土木在线论坛 \ 道路桥梁 \ 桥梁工程 \ 考虑风效应时悬索桥吊杆在危险源火灾中的性能研究

考虑风效应时悬索桥吊杆在危险源火灾中的性能研究

发布于：2022-08-22 14:28:22 来自：道路桥梁/桥梁工程 1 8 [复制转发]

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*

一

研究意义

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。

二

研究内容

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。

三

研究结论

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。

四

作者简介

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。

论文引用：

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).

内容源于网络，如有侵权，请联系删除

相关资料推荐：