中国桥梁建造数量逐年增加，发展速度快，现拥有桥梁超100万座，且用途广泛，主要包括公路桥梁、高铁桥梁和城市桥梁。桥梁结构形式多样（梁桥、组合体系桥等），跨径卓越，在世界已经建成的排名前10位的各类大跨径桥梁中，中国桥梁占数最多，有世界上最长跨海大桥、最长高铁桥、最大公铁两用桥、最大跨径钢拱桥和大型城市立交桥等，被赞誉为世界上桥梁建设的强国。随着高性能材料和智能建造技术的快速发展，桥梁结构整体质量会变轻，跨径会变得越来越大，结构形式也会随之纤柔，结构功能会持续优化，每根构件的功能均显得举足轻重。若桥梁结构中的某个构件发生严重损伤，会大幅削弱结构的全寿命服役功能，可能导致整个结构失稳，甚至引起垮塌。交通类火灾是严重威胁桥梁结构全寿命建造与安全服役的关键因素之一。桥梁结构当前使用的高性能材料普遍存有共同的缺点，就是其不具备耐高温性能，所以使用高性能材料的桥梁结构一旦受火，材料性能必然劣化，构件随之破坏，节点失效，结构势必严重损伤。加之，桥梁作为交通要道的咽喉和基础设施结构的重要组成部分，属于公共设施，遭遇严重火灾后，交通必须中断，结构进入评估与修复和重建状态。等待交通恢复期间，车辆或轮船需绕道而行，物流保障受阻，保障效率则会降低，经济损失严重。当今，能源需求量大幅度持续增加，能源运输密度也在加大，由此导致的交通类火灾频发。在所有的交通类火灾中，油罐车、油轮（各种危化品车辆和轮船的统称）对桥梁结构的威胁最为严重。油罐车或油轮发生火灾后，短时间内温度可超过1 000 ℃，部分危化品发生火灾温度会更高，甚至会超过1 600 ℃，几乎所有交通基础设施在此温度下均会遭遇毁灭性破坏，同时严重威胁生命安全，造成巨大损失（图1）。1 桥梁火灾与事故
桥梁火灾一般是由桥下堆积物、交通事故、恐怖袭击、战争和闪电等造成的火灾，其中，油轮火灾、油罐车火灾、恐怖袭击和战争导致的桥梁火灾最为严重，且部分火灾难以预防，结构防护难度巨大。 Kodur等统计了2000年以前美国桥梁火灾事件，经过分析获悉了桥梁火灾每年发生的概率为2.27％，火灾致桥梁结构倒塌的数量占所有桥梁倒塌数量的3.1％；建筑结构火灾每年发生的概率为29.5％，火灾致建筑结构倒塌的数量占所有建筑结构倒塌数量的12.1％。Wardhana等统计了美国在1989—2000年之间的503座桥梁倒塌事件，研究并获知了火灾与地震致桥梁垮塌概率基本一致，均高于3.0％，如图2（a）所示。纽约交通运输管理部门统计了美国2008年以前倒塌的1 746座桥梁的数据，并对此进行分析，发现火灾致桥梁垮塌的概率是3.2％，地震致桥梁垮塌概率是1.1％，火灾致桥梁垮塌的概率是地震致桥梁垮塌概率的2.9倍，如图2（b）所示。 由此数据分析并对比可知，考虑灾时时间延伸的概率性和时间累积效应，火灾致桥梁倒塌的概率高于地震，约为地震的3倍，而且桥梁火灾概率和火灾致桥梁倒塌概率是逐年同步上升的，Kodur等的调查资料中显示2020年美国发生17.3万起公路车辆火灾，在车辆安全性能提升和交通保障体系快速发展的条件下，公路车辆火灾仍居高不下，其所致桥梁火灾有呈大幅上升的趋势。究其原因主要归结为城市格局的加密、各类能源需求量的增大、交通流量的大幅增加，以及其他意外事件所致，其导致桥梁火灾环境复杂，火灾温度峰值极高（超过1 000 ℃），持续时间过长，救援难度巨大，甚至无法救援。
据相关文献和媒体报道，在此分别列出不同类型桥梁火灾，包括预应力混凝土梁桥、钢板-混凝土组合梁桥、钢桁架梁桥和斜拉桥遭遇意外火灾时的事故特点与结构损伤状况。
2017年3月，位于美国乔治亚洲I-85号洲际北行公路，400号公路以南的分道特大桥遭遇严重火灾。该桥为预应力混凝土梁桥，跨径为30.3 m，上部结构横桥向由10片预应力混凝土T形截面梁通过横隔板连接，下部结构横桥向由3根柱式钢筋混凝土桥墩共同连接预应力横梁组成。火灾起因是人为蓄意点燃了储存于桥下大量的PVC管，由于该PVC管为高密度化工产品，温度很快达到了1 100 ℃，混凝土爆裂严重，火灾30 min后，受火跨桥梁整体垮塌，相邻跨也遭遇严重损伤，需要拆除更新（图3（a））。
2007年4月，在美国洲际公路I-80/880桥至I-580桥之间行驶的一辆载有约32 t汽油的油罐槽车发生翻车事故，坠落桥下导致汽油外泄并引发严重火灾。消防官兵接到火情救急电话后，15 min内急奔火灾事故发生地，全方位进行灭火。此时，火灾事故现场的环境温度已经超过1 000 ℃。该桥上部结构为两跨钢板-混凝土组合连续梁，跨径为25. 6m，钢板和混凝土无法在极端高温环境中发挥结构正常功能，于是在火灾燃烧22 min后，I-580立交桥的两孔钢梁发生软化并即刻倾覆，邻近的桥跨结构及下部结构也遭遇了严重的高温损坏。该火灾导致联邦政府耗费昂贵的桥梁拆除与修复费用，约计900万美元，其中430万美元拆除费用，桥梁拆除与修复期间，每天约损失600万美元（图3（b））。
2020年7月，一辆货运列车行驶通过美国亚利桑坦佩镇湖（Tempe Town Lake）的大桥上时意外脱轨，导致列车上载有大量的木制品和不明化学危险品被点燃，现场燃起大火。该桥为7跨钢桁架连续梁桥，发生火灾后，其中一跨连续钢桁架梁短时间内发生垮塌，也致使桥下交通中断（图3（c））。
2014年10月，湖南境内一在建大桥由于索塔内部施工时意外起火，导致9根斜拉索被烧断。虽然现场所有起火点短时间内被全部扑灭，未造成人员伤亡，但由于高强拉索对高温非常敏感，致使火灾高温迅速破坏了拉索结构，9根拉索断裂导致断索侧桥面下沉约2 m（图3（d））。2011年8月，浙江境内一辆载有硬脂酸货物的半挂平板货车行驶至高速公路某大桥处时意外起火，该桥上部结构为先简支后连续的预应力混凝土箱梁，每跨桥由4片预应力混凝土小箱梁组成。事故造成该大桥盖梁、立柱、桥面严重受损，钢筋外露，预应力管道周围混凝土大面积爆裂，管道暴露，被迫拆除更新，交通封闭（图3（e））。2022年6月，深圳市一座在役钢桁架梁桥发生火灾，事故是由桥底电缆起火而引发，火势较大，烟雾浓厚，无人员伤亡。火灾后钢桁架上、下弦杆及腹杆有明显烧黑痕迹，桥墩混凝土部分剥落。钢桁架梁桥的维修以及通过转供电方式恢复用电的应急措施产生了较大经济损失（图3（f））。2 桥梁耐火韧性
耐火韧性指桥梁抵抗火灾的性能和火灾后结构的康复性能，桥梁结构抵抗火灾的性能称为耐火性能，火灾后桥梁结构的康复性能包括自恢复性能和可修复性能。火灾高温首先导致桥梁结构局部材料功能劣化，即结构局部发生损伤，并且随着火灾温度的增加，受火时间的增长，损伤面会快速扩展，损伤程度从而急剧加深，不同结构在不同的火灾环境下具有不同的耐火性能，一般可用耐火极限（耐火时间）来表示其耐火性能的优或差。其中，耐火极限是指桥梁结构在某种火灾条件下结构部分功能或者整体功能衰减至规定限制的时间，而此种规定限制与结构（构件）的挠度（变形）、挠变率、抗剪承载能力、抗弯承载能力与破坏形态（复杂组合体系可用此破坏准则）等密切相关。图4给出了桥梁结构（构件）的耐火韧性（挠度和抗弯承载能力）随时间的变化曲线，即刚度与强度随受火时间的变化关系。由图4可知，结构的耐火韧性模型曲线由耐火性能变化曲线a、自恢复性能曲线b和可修复性能曲线c这3部分组成，耐火性能曲线决定了自恢复性能曲线b的变化程度，同时与可修复性能密切相关。然而，当前的研究主要聚焦于结构的耐火性能变化曲线a，未能挖掘自恢复性能曲线b和可修复性能曲线c与耐火性能变化曲线a之间的关联程度。此为解决桥梁耐火韧性的难题之一。结合图1的桥梁耐火韧性变化曲线，可用如下公式表示其耐火韧性FD
表1给出了火灾全过程（升温和降温阶段）不同类型桥梁结构（混凝土结构梁桥、钢结构梁桥和组合体系桥）的破坏特征和耐火时间，包括火灾致易损场景和破坏准则，其中：L为桥梁计算跨径；L0为桁杆长度。由表1可知，由于桁杆和索的特殊性，火灾高温下钢桁架结构桥梁和索支承体系桥梁更易损伤，火灾全过程破坏状态与耐火韧性有着密切的联系，因此，对桥梁耐火韧性的研究应深入分析桥梁的火灾全过程破坏特征与耐火时间，挖掘其破坏机理，并充分考虑主动防火与被动抗火之间的经济平衡，是未来桥梁火灾安全理论与控制方法研究的方向之一。2.2 梁 桥
基于材料属性，梁桥可分为混凝土梁桥和钢梁桥。混凝土梁桥和钢梁桥主要以上部结构的类型区分。2.2.1 混凝土梁桥
混凝土梁桥又称混凝土结构梁桥，混凝土梁桥在桥梁工程中所占比例超过85％，上部承重梁主要包括普通钢筋混凝土梁和预应力混凝土梁。混凝土梁桥遭遇火灾后，表观特征主要呈现为混凝土颜色改变、混凝土爆裂与剥落、钢筋熔断或鼓胀、预应力孔道外漏、混凝土产生较大裂缝等（图5）。混凝土梁桥的高温致损机理、弯曲破坏、剪切破坏及其性能提升设计方法均是火灾下（后）混凝土梁桥关注的焦点。混凝土高温爆裂是混凝土梁桥遭遇火灾时最为棘手的问题，升温极为迅速的油罐车或油轮火灾（可统称为碳氢火灾）极易导致混凝土爆裂，不仅致受力钢筋直接暴露于火灾中，而且使构件受力截面减小，大大降低结构的耐火性能，甚至导致结构的倒塌。由于预应力混凝土梁的强度相对普通钢筋混凝土梁的强度高，加之预应力的存在，混凝土高温爆裂较为严重。相关研究成果表明，普通混凝土高温爆裂机理主要归结于孔隙蒸汽压力和热应力2个方面。另外，水化产物的分解、水泥基体的收缩、骨料的膨胀或者内置钢骨架的热变形也会导致混凝土高温爆裂。也有学者提出混凝土高温爆裂的统一温度理论，该理论认为混凝土温度在220 ℃~320 ℃，由蒸汽压力导致爆裂，在430 ℃~660 ℃间热膨胀约束导致爆裂，大于750 ℃时高温化学反应导致爆裂。然而，爆裂风险与相关受火试件的参数之间存在关联性，如混凝土含水率、骨料类型、纤维掺量、混凝土强度、应力水平、钢筋数量和位置、钢筋变形等。尽管目前有多种对爆裂风险的解释，但由于爆裂的随机性太强，仍然没有统一的理论和数值模型可以准确预测，因此，还需要更多数值工作、试验结果和实测数据来测试以及采用机器学习来预测关于混凝土爆裂所致结构的风险程度。遭遇火灾的混凝土发生高温爆裂，导致钢筋熔断，预应力孔道外露，造成承载性能衰退，混凝土结构产生裂缝。混凝土之所以易高温爆裂，可溯源于其截面的温度场分布特点以及形成过程。因此，当前进行混凝土结构抗火分析和设计的重要环节之一就是确定火灾下结构与构件内部的温升路径，其可采用解析法或数值法，并基于热传导理论分析构件的升温过程。然而，实际工程中构件的升温过程采用解析法难于求解，数值法可在已知材料热学参数的基础上计算任意火灾下构件的升温过程。桥梁中使用的截面相对比较复杂，如箱形截面梁等，不仅存在连续介质内的热传导，还存有内部空腔的非连续介质传热，使得截面升温计算非常复杂。除此之外，相关研究表明，混凝土内部水分在100℃~120 ℃时蒸发，混凝土龄期和水分含量对截面温度场的分布影响显著。由于预应力混凝土桥梁跨径较大，桥梁火灾多为局部火灾，火焰辐射的距离和角度均不相同，使得构件温度沿纵向和横向非均匀分布，导致截面温度场的计算更为复杂。对于预应力混凝土梁，火灾致损机理是学者们关注的焦点。相对于普通钢筋混凝土梁，预应力混凝土梁在使用荷载下截面会存有更大程度的压应力，且在设计和施工中倾向于使用强度更高的混凝土，过高的压应力和高强混凝土是火灾中极易引发爆裂的危险因素，因此，可认为在其他因素相同的条件下，预应力混凝土梁比普通钢筋混凝土梁更容易发生爆裂，而且易发生在预应力孔道周围。预应力钢束在高温作用下脆断几率较普通钢筋大，极易导致预应力混凝土梁瞬时丧失承载能力，发生突然垮塌。近些年来，国内外学者在混凝土结构的耐火性能研究方面主要集中在混凝土空心板、混凝土本构、粉末混凝土、各类混凝土柱等。对建筑结构中使用的预应力混凝土梁和空心板、预应力CFRP筋混凝土梁以及预应力活性粉末混凝土梁在弯曲荷载作用下的火灾响应进行了大量试验和数值研究。然而，桥梁结构处于开放环境中，结构构件的跨高比较大，且通常没有任何类型的防火措施，设计荷载较建筑物高很多，火灾下建筑结构的研究成果不适用于桥梁结构。Wu等对6座桥梁中所用后张预应力混凝土箱梁和T梁进行了碳氢火灾试验研究和数值分析，获知了截面温度场、挠度变化、裂缝开展、爆裂分布和破坏模式，然而试验中未涉及有效预应力变化。国内外研究普遍认为，由于氧气含量、燃烧当量的限制，在火灾炉中进行的标准火灾试验不能代表开放环境中的桥梁火灾，因而Beneberu等测试了开放环境中一座足尺单跨碳纤维增强聚合物加固预应力混凝土T梁在油池火灾下的响应行为，研究结果表明试验所用油池火荷载规模相对于油罐车辆火灾规模过小，无法深入揭示真实油罐车火灾下预应力混凝土桥梁结构的破坏机理。由此说明，火荷载的规模对桥梁结构的响应行为影响非常大，呈现出完全的非线性变化关系，因此，预应力混凝土梁在开放环境大规模油池火灾下的预应力损失及破坏机理仍有待进一步研究。张岗等对5榀大比例纤维预应力混凝土薄腹梁进行了耐火试验，以荷载水平和截面类型为试验参数，开展了燃油火灾升温条件下预应力混凝土梁局部受火试验，获取了掺有纤维素的预应力混凝土梁截面的混凝土温度、预应力钢束温度变化、跨中挠度变化、有效预应力衰变、裂缝开展、爆裂分布与深度以及耐火极限相关试验数据，深入探索了燃油火灾高温下掺有纤维素的预应力混凝土梁的损伤演化规律和破坏模式（图6），研究结果发现，纤维素可有效阻止预应力混凝土梁的高温爆裂，梁的破坏主要表现为预应力钢束断裂、大挠度和混凝土压碎，预应力混凝土T形截面梁的耐火时间大约是箱形截面梁耐火时间的60％。火灾下预应力混凝土构件的抗剪问题相对弯曲问题较为复杂。Nguyen等对预应力混凝土空心板梁在火灾下的抗剪性能进行了试验和数值研究，其结果表明，预应力混凝土空心板在达到弯曲极限状态之前会先发生剪切破坏，按弯曲荷载作用耐火要求设计的构件在剪切荷载作用下均没有达到预期的抗火要求；决定预应力混凝土空心板受剪承载能力的是温度引起的拉应力，而不仅是混凝土和钢绞线的材料性能退化。现行设计标准中，计算梁的受剪承载能力时需考虑预应力钢束的作用，因而火灾下预应力混凝土梁的受剪承载能力仍是一个值得关注的问题。此外，火灾下连续梁由于多余约束的存在而产生的悬链线效应会对其抗火性能有显著影响，目前尚未有研究涉及火灾下多跨连续梁的结构响应问题。混凝土结构通常被认为具有较好的耐火性能，在低强度火灾中可能仍具有较大的剩余承载能力，在加固修复后仍可继续使用，而在遭遇严重火灾后桥梁结构可能会严重损坏甚至坍塌。火灾引起的结构局部损伤可能导致其强度和刚度的部分丧失，难以实现剩余承载能力的准确评估，但这对于火损后混凝土结构的维修加固至关重要。一些学者针对混凝土梁提出了火灾后剩余承载能力的评估方法，而预应力混凝土梁的火灾后安全评估较为复杂，截至目前仍没有详细的指导规范。在加固修复技术方面，由于火灾高温会对桥梁修复中最常用的材料FRP所用粘接剂（环氧树脂）的性能产生不利影响，对易发生火灾事故的桥梁可使用水泥基粘接剂代替环氧树脂进行修复或性能增强。综上所述，实际桥梁工程中，由于混凝土爆裂行为的完全随机性，混凝土的高温爆裂是当前最为棘手和难于分析的问题，也是混凝土梁桥抗火设计中的重大难题之一。2.2.2 钢结构梁桥
钢结构梁桥也称钢梁桥，其上部结构为钢梁或组合梁，包括工字形钢板-混凝土组合梁、钢-混凝土组合箱梁（也可称钢箱-混凝土组合梁）、钢桁梁和钢箱梁等。钢梁桥由于结构易运输与建造、环保和耐久性能良好等诸多优点，成为当代桥梁建设的主选方案，在全国各地广泛应用。钢梁桥抗风和抗震性能十分优越，然而，抗火性能差是钢梁桥自身无法逾越的短板。根据国内外学者的调查资料显示，钢结构梁桥一旦发生严重火灾，绝大多数发生垮塌，而垮塌时间一般在20 min左右。各方研究分析与相关调查表明，纯钢梁的耐火性能劣于钢-混凝土组合梁。钢结构梁桥建设中，当前备受青睐和应用广泛的钢桁梁的耐火性能更差，其主要原因是由于钢桁梁的桁杆较为纤细，火灾高温条件下桁杆易于屈曲、破坏，节点板连接功能失效，导致其整体失稳，造成结构垮塌。国内外学者对钢结构的高温性能进行了大量研究，包括高强度结构钢在高温下和高温后的力学性能，焊缝的高温性能与力学行为，钢结构连接节点、型钢混凝土组合梁、型钢混凝土柱、钢管混凝土柱、型钢混凝土剪力墙、型钢楼板、钢管节点、钢构件和焊钉以及螺栓连接件的高温力学性能，钢与混凝土的高温黏结与滑移机理、含钢的多种组合结构在火灾下的力学响应以及受火后型钢混凝土框架的抗震性能，这些研究均集中于建筑结构构件，而且绝大部分聚焦于钢-混凝土组合受压构件。Wang等采用数理统计方法统计分析了高温下和高温后高强钢力学性能的试验数据，得到了高强钢在不同温度条件下的力学性能指标的标准值，与规范GB51249—2017和EN 1993-1-2: 2005中的预测结果进行了分析和对比。研究获悉高温作用下高强钢的屈服强度折减系数低于普通结构钢，600 ℃以内高强钢的弹性模量折减系数低于普通结构钢，600 ℃以上时高强钢的弹性模型折减系数高于普通结构钢，这可用于指导研究高强钢结构的耐火性能。王文达等基于有限元数值模型，通过相关试验验证的方法，建立了震损后组合梁节点在三种受火工况下的耐火极限计算模型，研究了方钢管混凝土柱-外环板式组合梁节点在地震损伤后的耐火性能，分析了各种损伤条件下方钢管混凝土柱-外环板式组合梁节点的破坏模态。周焕廷等聚焦于建筑结构中使用的预应力钢-混凝土组合梁的高温力学行为研究，依据抗剪连接的完全性设计，制作了预应力波纹腹板开孔组合梁和预应力波纹腹板无孔组合梁，采用ISO 834-1-1999标准升温曲线对其进行了恒载升温耐火试验，得到了腹板开孔对预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁抗火性能的影响规律。李俊华等对1榀受火后型钢混凝土柱-型钢混凝土梁组合框架进行了低周反复荷载试验，并完成了与1榀未受火型钢混凝土框架的对比试验，聚焦于受火后其抗震性能。获知受火后型钢混凝土框架的滞回特性、延性、耗能性能、承载能力与刚度退化情况，探索了其累积损伤过程和水平荷载（P）-位移（Δ）效应。叶继红等建造了大规模冷成型钢复合剪力墙结构模型房屋，实现了足尺结构模拟真实火灾试验，并分析了不同火灾工况下的实际温度场、试验现象、结构破坏模式和位移场，提出了抗火设计建议。张建春对应用于建筑结构的钢-混凝土组合梁的内力变化进行了火灾试验研究，获知组合梁在升温时其截面温度梯度的变化对承载能力不利，火灾下有约束的组合梁破坏模式易在梁端负弯矩区域形成塑性铰，从而致使结构易处于侧向失稳状态。为响应国家绿色交通建设的需要，提升桥梁建设的品质，钢结构梁桥当前应用极为广泛。钢结构梁桥具有快速建造、可重复利用等优点，是桥梁建设进行减排、降碳的首选，从而尽快实现交通建设中的“碳达峰”“碳中和”目标，然而，关于钢结构梁桥的抗火设计与火灾安全防护研究仍然匮乏，仅有少数学者在持续关注钢结构梁桥的抗火问题。Kodur等强调了桥梁抗火设计的重要性，对型钢-混凝土组合梁（钢板-混凝土组合梁）的耐火性能进行了大量试验，研究了钢板-混凝土组合梁的组合行为以及不同组合程度结构的耐火性能，分析了型钢长细比对组合梁耐火性能的影响特征，得到了不同长细比下型钢-混凝土组合梁的耐火时间，对不同等级的桥梁进行了归类，构建了桥梁的火灾安全重要性系数，提出了钢结构梁桥的抗火设计与防火策略。徐克勤等针对全跨桥梁下方受火情况，分析了不同火灾场景和不同荷载模式下钢箱梁桥的抗火性能，获知受火位置、跨度和荷载对钢箱梁桥的耐火极限影响很大，碳氢升温曲线下钢箱梁桥的耐火极限明显降低。张岗和宋超杰等对各类钢结构桥梁，包括钢板-混凝土组合梁、钢-混凝土组合箱梁、钢箱梁和钢桁-混凝土组合梁均进行了耐火试验与大量数值预测分析（图7），揭示了不同火灾环境下钢结构桥梁的力学行为变化规律，得到了钢结构桥梁的耐火极限。试验发现连续体系钢-混凝土组合梁破坏时，墩顶负弯矩区钢梁腹板和下翼缘发生严重屈曲，而简支体系钢-混凝土组合梁未出现局部屈曲；连续体系钢-混凝土组合梁的耐火时间是简支体系钢-混凝土组合梁的耐火时间的2倍，单钢板-混凝土组合梁的耐火时间小于双钢板组合梁的耐火时间，双钢板-混凝土组合梁的耐火时间小于钢-混凝土组合箱梁的耐火时间，钢桁架-混凝土组合梁的耐火时间比其他形式钢-混凝土组合梁耐火时间要短；另外，碳氢火灾下钢-混凝土组合梁、钢箱梁和钢桁梁中混凝土板破坏形态有显著差异。总结了钢结构桥梁遭遇火灾后的安全评价方法，并提出了应急措施与抗火设计方法。截至目前，钢结构梁桥抗火研究虽然取得一点进展，主要集中在国内外应用较为广泛的中小跨径钢板-混凝土组合梁，对于钢箱梁、钢-混凝土组合箱梁、钢桁架-混凝土组合梁的研究相对钢板-混凝土组合梁仍然较少，复杂截面形式的钢梁研究更少，还是远达不到钢结构梁桥智能建造与长寿命安全运维的需求，相关的设计细节和智能防护措施及系统亟待研发。2.3 组合体系桥梁
组合体系桥梁大多以索支承体系桥梁为主，索支承体系桥梁即包含有拉索（或吊索）为承载构件的桥梁，包括斜拉桥、悬索桥和中下承式拱桥等。索支承体系桥梁由于以拉索为主要承载体系，其用于大跨径或超大跨径的桥梁建造中，每根拉索的承载量可达几百吨。而拉索结构一般由高强钢绞线、碳纤维制作而成，抗拉强度标准值为1 860~2 100 MPa，其强度高，对温度极为敏感，尤其是极端高温，索支承体系桥梁发生火灾时，索若发生断裂，梁体会瞬间产生较大位移，即使灭火后，修复难度巨大，因此，索支承体系桥梁中拉索结构的耐火性能可决定整个索支承体系桥梁的耐火性能。预应力钢索由多股平行钢丝组成，钢丝间隙影响截面温度变化，决定着钢索力学性能的退化速度和程度。Gales等提出并验证了一种预应力钢筋的蠕变模型。该模型能够解释高温下预应力钢筋的失效过程，也可用于建立后张混凝土结构的火灾试验模型，并开发了合理的、经验证的结构模型，通过比较不同预应力钢筋的高温蠕变性能，表明了预应力钢筋所使用的制造和合金技术对其蠕变性能有较大影响。预应力钢筋的温度徐变和松弛成为火灾后预应力混凝土结构永久损伤的关键因素，为解释预应力钢筋不可恢复的热蠕变应变，Wei等根据预应力钢筋在较大应力范围内的稳态热徐变和松弛试验数据，识别和标定了Harmathy蠕变模型的所需参数，分析了三级蠕变的下限，并对蠕变模型加以修正，继而采用增强蠕变模型对预应力钢筋在高温下的热蠕变和松弛进行了数值研究。Shakya等对不同温度下预应力钢绞线和钢筋进行了一系列稳态抗拉强度试验，获得的数据用于推导预应力钢绞线和钢筋在20 ℃~800 ℃温度范围内的应力-应变响应、屈服强度、抗拉强度、弹性模量和断裂应变。试验结果表明，在整个温度范围内，预应力钢绞线比普通钢筋会经历更高的强度退化。此外，超过450 ℃时，预应力钢绞线的预加载使温度引起的强度退化速率略微增长。宗钟凌等从一根钢绞线中截得16股钢丝，并对所获试件进行了高温拉伸试验，获得了钢丝的本构关系、强度模型以及刚度变化特征，指导了预应力钢束的高温计算与分析。樊泽源对高强钢丝和钢绞线进行了3种类型的拉伸试验（高温下、零载高温后与负载高温后）和高温蠕变试验，获得了力学性能指标、本构关系和蠕变关系曲线，并与数值模拟结果进行了对比，揭示了高温对钢丝和钢绞线力学性能的影响规律。继而，通过热铸锚的高温拉伸试验，发现锚固节点在高温下先于索体发生破坏，无法充分协同发挥拉索的承载能力。霍静思等以斜拉桥火灾为研究背景，对过火后的钢绞线进行了力学性能检测，测试了其断面收缩率和极限强度，同时对完好钢索进行了火灾模拟试验，获知过火后钢索的力学性能下降明显，说明火灾高温对斜拉桥钢索的影响极大，得到了根据断面收缩率-温度关系推定钢索火灾温度场的方法。Chen等基于传热学理论建立了经验证的平行钢丝索截面温度场理论计算公式和等效圆钢数值模型，分析了标准火灾升温曲线下平行钢丝索截面升温历程和温度分布规律，获知截面温度场理论计算公式得出的结果比等效圆钢数值计算结果呈现出更明显的不均匀分布，2种计算结果得到的表层钢丝温度非常接近，而内层钢丝温度差异显著。Du等对含有空腔特征的预应力钢索截面的温度分布进行了高温试验与测试，研究了预应力钢索截面空腔率对截面升温的影响规律，分析了高温下空腔结构钢索截面的传热模式，揭示了钢索截面空腔率对钢索截面温度变化的影响机制，建立了具有空腔率的钢索截面的温度计算理论，获知钢索截面空腔率有利于截面温度的升高，研究结论推动了空腔结构传热模式分析方法与思路的更新。继而，Du等对1 670 MPa级平行钢丝束进行了温度热膨胀试验，获取了热膨胀应变随温度变化曲线，发现750 ℃时平行钢丝束热膨胀应变变小，分析其原因是由于平行钢丝束微观结构发生奥氏体化，趋于完全后由于热膨胀产生的应变会突然增大。通过不同高温条件下具有不同应力水平的蠕变试验，发现随着温度升高，平行钢丝束能承受的高温蠕变应力水平下降，冷却至常温后试件抗拉强度最大下降30%，且高温蠕变试验温度越高，平行钢丝束高温后的剩余抗拉强度受应力水平的影响越显著。孙树华等基于传热学基本原理与数值分析，采用圆柱壁截面的径向导热热阻和空腔热阻等效模拟平壁导热热阻，建立了四面受火时钢索截面传热理论和数值模型，提出了考虑空腔辐射效应且未受防火保护的钢索体升温时的截面温度计算公式，研究获悉在火灾升温初期，钢索体空腔辐射效应会使钢索截面的升温速率增高，随钢索截面尺寸增大而温度分布更加不均匀，而且在空腔热辐射效应影响下中心点温度更加高于等效圆钢截面的中心点温度。
周焕廷等建立了火灾全过程预应力组合梁数值模型，用于研究拉索防火涂层对组合梁抗火性能的影响，发现有5 mm防火涂层的拉索在升温前期，温度随时间的增长速度小于无防火涂层的拉索，且随着温度升高两者温差逐渐减小，直至温度曲线基本重合，即对拉索施加防火涂层能够提高其抗火能力，从而增加对组合梁抗弯性能的贡献。朱美春等对由锌铜合金制造的热铸锚和环氧铁砂制造的冷铸锚足尺试件进行了耐火性能和温度场测试，分析了3类锚固系统（热铸锚、冷铸锚和Wirelock锚）的高温性能。在大空间火灾（CEC S200：2006）升温环境下，从耐火性能试验中获悉锚具内铸体材料和拉索的温度场沿环向均匀分布，锚具中心位置升温缓慢，其温度明显低于其余测点温度；升温60 min左右锌铜合金开始失去黏结能力，升温约20 min环氧铁砂强度开始下降。研究得到大空间火灾升温环境下，拉索锚固系统的滑移大致可分为无滑移阶段、滑移稳定增长阶段和破坏阶段。崔启等以不同应力水平的1 860 MPa级钢绞线夹片锚为研究对象，通过抗火性能试验获悉了大空间建筑火灾下锚固系统的耐火极限和临界温度（约为520 ℃），其破坏模式为钢绞线滑移并伴随断丝现象，滑移过程大致表现为平稳持载阶段和滑移急剧增长阶段；随着应力水平的增大，夹片锚的耐火时间缩短，升温加快，抗火性能下降。刘红波等以大跨建筑结构中的拉索端部锚固系统为研究对象，基于2根36 mm高钒索拔出试验，建立了高钒索端头热铸锚的数值分析模型，获知钢丝锚固长度、插入倾角、数量与直径对其黏结性能的影响，提出了群丝效应系数和极限抗拉强度预测公式，指明了钢丝与合金铸体的黏结效应模拟的可行性。王广勇等对拉索结构进行了耐火试验与分析，提出了涂有防火涂料的拉索构件耐火试验方法，并开发了试验装置。研究了非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料的大直径拉索结构的耐火性能，并对其进行了试验测试，分析了其温度场、变形、耐火极限和破坏形态，研究结果表明高温下拉索由于塑性变形过大而破坏，非膨胀型防火涂料保护的拉索耐火性能较好。宋超杰等对局部燃油火灾下预应力混凝土薄腹梁的锚下预应力进行了试验测试，火灾过程中锚具不受火，分析了具有不同截面特征（箱形和T形截面）的预应力混凝土桥梁钢束损伤与断裂过程（图8（a）），获悉T形截面梁预应力钢束耐火时间相比箱形截面梁预应力钢束耐火时间短，发现燃油火灾下具有不同截面特征（箱形截面钢束P1和P2，T形截面钢束P3和P4）的高强预应力钢束会经历应力增长、应力衰减和突然下降（破断点出现）3个阶段（图8（b）），与普通钢筋高温时应力变化和破坏阶段明显不同。图8 预应力混凝土桥梁高强钢束高温断裂特征与应力时程
万豪等考虑拉索内部空腔、接触传导和间隙导热，提出了开放火灾下拉索（大型集束结构）的火荷载计算方法和截面内部传热方法，研究了不同传热模式下拉索的轴力和弯矩，获知具有空腔辐射的截面应力分布较为集中，轴力损失偏小且弯矩效应偏大，烟气包裹和迎风环境会增加拉索截面的轴力损失，如图9所示。李雪红等研究了开放火灾下悬索桥的温度响应，以国内在建最大跨径悬索桥——南京市仙新路过江通道跨江大桥为依托，分析了油罐车油罐燃烧和燃油泄漏油池燃烧2种火灾形式的火灾模型，提出了考虑危化品种类、桥面风速、风向、油罐车尺寸、自然环境等影响因素的油罐火灾最大热释放速率的定量计算方法。综上可知，组合体系桥由于结构形式复杂，火灾下构件之间相互牵制、相互影响，结构的整体行为中又表现出显著的局部增强效应（图10），其数值预测困难多。当前研究仅聚焦于构件与连接件或者结构的温度场，结构的整体响应研究异常欠缺，因此，组合体系桥的抗火研究是一个极为棘手的难题。3 灾变仿真推演与安全保障技术
复杂极端环境火灾下大型桥梁结构的力学性能与演化行为需要靠精准的仿真技术来实现，如此，便可对结构进行可靠的耐火极限预测、预警与防火保护，提升其安全保障技术。 3.1 灾变仿真推演技术
复杂极端火灾环境是指各种爆燃性火灾、气流场和结构相互耦联的复杂作用环境，其耦联荷载可统称为极端火荷载。处于这种环境中的桥梁结构灾变演化预测仿真技术具有超高度非线性特征。非线性技术可以很好地服务于桥梁结构的计算与分析，促进结构灾变演化与预测功能的进一步发展。桥梁结构非线性仿真与分析是依据桥梁结构的几何特征、材料特性和本构模型进行反复迭代计算的分析方法，计算难度来源于桥梁结构和外部荷载的复杂程度，迭代轨迹依赖于材料的本构模型，收敛程度取决于计算方法的选择、荷载步和子步的设置等。而极端火荷载时变节奏快，即瞬态效应强，结构形式和材料特性随极端温度的作用而发生瞬时变化。结构和荷载在自身互变条件下的分析是一个高度非线性过程，需要不断的试错，此过程中荷载作用需分步加载，结构特性需按条件和时间步（虚拟时间步）输入，结构在不同时间具有多种材料特性和多重本构关系。复杂环境下结构的非线性分析依赖于材料的多重本构模型，实际上是超多重本构的非线性分析方法。此非线性分析过程中可能需要考虑结构各向异性的本构模型，并选择较为适宜的计算方法。 3.2 抗（防）火关键技术
截至目前，国内外没有一部关于桥梁抗火设计和防火保护的规范，因此，桥梁防火保护技术亟待系统研究和全面推进。桥梁结构的火灾防护分为主动防护和被动防护，主动防护涉及隔热降热和预测预警，包括防火涂料（图11示）、防火板、火泡沫、智能消防水炮、危化品车辆监测与引导、火情预警和态势预测等，建立相关的喷淋系统以及车辆及时撤离方案；被动防护就是提升桥梁结构的自身抗火性能，增强截面配置、置换高性能材料和改变结构体系等，当前所有防护技术与材料都属于静止功能状态，缺乏激励自发防火保护功能。Kodur等针对膨胀型防火涂料对钢结构的保护效果进行了研究，获得了具有防火保护材料的钢板-混凝土组合桥梁的耐火极限，并进一步指明可采用该方法对重要桥梁结构的关键构件进行有效保护。李徐阳等研究了加劲肋（U形肋、I形肋、T形肋和L形肋）对结构耐火性能的影响规律，提出了通过改变结构加劲肋的方法来提升结构耐火性能的设计方法（图12，图12（b）中L为跨径，d为梁截面高度）。宋超杰等研究了钢-混凝土组合连续弯箱梁的耐火行为，提出了通过改变连续弯箱梁内外侧腹板厚度及构造特征、设置抗拔支座、车道行驶限位等方法提升钢-混凝土组合连续弯箱梁的耐火性能。汤陈皓等对3榀钢桁-混凝土组合梁进行了耐火试验，并研究了不同火灾场景下其耐火性能提升方法，发现增加桁架高度可有效增强钢桁-混凝土组合梁的抗火性能。Zhang等提出了在混凝土中混合添加记忆合金和纤维素材料的方法，混凝土受火高温200 ℃左右，体内纤维素熔化，形成微细的散热管道，将混凝土中的热量散发，防止混凝土爆裂，当混凝土降温后，记忆合金产生拉力，阻止混凝土开裂，如此便可达到火灾下混凝土高温熔热阻爆效果，同时也可实现低温后冷拉阻裂效果。然而，目前这些技术均在研究中，还缺乏在桥梁工程建造中的广泛应用。关于火灾下桥梁结构安全性能监测预警的研究资料也匮乏，目前众多监测仍然集中在烟雾报警方面，这些烟雾报警装置与技术均是针对建筑结构、人员相对活动集中的区域而设置。桥梁结构处于开放空间，如何实现桥梁结构的火灾监测与安全预警，干扰因素多，难度相对较大，但重大桥梁的火灾监测与安全预警、智能防护以及性能增强十分必要，应持续研究。有关桥梁结构火灾科学与安全保障技术方面的研究，需要亟待解决的关键问题包括以下几个方面。（1）构建复杂火灾环境下（后）桥梁结构和材料的韧性计算理论，建立耐火韧性分析模型，获悉相应的计算方法。（2）聚焦公铁合建桥梁的耐火性能与防火设计研究，建立复杂火灾环境下桥梁结构的通用设计理论，提出复杂环境下（后）桥梁结构的耐火韧性设计技术（如纤维混凝土高温后冷拉复位技术），整体提升桥梁结构的被动抗火能力以及灾后恢复能力，防止结构垮塌。（3）建立复杂环境下桥梁结构长寿命智能抗（防）火材料与计算理论，提出复杂环境下桥梁结构的长寿命智能抗（防）火设计技术，尤其构建超大跨径索结构桥梁的抗火理论与防火技术，并研发桥梁结构的智能防火系统，提升桥梁结构的主动防火能力，增强主被动协调联动抗（防）火功能，并构建其消防体系，防止结构损伤。（4）建立火灾下桥梁结构的全息感知技术，提出火灾后桥梁结构安全性能的快速精准评价方法，形成整体感知与评价体系。5 结语
（1）研究了交通火灾的发展趋势，分析并比较了桥梁遭遇火灾时结构的失效与垮塌概率，并对典型桥梁火灾事故进行了剖析。（2）建立了耐火韧性数学模型，定义了桥梁结构耐火韧性，给出了不同桥梁结构的易损性火灾场景，详细阐述了不同桥梁结构在复杂环境火灾下的耐火时间和破坏特征，提出了火灾下适用于各类桥梁结构的破坏准则。（3）研究并梳理了混凝土结构梁桥的高强混凝土高温爆裂机理以及爆裂特征、钢结构梁桥的高温屈曲及软化特征、索支承体系桥梁中拉索高温传热以及锚固段滑移机制。（4）给出了桥梁结构灾变演化预测仿真技术，剖析了智能纤维混凝土熔热阻爆机理，提出了智能混凝土的冷拉复位技术。（5）提出了桥梁结构火灾科学与安全保障技术亟待解决的关键问题，明确了桥梁结构火灾科学与安全保障技术的研究方向。（6）后续需要深入研究复杂极端环境火灾下桥梁结构的智能防护方法，建立桥梁结构遭遇复杂突发火情时的智能监测、安全预警与防护技术，进一步增强桥梁结构的耐火韧性。
本文主要内容源自《交通运输工程学报》2023年第6期
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张岗，赵晓翠，宋超杰，等.桥梁火灾科学与安全保障技术综述[J].交通运输工程学报,2023,23(6):94-113.
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