鋼橋防火安全評價及設計方法初步研究

林 輝，孟書濤

(1.北京交科公路勘察設計研究院有限公司，北京 100191;2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

鋼橋防火安全評價及設計方法初步研究

林 輝1，2，孟書濤1，2

(1.北京交科公路勘察設計研究院有限公司，北京 100191;2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

火災事故具有危害性、不確定性、信息有限性和時間有限性等特點，鋼橋由于鋼材自身特性，火災威脅尤為嚴重，且鋼橋在規劃、設計和運營中尚缺乏一套完整防火救災措施。本文首先介紹了近年來一些鋼橋火災事故，繼而提出了鋼橋火災危險性等級劃分和鋼橋防火設計流程。同時，提出了鋼橋防火措施設計總體原則，并針對一座鋼橋提出了防火具體措施和滅火救災對策流程。

鋼橋 防火安全度 設計流程 防火措施

鋼材具有強度高，重量輕，運輸、架設方便，節省工期等眾多優點，因而鋼橋在橋梁建設中被大量采用。火給人類帶來了文明、進步、光明和溫暖。但是，失去控制的火卻給人類帶來了無情的災難。鋼材雖為非燃燒材料，但卻并不耐火(溫度600℃時將基本喪失全部強度和剛度)。橋梁作為交通運輸基礎設施中的控制性節點工程，一旦遭遇重大火災，將產生巨大經濟損失和社會影響[1-2]。

1 橋梁工程火災

橋梁工程作為交通運輸動脈中的控制性工程，火災事故時有發生(近10多年來部分美國公路橋梁火災事故見表1)，已造成巨額經濟損失及重大人員傷亡。這些問題的產生給橋梁工程防火研究帶來了新的挑戰。

表1 美國公路橋梁火災事故

當前，火災研究已成為國內外研究的熱點。文獻[1，3]對火災下建筑鋼結構，索網結構進行了一系列試驗和理論分析研究，文獻[4-6]對火災條件下人員緊急疏散與緊急交通管制進行了研究，文獻[7-9]探索了防火設防水準，Bennetts等[10]研究了一座斜拉橋在潛在火災場景中如何評價其結構構件遭受到的損傷問題。但針對鋼橋防火安全評價及設計方法方面的研究卻少見。因此，本文初步研究了該問題。

2 鋼橋防火設計流程

防火設計是降低(甚至可能在一定程度上避免)鋼橋潛在火災的有效方法，但同時也會增加工程投資。防火設計能在相當程度上保證橋梁交通暢通，提高橋梁運行效率。各種防火設計措施是否必要、合理、經濟等問題均需要回答。

在作決策時，決策者需要了解橋梁工程可能遇到的多種火災情況，鋼橋防火設計中需要了解潛在火災可能引起的橋梁交通中斷或限行情況。交通的中斷或限行是由各類火災(或者說是火災引起的災害情況)影響與我們的應對措施(防火措施)兩者共同決定的，其中包括火災作用、防火措施反應和防火措施反應容許值這三個因素，橋梁交通的中斷或限行狀態就取決于估計的防火措施的反應是否超過其容許值。

結合目前我國橋梁的實際狀況和技術水平，本文把我國鋼橋火災危險性等級從高到低劃分為Ⅰ(高)、Ⅱ(中高)、Ⅲ(中低)和Ⅳ(低)共4個等級。

Ⅰ(高)危險級:火災危險性大，使用性質重要，橋上交通量大，物資、人員密集，撲救困難，容易造成重大經濟損失、人員傷亡及社會影響，甚至出現人員群死群傷的極端情況;

Ⅱ(中高)危險級:火災危險性較大，使用性質較重要，橋上交通量較大，實施撲救較困難，一旦發生火災后易造成較重大經濟損失、一定數量人員傷亡，但不致出現群死群傷等較大社會影響事件;

Ⅲ(中低)危險級:火災危險性較小，使用性質一般，橋上交通量較小，單位時間從橋上通過的物資、人員不多，火災發生后撲救相對容易，即使發生火災所造成的損失也相對較小;

Ⅳ(低)危險級:火災危險性小，橋上日常交通量相當小，單位時間從橋上通過的物資、人員極少，火災發生后撲救容易，即使發生火災所造成的損失也相當小。

鋼橋防火設計流程如圖1所示。

圖1 鋼橋防火設計流程

3 鋼橋防火措施設計總體原則

鋼橋防火宜采用簡便、經濟、先進的措施。進行鋼橋防火設計時，應遵循以下總體原則。

1)提高橋梁利用率從而提高車輛通行效率

眾所周知，建設跨越江、河、湖、海的橋梁工程的目的是方便人員、物資的交流。橋梁工程的利用率體現在車輛通行效率。滿足車輛通行效率的需要是鋼橋防火設計的根本出發點。一味追求防火需要而不顧車輛通行效率的方式是不可取的，也是各方所不能接受的。作為橋梁設計者，需要在保證交通通暢的前提下進行鋼橋防火設計。

2)選用作用機構簡單的防火設計措施

鋼橋防火設計往往容易進入的一個誤區就是認為橋梁防火能力越強越好，這種想法是極端錯誤的。鋼橋防火設計的成功與否不完全看橋梁防火能力的強與弱，經濟因素也是一個不得不考慮的重要因素。亦即需要在橋梁防火性能與經濟性(或者說社會承受能力)之間找到較佳的平衡點。

3)措施的性能應明確有效期

在鋼橋防火設計中采用的防火措施必須特別注意相應措施的性能，尤其是部分措施隨使用時間的增加各項性能指標會發生嚴重退化的情況。當該項措施的性能指標不能達到要求時需及時更換。否則在橋梁火災發生時，可能出現不僅不能滿足設計要求，甚至可能由于自身破壞給橋梁帶來次生危害的情況發生。

4)措施應具體到構件層次

鋼橋潛在火災具有高度不確定性，這種不確定性導致了橋梁結構在其全壽命周期過程中具有一定的失效概率。同時，橋梁失效的后果(包括潛在的生命或財產損失)取決于結構及其在系統中的重要程度。根據橋梁將來潛在火災預測，針對各種可能出現的情況，選擇適當的橋梁防火措施。根據橋梁性能退化分析，確定不同火災下橋梁可能出現問題的構件、組件，從而確定需要進行防火設計的構件和結構細部。

5)強關鍵構件弱一般構件

理想的鋼橋防火設計是使橋梁各可能過火構件都具有近似相等的抵御火災的能力，即不要存在局部薄弱環節;更進一步的要求應該是等破壞設計，即各可能過火構件達到破壞而引起橋梁達到破壞的抵御火災性能相近。等抵御火災性能要求同等充分利用各構件防火性能儲備，等抵御火災性能設計則要求強關鍵構件弱一般構件，因為關鍵構件的破壞會造成整個橋梁的破壞，而一般構件的破壞只會造成局部影響[11]。

4 算例

4.1 橋梁及其危險等級、火災類型

某懸索橋(跨徑布置為108 m+248 m+108 m)，根據相關經濟、社會統計數據，該橋火災危險性等級為Ⅱ(中高)。從《火災分類》GB/T 4968—2008可以看出，橋上可能發生的火災類型包括:

A類火災，固體物質火災。固體物質火災發生的情況有兩種:一種是車輛載運固體貨物發生火災;另一種是橋梁構件發生火災。從目前國內、外報道來看，橋梁固體物質火災基本上為第一種情況，即車輛載運固體貨物發生火災。

B類火災，液體或可熔化的固體物質火災(出于運輸經濟性考慮，現在工業氣體一般液化后進行運輸)。從目前國內、外報道來看，橋梁工程需重點關注從其上經過的各類罐車。

E類火災，帶電火災。這類火災一般是由于橋梁工程上自身電氣設備出現故障引起的火災。從目前國內、外報道來看，橋梁工程發生帶電火災的情況還鮮有報道。

4.2 滅火救災對策流程

橋上一旦發生火災，應盡量在火災初期將其撲滅，防止事態惡化，同時對橋梁使用者提供確切情報，防止車輛駛向火災現場，并對駛向橋梁出口的車輛給予正確引導，使其安全撤離失火橋梁。橋梁滅火救災對策流程如圖2所示，滅火作業后還需:確認火災撲滅→清理火災現場→進行毀損評估→毀損部位修復→臨時通行→恢復正常通行。

圖2 橋梁滅火救災對策流程

4.3 消防設施組成

4.3.1 消防電力系統設置

1)消防用電設備采用專用供電回路;

2)橋梁自發電設備作為消防備用電源，其自動啟動時間≤30 s;

3)消防應急照明系統連續供電時間≥2.0 h;

4)橋上疏散指示標志連續供電時間≥30 min;

5)消防用電纜線管道與其它管道分開設置;

6)橋梁內部禁止設置高壓電線電纜。

4.3.2 報警系統設置

1)橋梁入口外200 m處設置懸臂式可變情報板，懸臂式可變情報板安裝示意圖如圖3所示;

2)橋梁出入口及兩側設置報警電話，間距≤100 m;

3)設置火災自動報警系統作為輔助裝置;

4)橋梁火災應急廣播裝置間距≤50 m。

4.3.3 滅火器設置

1)橋梁出、入口及兩側均設置滅火器，間距≤100 m;

2)每個滅火器設置點配4具(A類1具，B類2具，C類1具);

3)滅火器應設置在位置明顯和便于取用的地點;4)滅火器的擺放應穩固，銘牌應朝外;

5)滅火器宜設置在滅火器箱內(滅火器箱不得上鎖)，其頂部離地面高度≤1.50 m，底部離地面高度≥0.10 m;

6)每3個月檢查一次滅火器，每6個月抽查A，B和C類滅火器各一具。每年交替更換1/3滅火器。

圖3 懸臂式可變情報板安裝示意

4.3.4 消防給排水設置

1)消防用水量按2.0 h火災延續時間確定(消防用水強度30 L/s);

2)設置消防水池供消防車輛取水;

3)橋梁排水設施應考慮滅火時的消防用水量;

4)橋梁應采取防止事故時可燃液體或有害液體沿橋梁漫流的措施。

4.3.5 火災疏散系統設置

1)橋梁兩側設置消防應急照明系統(供電能力按消防電力系統設置要求執行);

2)橋梁兩側設置明顯的發光緊急疏散指示標志(間距5 m，高度1.5 m);

3)設置能保持視覺連續的燈光疏散指示標志(間距 20 m)[11]。

5 結語

1)本文提出了鋼橋防火措施設計的總體原則，包括:提高橋梁利用率從而提高車輛通行效率;選用作用機構簡單的防火設計措施;措施的性能應明確有效期;措施應具體到構件層次;強關鍵構件弱一般構件等。

2)在算例中具體提出了消防電力系統設置;報警系統設置;滅火器設置;消防給排水設置和火災疏散系統設置等措施，為類似橋梁防火設計提供了有益參考。

3)對不同結構形式的鋼橋，下一步還需要深入研究其在火災中的典型破壞模式。由于火災防御、抵抗措施的花費與增加的抵御火災能力指標之間的關系明顯地影響最優防火措施的采用。因此，進一步深入研究兩者之間的相互作用關系十分必要。

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U445.7+5

A

1003-1995(2012)06-0006-04

2011-12-20;

2012-03-10

林輝(1981— )，男，四川成都人，工程師，博士。

(責任審編 孟慶伶)