鋼橋防火安全評價及設(shè)計方法初步研究

林 輝，孟書濤

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

鋼橋防火安全評價及設(shè)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(shè)計研究院有限公司，北京 100191;2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

火災(zāi)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(zāi)威脅尤為嚴(yán)重，且鋼橋在規(guī)劃、設(shè)計和運營中尚缺乏一套完整防火救災(zāi)措施。本文首先介紹了近年來一些鋼橋火災(zāi)事故，繼而提出了鋼橋火災(zāi)危險性等級劃分和鋼橋防火設(shè)計流程。同時，提出了鋼橋防火措施設(shè)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(zāi)對策流程。

鋼橋 防火安全度 設(shè)計流程 防火措施

鋼材具有強度高，重量輕，運輸、架設(shè)方便，節(jié)省工期等眾多優(yōu)點，因而鋼橋在橋梁建設(shè)中被大量采用。火給人類帶來了文明、進(jìn)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(zāi)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(chǔ)設(shè)施中的控制性節(jié)點工程，一旦遭遇重大火災(zāi)，將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟損失和社會影響[1-2]。

1 橋梁工程火災(zāi)

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

表1 美國公路橋梁火災(zāi)事故

當(dāng)前，火災(zāi)研究已成為國內(nèi)外研究的熱點。文獻(xiàn)[1，3]對火災(zāi)下建筑鋼結(jié)構(gòu)，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列試驗和理論分析研究，文獻(xiàn)[4-6]對火災(zāi)條件下人員緊急疏散與緊急交通管制進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[7-9]探索了防火設(shè)防水準(zhǔn)，Bennetts等[10]研究了一座斜拉橋在潛在火災(zāi)場景中如何評價其結(jié)構(gòu)構(gòu)件遭受到的損傷問題。但針對鋼橋防火安全評價及設(shè)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(shè)計流程

防火設(shè)計是降低(甚至可能在一定程度上避免)鋼橋潛在火災(zāi)的有效方法，但同時也會增加工程投資。防火設(shè)計能在相當(dāng)程度上保證橋梁交通暢通，提高橋梁運行效率。各種防火設(shè)計措施是否必要、合理、經(jīng)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(zāi)情況，鋼橋防火設(shè)計中需要了解潛在火災(zāi)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(zāi)(或者說是火災(zāi)引起的災(zāi)害情況)影響與我們的應(yīng)對措施(防火措施)兩者共同決定的，其中包括火災(zāi)作用、防火措施反應(yīng)和防火措施反應(yīng)容許值這三個因素，橋梁交通的中斷或限行狀態(tài)就取決于估計的防火措施的反應(yīng)是否超過其容許值。

結(jié)合目前我國橋梁的實際狀況和技術(shù)水平，本文把我國鋼橋火災(zāi)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(zāi)危險性大，使用性質(zhì)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(jīng)濟損失、人員傷亡及社會影響，甚至出現(xiàn)人員群死群傷的極端情況;

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

Ⅲ(中低)危險級:火災(zāi)危險性較小，使用性質(zhì)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(zāi)發(fā)生后撲救相對容易，即使發(fā)生火災(zāi)所造成的損失也相對較小;

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

鋼橋防火設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 鋼橋防火設(shè)計流程

3 鋼橋防火措施設(shè)計總體原則

鋼橋防火宜采用簡便、經(jīng)濟、先進(jìn)的措施。進(jìn)行鋼橋防火設(shè)計時，應(yīng)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(shè)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(xiàn)在車輛通行效率。滿足車輛通行效率的需要是鋼橋防火設(shè)計的根本出發(fā)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(shè)計者，需要在保證交通通暢的前提下進(jìn)行鋼橋防火設(shè)計。

2)選用作用機構(gòu)簡單的防火設(shè)計措施

鋼橋防火設(shè)計往往容易進(jìn)入的一個誤區(qū)就是認(rèn)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(shè)計的成功與否不完全看橋梁防火能力的強與弱，經(jīng)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(jīng)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(yīng)明確有效期

在鋼橋防火設(shè)計中采用的防火措施必須特別注意相應(yīng)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(biāo)會發(fā)生嚴(yán)重退化的情況。當(dāng)該項措施的性能指標(biāo)不能達(dá)到要求時需及時更換。否則在橋梁火災(zāi)發(fā)生時，可能出現(xiàn)不僅不能滿足設(shè)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(fā)生。

4)措施應(yīng)具體到構(gòu)件層次

鋼橋潛在火災(zāi)具有高度不確定性，這種不確定性導(dǎo)致了橋梁結(jié)構(gòu)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(chǎn)損失)取決于結(jié)構(gòu)及其在系統(tǒng)中的重要程度。根據(jù)橋梁將來潛在火災(zāi)預(yù)測，針對各種可能出現(xiàn)的情況，選擇適當(dāng)?shù)臉蛄悍阑鸫胧?。根?jù)橋梁性能退化分析，確定不同火災(zāi)下橋梁可能出現(xiàn)問題的構(gòu)件、組件，從而確定需要進(jìn)行防火設(shè)計的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)細(xì)部。

5)強關(guān)鍵構(gòu)件弱一般構(gòu)件

理想的鋼橋防火設(shè)計是使橋梁各可能過火構(gòu)件都具有近似相等的抵御火災(zāi)的能力，即不要存在局部薄弱環(huán)節(jié);更進(jìn)一步的要求應(yīng)該是等破壞設(shè)計，即各可能過火構(gòu)件達(dá)到破壞而引起橋梁達(dá)到破壞的抵御火災(zāi)性能相近。等抵御火災(zāi)性能要求同等充分利用各構(gòu)件防火性能儲備，等抵御火災(zāi)性能設(shè)計則要求強關(guān)鍵構(gòu)件弱一般構(gòu)件，因為關(guān)鍵構(gòu)件的破壞會造成整個橋梁的破壞，而一般構(gòu)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(zāi)類型

某懸索橋(跨徑布置為108 m+248 m+108 m)，根據(jù)相關(guān)經(jīng)濟、社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該橋火災(zāi)危險性等級為Ⅱ(中高)。從《火災(zāi)分類》GB/T 4968—2008可以看出，橋上可能發(fā)生的火災(zāi)類型包括:

A類火災(zāi)，固體物質(zhì)火災(zāi)。固體物質(zhì)火災(zāi)發(fā)生的情況有兩種:一種是車輛載運固體貨物發(fā)生火災(zāi);另一種是橋梁構(gòu)件發(fā)生火災(zāi)。從目前國內(nèi)、外報道來看，橋梁固體物質(zhì)火災(zāi)基本上為第一種情況，即車輛載運固體貨物發(fā)生火災(zāi)。

B類火災(zāi)，液體或可熔化的固體物質(zhì)火災(zāi)(出于運輸經(jīng)濟性考慮，現(xiàn)在工業(yè)氣體一般液化后進(jìn)行運輸)。從目前國內(nèi)、外報道來看，橋梁工程需重點關(guān)注從其上經(jīng)過的各類罐車。

E類火災(zāi)，帶電火災(zāi)。這類火災(zāi)一般是由于橋梁工程上自身電氣設(shè)備出現(xiàn)故障引起的火災(zāi)。從目前國內(nèi)、外報道來看，橋梁工程發(fā)生帶電火災(zāi)的情況還鮮有報道。

4.2 滅火救災(zāi)對策流程

橋上一旦發(fā)生火災(zāi)，應(yīng)盡量在火災(zāi)初期將其撲滅，防止事態(tài)惡化，同時對橋梁使用者提供確切情報，防止車輛駛向火災(zāi)現(xiàn)場，并對駛向橋梁出口的車輛給予正確引導(dǎo)，使其安全撤離失火橋梁。橋梁滅火救災(zāi)對策流程如圖2所示，滅火作業(yè)后還需:確認(rèn)火災(zāi)撲滅→清理火災(zāi)現(xiàn)場→進(jìn)行毀損評估→毀損部位修復(fù)→臨時通行→恢復(fù)正常通行。

圖2 橋梁滅火救災(zāi)對策流程

4.3 消防設(shè)施組成

4.3.1 消防電力系統(tǒng)設(shè)置

1)消防用電設(shè)備采用專用供電回路;

2)橋梁自發(fā)電設(shè)備作為消防備用電源，其自動啟動時間≤30 s;

3)消防應(yīng)急照明系統(tǒng)連續(xù)供電時間≥2.0 h;

4)橋上疏散指示標(biāo)志連續(xù)供電時間≥30 min;

5)消防用電纜線管道與其它管道分開設(shè)置;

6)橋梁內(nèi)部禁止設(shè)置高壓電線電纜。

4.3.2 報警系統(tǒng)設(shè)置

1)橋梁入口外200 m處設(shè)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(cè)設(shè)置報警電話，間距≤100 m;

3)設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)作為輔助裝置;

4)橋梁火災(zāi)應(yīng)急廣播裝置間距≤50 m。

4.3.3 滅火器設(shè)置

1)橋梁出、入口及兩側(cè)均設(shè)置滅火器，間距≤100 m;

2)每個滅火器設(shè)置點配4具(A類1具，B類2具，C類1具);

3)滅火器應(yīng)設(shè)置在位置明顯和便于取用的地點;4)滅火器的擺放應(yīng)穩(wěn)固，銘牌應(yīng)朝外;

5)滅火器宜設(shè)置在滅火器箱內(nèi)(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(shè)置

1)消防用水量按2.0 h火災(zāi)延續(xù)時間確定(消防用水強度30 L/s);

2)設(shè)置消防水池供消防車輛取水;

3)橋梁排水設(shè)施應(yīng)考慮滅火時的消防用水量;

4)橋梁應(yīng)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(zāi)疏散系統(tǒng)設(shè)置

1)橋梁兩側(cè)設(shè)置消防應(yīng)急照明系統(tǒng)(供電能力按消防電力系統(tǒng)設(shè)置要求執(zhí)行);

2)橋梁兩側(cè)設(shè)置明顯的發(fā)光緊急疏散指示標(biāo)志(間距5 m，高度1.5 m);

3)設(shè)置能保持視覺連續(xù)的燈光疏散指示標(biāo)志(間距 20 m)[11]。

5 結(jié)語

1)本文提出了鋼橋防火措施設(shè)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(gòu)簡單的防火設(shè)計措施;措施的性能應(yīng)明確有效期;措施應(yīng)具體到構(gòu)件層次;強關(guān)鍵構(gòu)件弱一般構(gòu)件等。

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

3)對不同結(jié)構(gòu)形式的鋼橋，下一步還需要深入研究其在火災(zāi)中的典型破壞模式。由于火災(zāi)防御、抵抗措施的花費與增加的抵御火災(zāi)能力指標(biāo)之間的關(guān)系明顯地影響最優(yōu)防火措施的采用。因此，進(jìn)一步深入研究兩者之間的相互作用關(guān)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(zé)任審編 孟慶伶)