赫塔尔大桥

钢桥

装载33t燃料的油罐车与轿车碰撞

桥梁严重损伤，修复费用721万英镑

2004年7月1日

芒戈河桥

钢桁梁

装载15t汽油的油罐车方向失灵

桥梁垮塌，掉进河里

2003年3月26日

霍华德大道立交桥

钢-混凝土组合梁

装载30t取暖油的油罐车与轿车碰撞

立交南段整体桥梁垮塌，立交北段部分垮塌

1998年5月24日

宾夕法尼亚州切斯特溪大桥

钢-混凝土组合梁

装载32t汽油的油罐车方向失灵

钢梁严重屈曲，需要大修

1997年10月9日

纽约市过境立交

钢板-混凝土组合梁

装载33t燃油的油罐车与轿车碰撞

桥梁垮塌，花费700万美元修复，修复时长155d

1995年2月5日

爱莫利维尔I-80西/I-580东坡桥

钢板-混凝土组合梁

油罐车碰撞

桥面板、护栏和辅助设施遭遇破坏

二、悬索桥梁抗火研究现状

在结构抗火方面，国外对结构方向的抗火研究起步相对较早。很多抗火研究早期重点研究钢筋混凝士高温下的力学性能。美国混凝土结构耐火和防火委员会通过对火灾下混凝土的本构关系、火灾下结构的安全性、高温下构件的极限承载力的研究，编制对应的规范《GuideforDeterminetheFireEnduranceofConcreteElements》。规范中提出钢筋混凝土构件的火灾安全特性以及建筑结构防火设计方法，该方法后来被广泛采用REF_Re\r\h[5]。同国外相比，我国结构抗火的研究起步相对较晚，在研究初期，一些研究方法借鉴了国外的研究成果。自20世纪50年代起，国内对钢筋混凝土结构的抗火计算方法日趋完善。1989年，中国科学技术大学组织成立了火灾科学国家重点实验室，实验室中拥有大型燃烧试验炉、足尺火灾试验模拟台等众多先进仪器和设备，推动了国内的抗火研究的发展REF_Re\r\h[6]。

2.1钢结构火灾特点

1、钢构件热屈失稳

桥梁火灾事故绝大多数为油罐车火灾所致，油罐车发生翻倾、碰撞泄露后，一旦闪燃，罐内储存的危化品因压力释放会迅速膨胀，体积暴涨，加之油罐车前行的惯性，燃烧面急剧扩张，形成几十米甚至上百米的火墙，产生巨大的热量，温度瞬间升至1000℃，热辐射极强，所涉及物体的温度急速升高。钢结构桥梁遭遇油罐车火灾后，由于钢结构的热敏感特性，其整个钢结构部件的温度会在几分钟内达到近千度，在巨大的桥梁自重荷载和部分活荷载作用下，钢结构会发