國際橋梁抗火防災技術新進展

文

上海師范大學建筑工程學院 朱美春

隨著我國能源需求量顯著增加，地域間的交通密度也隨之大幅提升，交通基礎設施面臨極端荷載（火災、爆炸、碰撞、強腐、超載等）的風險日益增多，尤其交通類火災頻繁發生，嚴重威脅交通基礎設施的安全性能和耐久性能，造成人員傷亡、交通中斷、貨物滯留，影響社會穩定。

橋梁抗火防災的迫切性

交通類火災中最為嚴重、威脅最大、發生頻率最高的是油罐車火災。此類火災是由各類運輸危化品槽車的翻傾或碰撞所致，燃燒速度快，燃燒量大，溫度峰值極高，所波及的結構嚴重損傷。橋梁一旦遭遇油罐車火災，就會出現大面積的混凝土深度剝落、鋼絞線外漏、鋼板大幅屈曲，桁桿失穩或整體垮塌。本文作者張崗在2007年開始調研并分類統計國內外橋梁火災，旨在揭示環境火災下橋梁結構的災變機理。密歇根州立大學科杜爾（Kodur）等在2010年指明橋梁火災已經成為學者關注的焦點，有必要在橋梁設計中考慮抗火設計。普林斯頓大學加洛克（Garlock）等在2010年全面定義了橋梁火災，并統計了典型的橋梁火災事件，發現火災致橋梁垮塌的數量約是地震垮塌數量的3倍。同濟大學李國強等在2010年強調了橋梁抗火的重要性?？梢?，橋梁抗火防災技術的發展進步至關重要。

橋梁抗火性能試驗與智能預測

橋梁處于開放空間，火災受環境因素的影響很大，尤其風速作用。在室外開展橋梁抗火性能試驗可真實反映實際火災場景下真實結構的響應程度。張崗等試驗與測試了室外環境燃油火災環境下的預應力混凝土試件的爆裂，發現混凝土的爆裂深度與燃油的覆蓋面、燃油量、施加的預應力及混凝土的濕度密切相關。廣東交科檢測有限公司許肇峰等測試了真實結構的預應力混凝土空心板梁節段火災溫度場，采用等溫線法獲取了截面的縮減系數。西班牙瓦倫西亞理工大學阿洛斯·莫亞（Alos Moya）等在開放環境中完成了真實的鋼板-混凝土組合梁火災試驗，發現兩鋼板之間出現燃氣溫度最大值，沿橋跨方向鋼板-混凝土組合梁的溫度顯著不同。得克薩斯大學阿靈頓分校貝內貝魯（Beneberu）等對一跨全尺寸的預應力混凝土組合梁進行了碳氫池火災試驗，發現標準火災不能用于評判橋梁遭遇真實火災時的性能。但是，室外環境火災測試難度大，涉及場地的選擇、環境的保護及消防應急，所以當前大量的橋梁結構抗火性能試驗仍采用室內大比例縮尺模型火災試驗。

預應力混凝土試件環境燃油火災試驗

懸索橋火災預測分析示意圖

不論室外環境火災試驗或室內火災試驗，橋梁結構抗火試驗的費用昂貴，基于試驗驗證的橋梁結構火災行為預測成為橋梁抗火研究的主要方法，尤其對于大跨徑復雜體系橋梁更需要數值預測來模擬結構的力學行為，懸索橋遭遇火災時的預測分析所示。張崗等開發了橋梁結構火災行為智能預測程序BFA，研究了不同火災場景下預應力混凝土橋梁的力學機理、建立了火災下混凝土橋梁有效預應力計算方法；分析了火災下鋼結構橋梁的破壞模式，提出了復雜火災環境下鋼-混組合梁的熱屈撓變率計算方法。科杜爾等開發了火災下預應力混凝土梁的有限元計算方法，給出了動態模擬火災行為的求解技術。這些方法和技術準確地預測了火災下橋梁結構的力學行為。然而，火災行為預測屬于超高次超靜定非線性分析，對軟硬件環境的要求非常高。

預應力鋼索抗火技術

拉索廣泛應用于懸索橋、斜拉橋、拱橋等各種預應力橋梁中，其壽命關系整座大橋的健康運營。拉索對火災高溫異常敏感，截至目前拉索抗火性能的研究仍非常有限，主要集中在拉索索體及拉索錨頭截面溫度場分布、拉索索體的高溫材料力學性能、拉索錨固系統高溫性能，以及索結構抗火設計。

拉索索體由多根圓形鋼絲擠壓形成，鋼絲之間不可避免地存在固體接觸間隙和圓體間空腔，熱分析時需要考慮接觸間隙和空腔輻射傳熱對拉索截面升溫的影響。南京工業大學杜詠等比較了拉索索體截面和純圓鋼截面的升溫歷程，發現火災升溫初期空腔熱輻射效應增加了索體截面的升溫速率，而且考慮空腔熱輻射效應的索體中心溫度高于等效截面圓鋼的中心溫度，這種差異會隨截面半徑的增大而增加。華僑大學霍靜思等針對某斜拉索特大橋火災事件，模擬鋼絞線火災燃燒試驗，獲得了鋼索火災燃燒模式和鋼索燃燒時溫度場分布規律，指出鋼索內各根鋼絞線受火程度存在明顯差異，可根據恒載作用下鋼絞線斷面收縮率與溫度之間的關系，推定鋼絞線遭遇火災時的實際情況。

張崗等分別測試了過火混凝土橋梁的鋼束有效預應力，得到了高溫后混凝土橋梁的有效預應力衰變規律，通過試驗研究火災下混凝土橋梁預應力錨固區的應力，獲知了高溫狀態下錨固區預應力的變化情況。天津大學盧杰和劉紅波等研究了4類常用強度等級低松弛預應力鋼絲高溫后的力學性能，發現當過火溫度超過400℃以后鋼絲的力學性能發生顯著變化，潑水冷卻過火溫度超過700℃的鋼絲則會喪失大部分的延性和強度。北京工業大學孫國軍等研究了高溫下及高溫后不銹鋼拉索的力學性能，發現高溫高應力狀態下不銹鋼拉索的變形發展快、易破斷，高溫后不銹鋼拉索自然冷卻后其抗拉強度可恢復至常溫強度。中國建筑科學研究院有限公司王廣勇等基于《建筑鋼結構防火技術規范》（GB51249-2017）的方法和要求，對石家莊國際展覽中心大跨度懸索結構屋蓋實施了抗火設計，確定了防火保護層厚度。

火災后鋼束預應力測試

錨下壓力傳感器布置

火災高溫下錨固區預應力測試

本文作者朱美春等測試了鋅銅合金熱鑄錨和環氧鐵砂冷鑄錨的足尺試件溫度場。從試驗中獲悉錨具內鑄體材料和拉索的溫度場沿環向均勻分布，錨具中心處升溫緩慢，溫度明顯低于其余測點。在CECS200大空間火災升溫條件下，鋅銅合金升溫60分鐘左右開始失去黏結力，而環氧鐵砂升溫20分鐘左右強度開始下降。繼而，通過試驗研究了熱鑄錨、冷鑄錨和Wirelock錨3類錨固系統的高溫性能，發現在CECS200大空間火災升溫條件下，拉索錨固系統的滑移大致可分為3個階段：無滑移階段、滑移穩定增長階段和破壞階段。

橋梁工程中所采用的拉索均是采用高強預應力鋼絲制造，處于高應力狀態，為避免火災高溫的破壞，實際工程應用中可采用防火涂料或外包防火毯、防火棉來提升拉索的抗火能力。對于有照明系統的拉索、吊桿和懸索必須提高拉索照明系統的耐久性。

智能抗火新材料

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）具有超彈性和形狀記憶等特性，將SMA與混凝土復合可形成智能抗火混凝土，可克服傳統混凝土的部分高溫缺陷。沈陽建筑大學閻石等針對混泥土梁-柱節點，將施加預應力的SMA束埋入混凝土，在結構梁端開展準靜態加載的數值模擬研究，討論配束率和預應力水平對節點動力響應的影響，指出經過SMA強化的節點盡管殘余變形減小導致的能量耗散降低，其承載能力仍然顯著提高。伊利諾伊大學威徹姆（Wierchem）等研究了超彈性高聚物和SMA復合強化的混凝土結構的延性和阻尼特性，數值和實驗研究表明在保留彈性特征的前提下，混凝土結構的延性和阻尼特性均有大幅提高。相關團隊研究SMA絲對混泥土立柱的環向約束，荷載試驗結果表明：盡管SMA絲環繞而成的外套裝置沒有提高立柱的抗彎性能，但是立柱的延性明顯增加，研究結果可以在抗震加固方面得到很好的應用。

哈爾濱工業大學匡亞川等綜述了混凝土裂縫仿生自修復研究，其中部分內容重點介紹SMA智能自修復混凝土。美國新墨西哥大學瑪吉（Maji）等將SMA絞線埋置在混凝土砂漿小梁中，通過通電加熱SMA絞線實現預應力的調節，指出這種設計可以用于“智能橋梁“的概念設計中。同濟大學劉振勇等針對鋼-混凝土組合梁開展基于SMA的變形控制，通過驅動試驗和數值模擬，研究SMA預應變值、配置量及布置位置等因素對組合梁變形的影響，指出跨中撓度依賴于前述因素且通過熱激勵SMA能夠實現組合梁的變形控制。

預應力鑄錨高溫試驗

SMA纖維復合的智能混凝土抗火原理示意圖

中國民航大學劉兵飛等將SMA纖維摻入混凝土中，開展標準試件的壓縮、彎曲和劈裂基礎試驗，指出SMA纖維體積含量1%至2%的混凝土試件的力學性能相較于素混凝土顯著提高20%至50%。然而，針對升溫和降溫過程中，SMA纖維混凝土的力學性能變化卻缺乏研究，這給該類智能混凝土在抗火方面的應用帶來阻礙。本文作者張永飛等研究基于火災的發生將導致混凝土結構溫度的上升，為埋置其中的SMA纖維提供溫度驅動，引起SMA材料晶相的改變，從而最終實現對混凝土的微觀預壓，以延緩過火初期結構承載能力的降低速率的考慮，正在開展SMA纖維復合的智能混凝土不同溫度下基本力學特性的實驗和理論研究。這種新穎的混凝土被動抗火方式兼具自適應和成本低廉的特點，具有重要的研究意義和巨大的潛在應用價值。