摘要
虽然桥梁火灾构成了现实的威胁，但目前的设计规范中并没有涉及这一话题。本文分析了个桥梁火灾案例的相关资料，提出了桥梁在火灾中所遭受的损害程度分类，并确定了桥梁火灾损害的主要因素，这些因素包括：参与火灾的车辆类型及其位置、桥梁的垂直净空、构成桥面的材料类型。分析结果表明，木质桥梁最易发生火灾，而桥下运送汽油的油罐车，或在桥上并造成桥下严重泄漏的油罐车，是导致桥梁坍塌或拆除的大部分火灾的原因。
关键词：火灾，桥梁，统计分析，油罐车火灾，基于性能的方法
引言
最近的研究（Garlock等人，年；Wright等人，年；Mostaffei等人，年）强调了桥梁火灾的重要性，以及现行规范未能提供充分保护桥梁免遭火灾的设计标准。事实上，涉及桥梁设计的规范，如Eurocode1part2(欧洲标准化委员会CEN-)和美国州公路和交通官员协会(AASHTO)标准(AASHTO)完全忽略了桥梁火灾，而火灾设计标准，如Eurocode1part1-2(CEN)则侧重于建筑物，但没有涵盖桥梁。唯一包含如何处理桥梁火灾信息的标准是美国国家消防协会（NFPA）《公路隧道、桥梁和其他有限通道公路标准》（NFPA）。该标准包含了一些适用于米长以上桥梁的准则，但该准则是沿着一般的思路，并没有说明如何分析桥梁在火灾荷载下的情况，也没有说明如何保护桥梁免受火灾的影响。例如，《NFPA》第6.3.3节规定，对于贯通式桁架桥和索桥或高架公路，应进行工程分析，以确定可接受的风险，包括可能发生的坍塌，但它没有就如何进行必要的工程分析提供任何指导。
现行规范中的这一空白以及桥梁火灾的严重后果，近年来引起了大量研究。研究小组建议使用火灾曲线（例如见Payá-Zaforteza和Garlock，年）、基于辐射热通量计算的简化方法（Quiel等人，年）或计算流体动力学技术（Alós-Moya等人，年，Peris-Sayol等人，年，年，Wright等人，年，Gong和Agraval，年）。在这些研究中，大多数分析集中在桥面下翻车的油罐车引起的火灾上（Wright等；Alós-Moya等，Peris-Sayol等，），尽管Wright等和Gong和Agraval比较了不同车辆的火灾影响，包括公共汽车、重型货车和油罐车。在这些研究中，油罐车被用作火灾荷载，因为这种类型的车辆是最严重事故的罪魁祸首，如哈泽尔公园（）、 迷宫（）、鲁昂（）和俄亥俄州（）（事故信息见表1）。然而，这些研究并没有对各种火灾事件的原因和后果进行详细分析。
[年1月5日星期六。伯明翰市中心大约上午10点，在65、20和59号州际公路交汇处，一辆汽油罐车撞上了I-65南行桥。火和热导致钢梁一侧下垂达3米(10英尺)。立交被烟雾吞噬，烟雾弥漫在天际线上，该市的驾车者和居民都能看到。事情的起因是，一辆汽车为避免错过出口，将车停在一辆汽油卡车前，卡车为避免撞上汽车，转弯撞向I-65南行线下的桥墩。这辆拖着37,升（9,加仑）燃油的卡车爆炸成火球，估计温度一度达到1,℃（2,℉）以上。热量导致该桥的几根钢梁下垂约2至3米(7至10英尺)，结构倒塌。]
[年1月27日，工程师们得出结论，怪异的水平闪电击断了希腊Rion-Antirion大桥上最长的斜拉索，这次事故没有造成人员伤亡或严重的结构性破坏。大桥于2月1日重新开放。完成了更换长约米的断裂斜拉索和另一条受损斜拉索的工作。这座耗资8.7亿美元、全长2.25公里的连接伯罗奔尼撒半岛的大桥于年8月开通。调查人员说，闪电将高密度聚乙烯和蜡质防腐层点燃，该斜拉索距离第一个桥塔约米。工作人员在大约一小时后发现了火灾，并在几分钟内关闭了桥梁。燃烧的斜拉索在上午11点20分左右断裂，也就是关闭后40分钟。掉落的斜拉索在其下方的斜拉索套管中引发了火焰。法国顶级桥梁工程师MichelVirlogeux说，经检测，大桥%安全。总部位于巴黎的Vinci集团是Gefyra的股东之一，领导了项目的设计和施工。他补充说，这次事件是从未想象过的情景。断裂的斜拉索包含64根韩国制造的平行钢绞线，每根有7根钢丝，镶嵌在蜡中，用高密度聚乙烯护套。该结构的设计可以在最多缺少两根斜拉索的情况下正常工作。巴黎FreyssinetInternationalS.A.公司的技术总监BenotLecinq说：根据目击者的描述，看起来像是水平闪电[击中]了斜拉索，他是斜拉索团队的一员。他补充说，闪电的强度是特殊的。]
在此背景下，本文研究了火灾事件的特征、桥梁的几何和结构特性与桥梁因火灾而遭受的损失之间的关系。这里提出的研究基于对年至年期间起桥梁火灾案例的分析，是对之前工作的补充（Naser和Kodur，）。该研究旨在寻找最容易发生火灾的桥梁类型，并建立研究桥梁火灾响应时应考虑的火灾情景。我们还旨在为开发基于性能的方法，将防火措施纳入桥梁设计奠定基础。通过专注于工程事故的分析，本文还旨在从以前的灾难中学习，并扩展其他研究小组所考虑的工程方面的内容（例如，见Calderón等人，年；Dai等人，年；Lee和Wang，年；Carretero-Ayuso等人，年）。本文组织如下。首先介绍了用于定义桥梁火灾特征参数的方法，然后对所有考虑的参数之间的关系进行了统计分析，最后给出了研究的主要结论。
数据收集
本研究以Garlock等人（）的工作为出发点，他们收集了11起桥梁火灾的现有资料。通过对专业期刊上发表的信息、桥梁管理部门的报告和新闻上发表的信息进行广泛的搜索，将原来的11个案例扩展为总共个。这些信息被汇集成一个数据库，其中包括以下字段：桥梁火灾的识别名称、桥址、桥面材料、桥梁结构体系、桥梁跨度和宽度、火灾原因、火灾造成的损失程度。储存中的产品或用卡车运输的产品引起的火灾时，还要注明燃料种类。如果是油罐车引起的火灾，还详细说明了油罐车的位置。以下是所有这些领域的进一步详情。
桥址
考虑了三种类型的桥址。
1）农村：涉及交通量不大的二级公路。
2）城市：桥梁是城市路网的一部分。
3）郊区：在通往城市或工业区的通道上。
主梁材料
包括四类：钢筋或预应力混凝土、钢结构、钢-混凝土复合结构、木结构。
结构体系
考虑的类型有：斜拉桥、悬索桥、拱桥、桁架桥、箱梁桥和工字桥。
请注意，在本研究中，桥梁结构体系和桥梁材料被视为两个独立的领域。这意味着，例如，与工字梁桥相关的结果适用于这种结构体系，而不考虑桥梁中使用的建筑材料。
桥梁跨度和宽度
桥梁的跨度和宽度大多来自于事故调查中的数据。在没有这些资料的情况下，我们借助谷歌地球来估计这些尺寸。
起火原因
在分析火灾影响时，起火因素是至关重要的因素之一。本研究考虑以下七种火灾原因。1）汽车：由汽车燃烧引起的火灾。在这种情况下，火势是由汽车部件及其燃料所滋生的，在99%的情况下，燃料是由汽油或柴油组成的（SocietyofFireProtectionEngineersSFPE-）。2）卡车：由运载除高度易燃燃料以外的货物的卡车引起的火灾。在某些情况下，只有卡车着火，其他情况下货物也会着火。3)油罐车：这种类型还包括运输高度易燃液体或气体燃料的火车。4)电气问题：在许多情况下，桥梁的电气设备涉及到短路的风险，并由此导致结构或其周围环境的火灾。5）储存的材料：桥下的空间经常被用作仓库，材料有时会着火，损坏桥梁结构。6）森林火灾或纵火：桥梁陷入森林火灾或被纵火者故意烧毁。7）其他：包括不属于上述任何一类的，如模板火灾或原因未定的。
燃料类型
这一类是在火灾显然是由于储存中或用卡车运输的产品燃烧引起的情况下考虑的。研究了以下燃料类型：汽油、柴油、其他碳氢化合物、酒精类液体、轮胎、塑料和其他固体材料。
油罐车位置
当起火因素是油罐车时，油罐车和燃料泄漏的位置决定了火灾荷载与桥梁结构的位置关系。这个火灾荷载位置对于确定桥梁的哪些部位会受到火灾的影响，从而研究桥梁的损坏程度是非常重要的。在本研究中，考虑了以下四类火灾荷载位置。1）油罐车在桥上，燃料没有溢出到下部。2）油罐车在桥下。3）油罐车在桥上，但有相当多的燃油溢出，导致下段发生火灾。4）油罐车在桥面附近，但未接触到主梁。
损害等级
对桥梁造成的火灾损害分为五个等级：从最低（损害等级1）到最高（损害等级5）（见下文）。图1显示了一些例子，说明了这些桥梁的损坏程度。
图1.一些桥梁损坏程度的例子
桥梁损坏程度的一些例子：(a)损坏等级2：西班牙马德里一座预应力混凝土桥发生火灾后混凝土剥落。图片由InesIngenierosConsultores提供。(b)损坏程度3：西班牙卡斯蒂利亚-莱昂（CastillayLeón）一座系杆拱桥的吊杆和横梁必须更换。图片由A.T.P.IngenieríaS.L.提供。(c)损坏程度4：美国阿拉巴马州伯明翰的I-20/I-59/I-65交汇处。图片由阿拉巴马州交通部提供(d)破坏程度5：美国加利福尼亚州奥克兰 迷宫枢纽的一部分坍塌。图片由罗伯特-坎贝尔提供。
损坏等级1：表面损坏
最低限度的损坏，主要影响主梁桥面层或主梁下方或设备，无结构性损坏。
损伤等级2：轻微损伤
桥梁结构性损伤，可以修复而不更换主要结构构件。例如：a)混凝土剥落，不影响钢筋。b)混凝土发黑或发红。c)主梁轻度损坏，不需要更换。
损坏等级3：部分损坏
这类损坏涉及更换主要结构部件，包括需要修复的暴露和损坏的混凝土钢筋。
损坏等级4：大规模损坏
桥梁受到相当大的损坏，但没有倒塌。但是，由于其剩余强度和修复的可能性不确定，因此要将其拆除并建造新的结构。例如：a)钢结构：大面积的不可修复的弯曲或变形。b)混凝土结构：大面积的剥落，以及暴露的和不可修复的钢筋。
损坏等级5：结构坍塌
桥梁全部或部分坍塌。表1的最后一栏显示了15座桥梁在火灾中遭受的破坏程度。
统计分析
方差分析（ANOVA）统计检验是分析从座桥梁火灾中收集到的数据的主要工具。这种检验比较三组或多组对一个或几个变量的平均值，用于确定独立变量（如桥梁结构系统或主梁材料）对回归分析中因变量（桥梁损坏程度）的影响。这种影响由一个称为p值的系数给出。低p值表示有显著影响。关于方差分析的更多细节可以在专业文献中找到（如Kutner等人年），这里不给出。所有分析均在Statgraphics软件（StatPointTech.）上运行。当发现所分析的独立变量对桥梁破坏程度有显著影响时，利用Tukeys区间对桥梁破坏值进行图形比较，比较分析变量的平均值。当两个变量的Tukey区间不重合时，说明它们之间存在显著差异。当它们重叠时，则没有显著差异。
主梁材料
第一个方差分析是关于主梁材料对桥梁破坏程度的影响。该分析的p值为0.0，说明影响显著。结果图见图2。
从这个分析可以得出的主要结论是。1）木质桥梁的抗火行为比其他材料制作的桥梁差得多。这表现在：平均破坏程度为4.8，Tukey区间与其他材料的区间不重合，79%的木桥在发生火灾时倒塌。这种较差的行为是由于木材是可燃物，不像钢材或混凝土那样，所以只要有一个小的热源就可以引起快速燃烧和倒塌，不需要外部热源来传播火势。组合桥、混凝土桥和钢桥的平均破坏程度分别为2.6、2.3和2.0，相应的Tukey区间重合。因此可以得出结论，这几类桥梁的火灾反应没有统计学上的显著差异。组合材料桥梁的平均破坏程度高于其他组别（木桥除外）。还应指出的是，尽管一些混凝土桥梁在火灾中受到严重破坏（如大面积混凝土剥落、钢筋断裂），不得不拆除重建，但没有发现混凝土桥梁在火灾中倒塌的案例。然而，如表1所示，有9例钢筋混凝土组合桥在施工过程中或完工后因火灾事件中达到的高温而倒塌，包括纽约布鲁克林皇后区高速公路（年）、奥克兰 迷宫枢纽（年）和底特律哈泽尔公园（年）。但是，还应该指出，有几座桥梁（如表1中的Hesperia桥年的火灾）在施工过程中因用作混凝土模具的木模板起火而倒塌。这些坍塌发生在很短的时间内，没有给消防部门干预的时间。还要注意的是，起火的钢桥都横跨河流或重要的山谷（如见表1中的Queensboro桥火灾和Mezcala桥火灾）；在这些情况下，火灾不可能是由桥下的油罐车引起的，而油罐车是最有害的火灾负荷，这一点将在火灾起源小节中讨论。这个事实解释了为什么钢桥的平均损坏程度低于混凝土和组合桥，即使混凝土的防火性能比钢桥好。
[年1月16日，一辆满载8加仑汽油的油罐车在罗斯福大道附近的一座临时施工桥下的东行车道上翻车爆炸。橫跨BQE的臨時橋樑倒塌，加上火勢猛烈，威脅到附近RooseveltAvenue天橋和載有IRT#7地鐵線的高架橋，車輛和火車的交通至少停頓24小時，BQE的交通也是如此。幸运的是，没有人在这次事故中严重受伤。]
[年7月15日，星期三，晚上8点过后不久，在I-75北行线九里路发生了一起涉及一辆油罐车、半卡车和客车的车祸。三车相撞导致油罐车爆炸并起火。爆炸和火灾产生的热量削弱了北行车道上的部分桥梁，导致其在晚上8点40分倒塌在下面的高速公路上。]
[年5月24日，周日，一辆油罐车在底特律北部I-75公路爆炸，浓烟仍在上升。DianeWeiss，底特律自由出版社报道]
火灾起因
在上一节中可以看出，由于木材的热值较高，无论起火原因如何，木桥在火灾中都非常容易倒塌。因此，下面的分析不包括木桥火灾的数据，因为无论火灾的原因是什么，这些桥梁几乎不可避免地会坍塌。对火灾的起因和造成的损失之间是否有关系进行了研究，如果有关系，那么产生最大损失的原因是什么，因此在研究中应该得到最密切的