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对不同分类桥梁防火的概率评估
M.Z. Naser, V.K.R. Kodur
土木与环境工程系,密歇根州立大学东兰辛,MI,美国
关键词:
火灾隐患
重要的因素
桥梁坍塌
概率风险
耐火性
摘要
本文阐述了基于火灾隐患的桥梁简化分类法的发展。利用最近的桥梁火灾统计数据量化分析桥梁火灾的风险以及结构因素引起桥梁火灾发生的可能性，并针对如何识别桥梁在火灾中的脆弱部位提出重要观点。拟议中的重要因素，是使用加权系数的方法，从交通功能和防火策略上去开发考虑不同脆弱性的桥组件。文中提及的消防设计的重要因素与目前用于评估建筑中的风力和积雪承载力的方法相似,是针对以前桥火灾事故的验证。通过验证表明,由该重要性因素而提出的方法可以作为确定桥梁关键火灾隐患的实用方法。
1.介绍
火灾被认为是对正在投入使用的包括桥梁在内的基础设施造成严重损害的灾害之一。近年来，由于城市化地面运输对燃料（易燃和可燃材料）的需求增加。而桥梁附近的任何燃料油船的碰撞都可以引起巨大的桥梁火灾。这些桥梁火灾的强度特点是在最初几分钟其温度峰值高达1000°C [1 - 5]。如此高强度火灾的发生被称为烃类火灾,会造成巨大的经济损失和公共损失。这些损失包括桥梁的灾后维护和不同程度的重建费用以及附近交通路线的绕行成本，2002年,巴特尔预计的桥梁火灾损失为12.8亿美元[6].
纽约州运输部进行的为期15年 (1990 - 2005) 的调查显示火灾导致桥梁崩塌的事件是地震引起的三倍。然而事实是,在桥梁中结构构件是专为地震荷载而设计，并不是为了预防火灾[7]。此外，Wardhaua和Hadipriono [8]以及Scheer[9]三人分别都认为由于桥梁火灾总数中的3.2%和4.9%都经历了某种程度的崩塌。同样，Kodur等人[1,10]对最近的桥梁火灾事件进行了回顾,并指出桥梁火灾会导致桥梁的主要结构性破坏或倒塌。但是目前不存在可为桥梁火灾提供结构设计的规范和标准。
近年来有不少桥梁火灾事件发生。其中一个火灾事件发生在伯明翰和洛杉矶桥梁连接处，那是2002年1月5日,一个运载37000升汽油的油罐车着火了。这座桥是由36.6米长的钢梁铸成。大火导致了温度上升到1100°C的高温。急速上升的温度使钢梁强度和刚度受到破坏，致使桥梁凹陷3 m进而桥梁崩塌[11]。火灾事故后, 民众禁止使用桥梁，他们只能被迫通过附近的路线绕行。由于关键位置受到破坏，,经过长达54天的检修和重建过程，这座桥才得以重新使用[11]。
另一个火灾发生在距离MI的I-75高速公路9英里路的立交桥下面。该火灾事件发生在2009年7月15日，当时运送着50000升易燃燃料的油罐车撞向路过的卡车。然后开始燃烧致使温度超过1000°C。高温导致钢梁的强度和刚度下降。在火中暴露20分钟后，立交桥钢梁失去了支撑能力并倒塌。这些大梁的崩溃影响该地区的交通状况,也导致了高成本的维护和修复[3]。
从之前的桥梁火灾事件中不难发现,火灾对桥梁的危害巨大。然而, 桥梁发生火灾的事件仍然罕见,甚至在这种情况下,只有少数事故会影响桥梁的结构构件成为大火灾。因此,对所有桥梁设计去抵御火灾可能不是经济实用的。但只要有重要的桥梁,都必须从火灾隐患的角度为消防安全而设计。这些关键桥梁可通过类似于用于建筑物雪或风载承载力的预估而设计，使用重新制定火灾的重要因素来完成[10]。本文提出的权重系数的方法，得出设计桥梁消防的一个重要因素。在先前的研究中,Kodur和nas提出的一个基于火灾中桥主梁分类的重要因素[10]。提及的重要性因素只考虑桥主梁容易受到火灾影响,并没有考虑其他主要构件和基础工程组件可能的弱点会起火。为了克服此限制，加权因子法被扩展来推导主要构件和子结构部件（元件），例如，甲板，基台，大梁并考虑到这些结构构件的不同特征。此外，修订后的重要因素受“服务功能” 的影响，如存在于一座桥上的天然气管道和高压输电线路所存在火灾隐患，回影响火灾的风险评估。
命名法
rho;
P
t phi; psi; psi;g
psi;h psi;t psi;e
泊松分布的意思一个事件的概率
年数
重量参数
类因素
几何特性,材料特性和设计
特性类因素
风险(火灾)可能性类因素s
交通需求类因素
psi;f psi;fms
phi;x (max)
phi;i,x
phi;total
Delta;
phi;i,x lambda; lambda;u IF
预计火灾损失类因素
火缓解策略类因素
每个参数的最大重量年龄因素（X）
w类子参数（I）的权重系数（X）
最大重量年龄因素的总和参数
类系数
在类的各个参数分值（X）
整体类系数
更新过的总类系数
重要的因素
2.桥梁的火灾概率风险
火灾事故是遵循随机（概率）方式的随机事件。这些事件的概率性质被描述为一系列随时间发生的独立事件。这些事件的本质可以使用泊松分布量化。泊松分布已被用在先前的研究中用于调查点火的可能性和建筑中发生的火灾事件[12–16].
回顾文献进行统计数据的收集，桥上火灾、火灾原因、国家的交通被火打断的情况、火事件特性(火火强度、燃料类型、时间)、桥整体特征和数量。文献综述清楚地表明,在一些特定的桥梁火灾信息里个缺乏可靠的数据。例如,只有重大火灾事故的桥梁会记录在案。数据相关的交通状态和相应消防条件变化相当于从一个到另一个来源。甚至在一些参数数据可用的情况下,缺乏数学(统计学)模型来表示不同参数的相互作用。例如,没有数学模型表示火灾严重程度,同时桥的特点和火灾引起桥梁崩溃的概率还尚未提供。因此，很显然，有必要开发一种整合这些不同参数的数学（统计）模型，更好地理解其复杂的关系。
然而,根据可用的统计数据,估计火灾爆发的桥梁去开发引起火引起桥梁崩溃的结构构件。这个估计是在一些假设的帮助下获得。这些假设简化了上述各种参数之间的复杂关系,但使用的是可靠的火灾事件的数量和相关的火灾信息。这里使用的方法是类似假设，利用其他研究人员用来估计在建筑物的火灾概率的方法。[3,12–16].
根据美国国家防火协会(NFPA)统计[17],2011年，有195600起汽车火灾事件发生在美国所有道路。这些火灾事件,53700件发生在高速公路上,13800年发生在商业道路上，22500件发生在街道上，剩下的事件发生在农村和住宅车道。如前面所讨论的，对于本研究的目的，假设所有车辆火灾具有相似强度[12-16]。如火灾带来的破坏性影响火灾和火灾温度的函数,类型和可用性的燃料、通风等。
这种火灾强度可以被表示为泊松分布的均值(rho;). 用泊松分布原则,估计在高速公路上车辆火灾的的报道等于NFPA 相对的rho; =（53700 13800 22500）/19500=0.4年。然后应用泊松分布原则,一个车辆火灾发生的概率(P)每年估计为: P = 1 minus; eminus;rho;t = 1 minus; eminus;0.46(1) = 0.37 (37%), （t）为年数。
因为没有桥梁总数的可用统计信息，可以合理的假设公路火灾发生在桥梁附近.在此，假设高速公路火灾的5％在上/下桥发生。按照以上描述的相同的方法，一个火灾在桥上爆发的概率为2.27％，（rho; =，P = 1 minus; eminus;rho;t = 1 minus; eminus;0.023(1) = 0.0227). 根据551条美国[18]规定,风险概率介于0.1%和10%被认为是一个可能的风险。可能的风险是那些可能在公路桥梁寿命期间(50 - 75年) 发生几次的风险[18]。鉴于车辆数量，运输燃料和碰撞次数每年增加，火灾再发生在桥上的概率似乎很现实。此外,Wardhana和Hadipriono[8]最近发表了美国的11年的公路桥梁总数的统计数据和坍塌桥梁的数量 (1989 - 2000)。Wardhana和Hadipriono [8]报道，有691060个公路桥梁。此外，他们还指出，由于不同的极端加载事件的桥故障总数为503个; 16个桥梁由于火灾导致倒塌，以下假设同上面讨论的，至少一个桥的塌陷是由于火灾导致的概率为P = 1 minus; eminus;rho;t = 1 minus; eminus;0.032(1) = 0.031 (3.1%),，其中; rho; = 16 = 0.032年。符合Wardhaua和Hadipriono的发现(4.9%)以及Scheer (3.2%)[8,9]。实际上,在这项研究中使用的假设是实际观测并报道在以前的调查和研究中的。
使用上述相同的程序，至少一个桥在10到50年期间由于火灾而塌陷的概率分别是27.3%和79.8％。这清楚地表明,有一个桥梁可能在50年内又有很高的风险倒塌。
为了比较在桥梁和建筑中火灾问题的严重性,泊松分布应用于分析建筑物中的火灾事件。在2006年，在美国有1.18亿的建筑。2012年,大约480500火灾事件发生在建筑物并有1375000件火灾事件的报道[19]。因此,火灾发生在一座建筑的概率是P = 1minus;e-pt = 1 – e-0.35（1） = 0.295 (29.5%),其中rho;=0.35年，几乎比发生在桥梁上高13倍。
2002年，国家标准技术研究所（NIST）历时32年（1970至2002年）进行了美国多层建筑由于火灾而引起崩溃的调查。此次调查结果显示，有总共22座建筑引起火灾，除了7座由于受到严重的结构性破坏而不得不拆除[20]. 尽管缺乏2002年建筑倒塌的可靠的数据总数,Wardhaua和Hadipriono[8]报道的建筑故障(崩溃)来自各种灾难性事件,包括火灾,是225件。因此，建筑物由火灾引起崩溃的概率为P = 1 minus; eminus;rho;t = 1 minus; eminus;0.129(1) = 0.121 (12.1%),其中rho; = 22 7 = 0.129年。可以看出,建筑倒塌的概率是一座桥的四倍。表1和图1比较火灾事故导致美国桥梁和建筑之间的崩溃的概率。
表1比较火灾的概率事件下导致桥梁和建筑的崩溃。
|
桥梁 建筑物
2000 2012n, 2002nn 结构总数 691,060 118,000,000 火灾事故报告 4500 480,500 火灾爆发的概率(每年) 2.27% 29.5%* 倒塌的结构数 503 225 由于火灾的倒塌结构 16 29 由于火灾崩溃的可能性 (每年) 3.1% 12.1%** |
35%
30% 桥梁火灾
建筑物火灾
25% 一个桥毁坏
可能性
20% 一个建筑物毁坏
15%
10%
5%
0%
图1所示：火灾发生的概率和火灾导致建筑和桥梁的崩溃。
上述统计数据清楚地表明,建筑火灾发生的概率以及火灾引起的建筑物坍塌,远高于桥梁。此外,我们美国国土安全部和Eldukair估计火灾引起的住宅建筑和桥梁经济损害分别是7199和959亿美元[21,22]. 建筑火灾的后果在当前的规范和标准是公认的,因此,结构构件在建筑中要求设计防火是为了居住者安全而主要关心的。另一方面,没有特殊要求的消防安全桥梁设计存在于当前的规范和标准中。这是由于相信住户安全，住宅并不像桥梁是开放的风险结构,且火灾事故桥梁涉及个体数量较少,从而有更高的概率保证任何人员可以迅速撤离到安全的地方。然而,最近的火灾事件表明,一座桥上火灾的后果可以产生毁灭性影响到交通流量和财产损失。因此可以规定桥梁的关键结构构件在一定程度上要有耐火特性。
3 根据火灾风险对桥梁分类的方法
虽然火代表一个对桥梁的重大危害,但它是罕见的。在许多火灾事件中，火灾都迅速停止燃烧并且结构构件也都通过消防在重大损害之前熄灭。因此,为所有桥梁进行防火设计不是经济以及实用的，只有火灾风险隐患高的桥梁要为消防安全而设计。这样的桥梁,在某种程度上,通过提供适当的防火结构构件，火灾隐患可以被解决。在桥梁的结构体系包括主要构件（板和甲板）和子结构件（主梁，桥墩）[1,2]。这些结构构件可以采用不同的材料，并且可以被设计为具有特定的特性。因此，预期桥梁整体耐火性是主要构件和子结构构件的防火性能的函数。为了量化火灾风险并确定适当的防火措施，各构件的耐火性要进行评估。为了这个目的，在基于火灾发生的重要因素，用类似于评估雪或风荷载建筑物的设计，对桥的每个结构构件进行火灾风险的分类。
对桥梁火灾风险中评估的重要性因素是结构的脆弱性和抵御火灾的能力以及火灾事故对交通产生的后果。主构件和子构件的脆弱程度,主要取决于桥梁各种构件的耐火性。火对桥的影响关键依赖于桥的性质和交通功能。
3.1 桥梁相对于火灾的脆弱性
一座桥在火灾下的脆弱性主要取决于功能构件在火灾下的性能。结构构件的火灾性能影响因素,包含几何特性,用于建筑物的材料、加载和约束条件和火灾强度。例如,截面几何和构件细节设计可以显著提高构件的耐火极限,即相比那些更小的部分更多构件能表现较高的耐火性。同样,增加钢筋混凝土的保护层能增强钢筋混凝土构件的耐火极限。此外,组
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