《International Journal of Thermal Sciences》：Experimental investigation of cable temperature response in vehicle fires for cable-supported bridges
编辑推荐：
摘要由于车辆火灾风险日益加剧，大跨度索承桥的防火安全受到了越来越多的关注。本研究基于石资阳桥，利用1:4缩尺火灾试验平台，研究了桥索的热响应特性。试验采用汽油池火和聚乙烯（PE）池火分别模拟油罐车与载货卡车火灾场景，并考察了不同横风条件下的响应特征。结果表明，汽油火灾导致快速
摘要
由于车辆火灾风险日益加剧，大跨度索承桥的防火安全受到了越来越多的关注。本研究基于石资阳桥，利用1:4缩尺火灾试验平台，研究了桥索的热响应特性。试验采用汽油池火和聚乙烯（PE）池火分别模拟油罐车与载货卡车火灾场景，并考察了不同横风条件下的响应特征。结果表明，汽油火灾导致快速且剧烈的加热效应，索体温度可接近1000°C。相比之下，PE火灾温度增长较慢但热暴露时间更长，峰值温度约为650°C。严重的车辆火灾在索体高度方向上产生了大范围高温区域，表明索体下部承受了较大的火灾暴露。研究提出了一个三区域索体加热机制，以表征热辐射、对流和空气卷入的综合效应，并通过火灾动力学模拟器（FDS）数值模拟验证了其有效性。此外，通过引入风速和火灾位置，建立了一个统一的温度分布模型，用于预测索体沿高度方向的温度衰减。研究结果为确定索承桥的防火覆盖范围、保温温度极限和分区耐火设计策略提供了定量依据。
引言
大跨度索承桥因交通运输需求的不断增长而被广泛建设，此类桥梁包括斜拉桥和悬索桥。具有代表性的索承桥包括中国的南沙大桥、美国的金门大桥、日本的明石海峡大桥以及丹麦的大贝尔特桥和小贝尔特桥。这些结构在区域交通网络中发挥着关键连接作用。然而，桥索系统通常含有钢构件，对火灾较为脆弱。高温会迅速降低其力学强度[1]。火灾引起的变形或构件失效会重新分配内力，在严重情况下可能引发渐进性倒塌[2]。Lee等[3]回顾了1980年至2012年间美国1062起桥梁失效案例，火灾占比3.2%，超过了强风（1.8%）和地震（2.1%）[4]。近年来，随着交通量的增加和桥梁建设的不断发展，桥梁火灾呈上升趋势，促使学术界对桥梁防火安全给予越来越多的关注[5,6]。
在索承桥中，主缆、吊杆和斜拉索承担桥面重量及车辆荷载，因此是关键的承重构件。任何承重构件的损坏都会损害整体结构完整性，可能导致灾难性倒塌。例如，2025年4月23日（北京时间），中国北京市顺义区顺平路潮白河大桥发生了一起火灾事故（图1）。事故由桥梁倒U形盖板内照明电缆短路引发，点燃了内部可燃物。火焰沿拉索高密度聚乙烯（HDPE）护套蔓延，导致多个吊杆和拉索在高温下力学性能快速退化。这些构件的连续失效导致对应吊杆位置的梁体倒塌以及主桥部分跨中坍塌，造成直接经济损失1629.8万元人民币。另一个代表性案例发生在2013年7月，一辆卡车在丹麦新小贝尔特悬索桥边跨主缆最低点附近起火[7]。37分钟的火灾暴露烧穿了缆索的外部密封层（螺旋缠绕胶带）并损坏了表层钢丝。此事件随后促使大贝尔特桥和小贝尔特桥的主缆安装了防火保温层[8,9]（见图2）。
2024年发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上的一篇展望文章主张，在桥梁规划阶段应主动采取防火结构设计，以调控火灾发展进程并减轻其潜在的灾难性后果[10]。然而，当前桥梁设计规范对索系统的防火保护提供了有限的指导[[11], [12], [13]]。因此，关键设计参数——包括目标保护温度和所需保护高度——仍不确定。2017年，丹麦小贝尔特桥在边跨主缆被车辆火灾严重损坏后，对索系统进行了耐火加固。小贝尔特桥的保护高度不超过10米，而大贝尔特桥采用17至18米[9]。先前研究报告称，超过300°C的高温可能延伸至桥面以上约18至20米处[14,15]。这些差异表明，需要额外的火灾试验来量化桥索的垂直温度响应并确定合理的防火参数。
Ge等[11]研究了汽油池火条件下的索体温度，并建立了适用于应急车道火灾场景的基于高度的温度分布模型。然而，该研究仅限于单一燃料类型和火灾位置，未提供用于解释不同车辆火灾场景下索体加热特性的通用框架。实际上，油罐车火灾与载货卡车火灾表现出截然不同的燃烧特征，且火灾可能发生在应急车道或慢车道（内侧车道）。此外，横风可改变火焰倾斜角度、火焰与索体的相互作用以及火羽流的空气卷入效应，而其与火灾位置的耦合影响尚未充分纳入现有预测模型。因此，需要综合考虑燃料类型、火灾位置和横风条件开展系统性研究。
为满足索承桥防火保护的实用需求，本研究基于中国石资阳桥开展了一系列1:4缩尺火灾试验。试验采用汽油池火和聚乙烯（PE）池火分别代表油罐车火灾与载货卡车火灾场景。与先前研究相比，本研究有四个主要贡献。首先，比较了燃烧行为差异显著的汽油火灾与PE火灾的索体加热特性。其次，量化了应急车道与内侧车道火灾场景下，不同横风速度范围内桥索的垂直温度分布。第三，提出并通过数值模拟验证了一个综合考虑热辐射、对流和空气卷入的三区域加热机制。第四，开发了一个同时考虑横风速度和火灾位置的统一温度分布模型。上述贡献为确定索承桥的设计温度、垂直保护覆盖范围及分区防火策略提供了定量基础。
章节摘要片段
桥梁工程及其面临的火灾威胁
如图1所示，石资阳桥采用单跨双层悬索桥结构。桥塔之间的跨径为2180米，每侧边跨长度为670米。每层桥面设有8条行车道和2条应急车道，桥面宽度为42.6米。建成后，该桥将成为世界跨径最长的双层悬索桥。桥梁周围是发达的工商业区域，预计日交通量为
池火燃烧速率
图4展示了典型汽油池火（试验17）与PE板池火（试验21）的质量损失历程。尽管两者初始燃料质量相当，PE池火的燃烧持续时间约为汽油池火的八倍。汽油火灾在点火后约50秒迅速进入稳定燃烧阶段，达到峰值燃烧速率0.07 kg·m?2·s?1，在约600秒的稳定燃烧期间平均燃烧速率为0.06163 kg·m?2·s?1。
结论
本研究通过实验和数值方法，系统研究了不同车道火灾位置及横风条件下车辆火灾作用下悬索桥缆索的温度上升特性、垂直温度分布和近场加热机制。开展了大规模汽油和PE池火试验，并建立了桥索的统一温度分布表征模型。主要结论总结如下。
CRediT作者贡献声明
Shaokun Ge：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，监督指导，资源保障，项目管理，调查研究，资金获取。Bobo Shi：写作——初稿撰写，软件开发，方法论设计，形式化分析。Jia Li：方法论设计，形式化分析，数据整理，概念构思。Junyi Li：写作——审阅与编辑，可视化，验证，资金获取。Congling Shi：写作——审阅与编辑，验证，监督指导，概念构思。Fubao Zhou：写作——审阅
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述工作的客观性。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52074277）、中国博士后科学基金（项目编号2025M781748）以及北京市自然科学基金（项目编号8232017）的资助。
Shaokun Ge|Bobo Shi|Jia Li|Junyi Li|Congling Shi|Fubao Zhou|Zhengwei Yang
