預應力混凝土連續箱梁橋火災后的檢測與損傷評估

楊　燦，劉　輝，俞文彬

(1.江西省交通科學研究院；2.江西省公路科研設計院)

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預應力混凝土連續箱梁橋火災后的檢測與損傷評估

楊燦1，劉輝2，俞文彬1

(1.江西省交通科學研究院；2.江西省公路科研設計院)

摘要：結合某大橋火災的實例，介紹了預應力混凝土連續箱梁火災受損后的檢測和損傷評估的方法，以便對同類病害橋梁的檢測和損傷評估提供借鑒。

關鍵詞：連續箱梁；火災；檢測；損傷評估

1火災受損橋梁概況

某橋西岸引橋為30m跨預應力混凝土連續箱梁，梁高1.8m，6跨一聯，單幅主梁采用單箱單室截面，均采用縱、橫向預應力體系，下部構件橋墩采用V形墩，箱梁混凝土采用C50混凝土，預應力鋼絞線采用ASTMA416-97.270級高強度低松弛鋼絞線，標準強度為1 860MPa?？v橫向預應力筋均采用金屬波紋管成孔。

2014年3月18日13時30分，某橋下報廢公交車輛集中停放場發生火災，50號墩下8輛車猛烈燃燒(51跨側6輛，50跨側2輛)。滅火先是噴水，后在14時40分左右對50跨火點采用泡沫滅火；全場火災撲滅時間大約在15時40分，而51跨火點幾乎是燒完自滅的。

2結構損傷表觀檢測

經檢測,過火段第50、51跨梁體損傷較為嚴重，兩跨箱梁內側及50跨右幅箱梁外側翼板、腹板混凝土保護層大面積剝落(最大剝落厚度約6cm)、露筋，箱梁損傷情況詳見圖1所示，圖中損傷級別對應的損傷特征見表1。

表1　混凝土損傷級別一覽表

圖1　箱梁損傷狀況示意圖

3火災現場可燃物分布

從現場情況來看51跨處雙層公交車車架嚴重變形情況較其他地方車輛受損都要嚴重，結合調查結果推斷該處為起火點，停放時車間距較密，熱軋鋼材材質的車架變形彎曲，按《火災后建筑結構鑒定標準》(CECS252:2009)附錄A推斷火場溫度高于700 ℃。

4火災溫度判斷

(1)通過調查火災燃燒時間來推算火災溫度。根據現場可燃物的特性，本次的火災時間-溫度曲線按ISO834標準曲線描述，該曲線公式為T-T0=345lg(8t+1)，式中t為時間，以“min”計；T為當所用時間為t時，構件所承受的溫度值，以“℃”計；T0為初始溫度，以“℃”計，計算時設定為20 ℃。這一曲線的特征是30min火場溫度達到800 ℃，3h內不會超過1 100 ℃。本次火災自由燃燒時間為50min，按ISO834標準升溫曲線推算得火災溫度為918 ℃。

(2)根據火災后混凝土結構表面顏色及外觀特征判斷受火溫度。第50跨、51跨梁體翼板及底板混凝土大面積嚴重剝落，保護層脫落，表面酥碎，表面混凝土呈灰白顯淺黃色，未脫落處混凝土經鐵錘敲擊后開裂混凝土脫落，鋼筋外露，且混凝土中石子已石灰化，按《火災后建筑結構鑒定標準》(CECS252:2009)附錄B推斷混凝土表面受火溫度在900 ℃左右，當量標準升溫時間約30~45min。

5主梁混凝土強度檢測

本次檢測通過分析各測區回彈值的變化為評估火災后箱梁混凝土的受損程度提供參考。檢測發現第51跨左右幅、50跨左幅底板均有不同程度的混凝土受損。

6高溫下混凝土爆裂的可能性分析

本橋第51跨內側翼板、第50跨左幅內側翼板、第50跨右幅內外側翼板及第50跨右幅底板局部均出現大面積混凝土剝落現象，對右幅第50跨底板局部波紋管出露段而言，混凝土爆裂后波紋管直接受火灼燒，使波紋管內部的鋼絞線溫度升高，從而造成較大的預應力損失。另外滅火射水時水流噴射到高溫的混凝土表面，由于突然的冷卻造成結構表面因收縮開裂，表皮剝落，特別是破壞了梁體混凝土保護層，在火未熄滅前，使火直接灼燒預應力鋼束波紋管。

7混凝土灼燒特征溫度的測定

7.1　X射線衍射分析

混凝土在高溫作用下，不僅會由于脫水反應產生一些氧化物，還會在水化、碳化和礦物分解后又產生許多新的物相。

在各試樣的X-射線衍射圖譜中，均未發現β-石英，說明河砂中的α-石英未發生或很少發生了晶型轉化，可推測混凝土剝落面的可能灼燒溫度未超過570 ℃或維持該溫度的灼燒時間較短。

表2　X射線衍射分析中混凝土物相特征

圖2　4-1#砂漿樣品X射線衍射圖

7.2　熱分析

對火場上采集的混凝土樣品采用熱重法和差示掃描量熱法進行分析。

圖3　1#砂漿體TG-DSC曲線

綜合XRD和TG—DSC的測試結果，2#、3-1#、4-1#試樣均在551.2~598.3 ℃左右有較為弱小的α-石英晶型轉變成β-石英，說明α-石英部分存在，因此推測左幅第51跨2.4m處內腹板(距梁底60cm)、左幅第51跨12m處內側腹板(距梁底85cm)、右幅第50跨12m處外腹板(距梁底80cm)外表面，說明在火災過程中這三處均出現過α-石英晶型轉變成β-石英的現象，但α-石英仍部分存在，因此綜合判斷這三處混凝土剝落后外表面火災過程中最高溫度均高于551 ℃，但保持時間不長。

8受損部位高溫后熱軋帶肋鋼筋力學性能檢測

9個試件中有5個試件屈服強度不滿足標準要求，按鋼筋原屈服強度為335MPa計則屈服強度最大折減約為0.95；9個試件中有3個試件抗拉強度不滿足標準要求，按鋼筋原抗拉強度為490MPa計則抗拉強度最大折減約為0.94。

9高溫對箱梁預應力束的影響分析

(1)底板縱向預應力束

對于左幅第50跨和左幅第51跨，檢測發現左幅第50跨23～29m段、第51跨1～10m段存在局部混凝土剝落現象，此區域范圍內底板束受影響相對較大，該區域僅內側腹板局部混凝土剝落最大厚度約4cm，底板束束孔中心與剝落面最小距離為6cm，根據4.2.3分析本橋連續箱梁在高溫下混凝土有爆裂可能，當考慮混凝土剝落是火災過程中形成而非滅火過程中因驟然降溫引起，考慮到從混凝土樣品X射線衍射分析和熱分析結果來看，混凝土表面剝落后形成的剝落面表面溫度超過了551 ℃，但保持時間不長，當混凝土表面溫度按551 ℃，當量標準升溫時間按45min計，根據CECS252:2009附錄E推定底板束束孔中心對應處混凝土溫度小于100 ℃，其相應的有效預應力小于5%，因此對左幅第50跨、第51跨靠內側的9根底板束其有效預應力損失按5%計。左幅50-51跨、右幅第50跨受影響的區段腹板底層鋼束受火災影響與底板鋼束相近，其有效預應力損失也按5%計。

對于右幅第50跨，根據4.2.3分析本橋連續箱梁在高溫下混凝土有爆裂可能，因此如果波紋管外露是由于火災過程中形成而非滅火過程中因驟然降溫引起，則波紋管外露段其在火災過程中將直接遭受灼燒，則預應力損失將急劇增大，右幅第50跨底板7根波紋管外露的鋼束有效預應力將損失殆盡，預應力鋼絞線力學性能大幅降低，因此對右幅第50跨底板束按7束波紋管外露的鋼束全部失效計。對右幅第51跨其底板受影響范圍與左幅第51跨相近，因此其損失也按靠內側的9根底板束其有效預應力損失按5%計。

(2)翼板橫向預應力束。

當考慮混凝土剝落是火災過程中形成而非滅火過程中因驟然降溫引起，則懸臂端部鋼絞線處溫凝土溫度將升高至450 ℃，但距懸臂端0.8m處其鋼絞線處混凝土溫度將降到100 ℃以下，火災持續兩小時距翼板懸臂端1m處的鋼束內部溫度仍將保持在100 ℃以下，經計算距懸臂端1m范圍內有效預應力總損失值約23%。

10結論

左幅第50跨、第51跨箱梁正彎區段極限承載能力損失約3%。右幅第50跨箱梁正彎區段其極限承載能力損失約8%，右幅第51跨正彎區段受火災影響范圍與左幅第51跨相近，其正彎區段極限承載能力損失約3%。底面大面積鋼筋外露處的翼板其極限承載能力損失約17%(根部)～70%(懸臂根部)。

結合現場檢測、材料試驗和結構分析驗算結果，按《火災后建筑結構鑒定標準》(CECS252:2009)6.1.3條對某橋西岸引橋左右幅第50、51跨結構鑒定評級為d級，嚴重不符合國家標準要求，嚴重影響安全。

參考文獻：

[1]建筑構件耐火試驗方法第1部分：通用要求(GB/T9978.1-2008)[S].北京：中國標準出版社，2009.

[2]混凝土結構現場檢測技術標準(GB/T50784-2013) [S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[3]城市橋梁設計荷載標準(CJJ77-98) [S].北京：中國建筑工業出版社，1998.

作者簡介：楊燦(1982-)，男，江西南昌人，工程師，從事舊橋現狀承載能力評定與加固設計工作。

收稿日期：2014-11-03

中圖分類號：U442

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0117-02