Performance of suspension bridge hangers exposed to hazardous material fires considering wind effects 考虑风效应时悬索桥吊杆在危险源火灾中的性能研究 Zou Qiling,
Performance of suspension bridge hangers exposed to hazardous material fires considering wind effects
考虑风效应时悬索桥吊杆在危险源火灾中的性能研究
Zou Qiling, Pool Kavi, Chen Suren*
在美国，平均每年有100-300起车祸导致的桥梁火灾事故。事故中，易燃易爆危险品运输车辆易造成严重的后果，直接威胁着桥梁设施和桥上交通的安全。火灾会导致大跨度桥梁结构的损坏或者失效，需要巨额的直接修复费用，同时也因交通中断和路线调整而付出大量的间接费用。然而，火灾在大跨度缆索桥梁如斜拉桥、悬索桥中得到的关注较少，缺乏充分系统的研究。目前几乎没有大跨度桥梁火灾的现场测试或者实验测试数据，计算模拟成为考察大跨度桥梁火灾效应最基本的研究方法。大跨度桥梁桥面往往距地面或者水面较高，桥面风速较大，风对桥面火灾的发展有重要的促进作用。本文
采用火灾动力学模拟工具（
Fire Dynamics Simulator, FDS
）模拟大跨度悬索桥上油罐车的典型火灾场景，首次将风效应引入大跨度桥梁的火灾模拟中，分析吊杆表面与内部的温度变化。借鉴温度与材料强度的关系曲线，探讨火灾发生过程中吊杆剩余强度的变化规律。通过比较研究，探讨火灾源纵向偏移量、危险源成分、风速大小和危险品泄露范围等主要因素的影响。
典型火灾场景与模拟
以桥上油罐车事故为对象，油罐车装载易燃危险品辛烷。辛烷在桥面上发现泄漏，燃烧形成池火。油罐车携带34m3辛烷，在最外侧车道形成5.4m长、3.0m宽的泄露区域。池火较为稳定、持续时间较长，对附近吊杆构成了较大的威胁。油罐车事故附近桥梁局部模拟如下图所示，包括桥面、防撞护栏、吊杆。建立FDS数值模型，危险品持续燃烧40分钟。首先由FDS模拟得到吊杆表面温度，作为边界条件施加在Abaques吊杆模型中分析吊杆内部的温度分布。现场风速10m/s，危险品泄露范围正对1号吊杆。
模拟结果
吊杆横截面内部不同位置温度分布如下图，横断面内温度表现不一致。近火端温度高于远火端温度，最大温度差在火灾发生17min时达到300°C。
根据ASCE指南、欧洲规范钢材强度与温度的关系，由横断面平均温度估计吊杆剩余强度随时间的变化如下图。按照ASCE指南、欧洲规范预测吊杆最终剩余强度分别为初始强度的37%、48%，ASCE指南结果更为保守
。
参数研究
0
、
5
、
10
、
15m/s
四种风速条件下，吊杆最大温度与剩余强度如下图。风对桥梁火灾的影响非常大，吊杆最大温度随风速呈指数规律增长。低风速下，吊杆最大温度不超过
600
°
C
。而在
15m/s
风速下，吊杆最大温度超过了
1000
°
C
，剩余强度降低到初始值的
10%
。
0
、
1
、
2
、
3m
四种泄露范围纵
向偏移下，吊杆最大温度与剩余强度如下图。最大温度随偏移量增大而呈指数规律降低，剩余强度从
60%
增大到
80%
。
辛烷（noctane）、甲烷（butane）、丁烷（toluene）三中易燃品下，吊杆最大温度与剩余强度如下图。辛烷与甲烷燃烧下，吊杆温度变化规律相似，剩余强度降低到初始值的40%左右。而丁烷燃烧下吊杆温度几乎要高出200°C，剩余强度则降低到初始值的15%。
5.4m、9m两种泄露宽度下吊杆最大温度如下图。相比5.4m宽，9m宽泄露范围下吊杆温度增加了30%，增加量超过200°C。
1）风增加了可燃物与空气的混合，同时促进了热量向吊杆的传递，明显影响了火灾发生过程中悬索桥吊杆的温度。
2）本文近似模拟了大跨度桥梁典型风速条件，结合主梁离地高度与透风性等特点，实际大跨度桥梁桥面风速可能更高，高风速与火灾共同作用下结构的性能需要得到进一步研究。
3）根据ASCE指南和欧洲规范中材料强度随温度的变化关系，桥上危险品火灾事故中大跨度悬索桥的钢吊杆可能失效。
Zou Qiling
（第一作者）
，美国科罗拉多州立大学土木工程系在读博士生。研究主要关于灾害作用下城市基础设施韧性规划、交通系统和电力系统相互依赖性、机器学习在韧性规划中的应用、灾害场景人员疏散模型和交通基础设施安全。研究成果发表在《Reliability Engineering and System Safety》、《Journal of Bridge Engineering》、《Journal of Computing in Civil Engineering》等知名国际学术期刊。
Chen Suren
（通讯作者）
，美国科罗拉多州立大学土木工程系教授，美国土木工程师协会会士（ASCE Fellow），美国联邦交通部大学地区交通中心分中心主任，科罗拉多州立大学可持续及智能交通系统中心主任。
Zou Qiling, Pool Kavi and Chen Suren. Performance of suspension bridge hangers exposed to hazardous material fires considering wind effects. Advances in Bridge Engineering 1, 2 (2020).
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知识点：风效应时悬索桥吊杆在危险源火灾中的性能研究
