連續(xù)剛構橋箱梁火災損傷檢測與評估

馬虎

（重慶軌道交通（集團）有限公司，重慶 401120）

火災產(chǎn)生的高溫會對鋼筋混凝土橋梁造成嚴重的影響，致使橋梁中普通鋼筋和預應力鋼筋強度降低和混凝土質(zhì)量下降[1]。本文結合某大橋火災實例，介紹了預應力混凝土連續(xù)箱梁火災受損后的損傷檢測和損傷評估的方法，以便為火災后橋梁的管理維護提供參考，對同類病害橋梁的檢測和損傷評估提供借鑒。

1 火災受損橋梁概況

某預應力混凝土連續(xù)剛構橋主橋跨徑為140+240+140m，梁體采用兩幅單箱單室三向預應力變高度箱梁。箱梁跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高3.6m，箱梁根部梁高13.5m，其間梁高按半立方拋物線變化。兩主墩均為雙肋式柔性薄壁墩，均采用剛性擴大基礎，支座采用盆式支座。主橋箱梁及墩身采用C50混凝土。見圖1。

當時該橋正在進行維修加固施工，采用粘貼鋼板的方法對箱梁進行加固。13:50分正在進行午休的施工單位人員發(fā)現(xiàn)箱梁跨中部位出現(xiàn)冒煙情況，立即報警，同時通知了管理部門。鑒于橋梁結構的特殊性，箱梁內(nèi)濃煙彌漫，能見度極低，消防官兵多次進入箱梁內(nèi)均遭嗆回，后經(jīng)分析，消防官兵從左箱梁迂回到箱梁，將消防袋從橋中間隔處放下，于16:30分進入火場進行撲火，于17:00左右火勢得到徹底的撲滅。

圖1 橋梁總體布置

圖2 橋梁發(fā)生火災區(qū)域示意圖（單位：cm）

2 橋梁火災損傷檢測

2.1 橋梁結構損傷表觀檢測[2]

現(xiàn)場對過火范圍的混凝土外觀情況進行了檢查。從9#墩往10#墩方向0～57m范圍內(nèi)平臺上的頂板和側(cè)面腹板為黃色、灰白色和褐色外觀；平臺下腹板大多為煙熏黑色外觀；57～135m范圍的箱梁頂板和腹板基本上為煙熏黑色；135m以外均為混凝土本色。現(xiàn)場對0～57m范圍混凝土受損情況進行了詳細檢測。從上述檢測結果可知，箱梁頂板和腹板上部溫度明顯高于下部腹板和底板溫度。如圖2。

2.1.1 箱梁頂板

頂板由于粘貼了鋼板，粘貼長度為50m、且鋼板間凈距為50mm，基本覆蓋了頂板，混凝土未直接受火灼燒，而是通過鋼板熱傳遞后溫度升高；通過脫開鋼板位置檢查混凝土顏色為黃色到灰白色、個別為封縫膠灼燒后的黑色，表面有龜裂。表面錘敲擊聲均為較響亮聲音。在0～8m范圍內(nèi)所粘貼的19塊橫向鋼板均在下游一側(cè)脫開；在8～55m范圍內(nèi)的縱向鋼板均存在不同程度的彎曲、脫開及焊接部位的翹曲開裂。

頂板混凝土被燒脫落情況集中在3個部位：第1個部位在約8m的位置處，脫落兩塊混凝土，脫落深度為15mm；第2個部位在45～50m的位置處與兩側(cè)腹板交接部位，其中與下游腹板交接處脫落的面積較大，面積約3.3m2，脫落深度為20mm，且鋼筋外露；第3個部位在57m的位置處，面積約3m2。頂板個別部位發(fā)現(xiàn)混凝土表面有微細裂紋。

2.1.2 上游腹板

上游腹板外觀在平臺上（即從頂板向下1.8m）顏色有土黃和灰白色，表面有龜裂，表面錘敲擊聲均為較響亮聲音、在脫落部位周圍稍微有較悶聲。在平臺下的混凝土表面顏色為鐵銹紅和煙熏黑色，表面錘敲擊聲均為響亮聲音，表面靠上部有龜裂、下部則無開裂現(xiàn)象。

在約33m的位置處有一條豎向裂縫，從頂板位置延伸至底板位置處，最大寬度約0.2mm，在該位置對應的下右腹板位置處亦有一條豎向裂縫，基本延伸至底板位置。現(xiàn)場觀察該位置恰為腹板截面變化部位，為兩段接頭部位，錘敲擊聲在裂縫兩側(cè)各約500mm范圍內(nèi)為空鼓聲音。

混凝土被燒脫落情況集中在2個部位：第1個部位在約13m與頂板接觸部位，脫落一大塊混凝土，面積約3m2，脫落深度為25mm，有4根鋼筋外露，外露長度約200mm；第2個部位在45～50m與頂板交接部位，有兩大塊混凝土脫落，面積約3.8m2、2.4m2，最大深度約40mm，有鋼筋外露。

2.1.3 下游腹板

上游腹板外觀在平臺上（即從頂板向下1.8m）顏色有土黃和灰白色，表面有龜裂，表面錘敲擊聲均為較響亮聲音，在脫落部位周圍稍微有較悶聲。在平臺下的混凝土表面顏色為鐵銹紅和煙熏黑色，表面錘敲擊聲均為響亮聲音，表面靠上部有龜裂、下部則無開裂現(xiàn)象。在約33m的位置處有一條豎向裂縫，從頂板位置延伸至底板位置處，最大寬度約0.8mm，與上游該位置的腹板裂縫相對應。

混凝土被燒脫落情況主要集中在4個部位：第1個部位在約13m與頂板接觸部位，脫落一塊混凝土，面積約1m2，脫落深度為28mm；第2個部位在19m與頂板交接部位，有兩塊混凝土脫落，最大深度約20、25mm，有6根鋼筋外露，外露長度300mm；第3個部位在47m與頂板交接部位，有兩塊混凝土脫落，最大深度約20mm。 如圖3、圖4。

圖3 箱梁頂面破損露筋

圖4 加固鋼板變形、扭曲

2.2 過火混凝土燒傷深度和碳化深度

2.2.1 燒傷深度

現(xiàn)場對頂板和兩個腹板的燒傷深度進行了測量，燒傷深度值為混凝土直接脫落后的最大深度。從檢測結果可知，頂部和施工操作平臺上部的腹板燒傷深度在10～40mm范圍內(nèi)，所抽測的燒傷深度平均值為23.9mm。

2.2.2 碳化深度

現(xiàn)場對加固施工操作平臺以上受火災影響較大腹板的碳化深度進行了測量，同時對下部受火災影響較小腹板的碳化深度進行了測量，從檢測可知：箱梁頂板和加固施工平臺上的腹板的混凝土碳化深度大于腹板下部的碳化深度，平臺上部腹板和頂部混凝土碳化深度在2～14mm之間，平均值為10.3mm；平臺以下腹板的混凝土碳化深度在0.5～10mm之間，平均值為4.2mm。因此火災對混凝土碳化深度平均值約為6.1mm。

2.3 表面損傷層厚度檢測

檢測通過超聲波檢測的方法獲得數(shù)據(jù)，根據(jù)《超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程》中的相關公式，即可計算出混凝土表面的損傷層厚度。根據(jù)該跨混凝土表面的損傷情況，損傷層厚度檢測共抽檢了6處區(qū)域，分別為頂板上1處、腹板上5處，檢測發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部聲波未見異常情況，表面受傷深度約在25～38mm范圍內(nèi)。

2.4 混凝土芯樣

為了準確觀察混凝土損傷深度，現(xiàn)場采取鉆取混凝土小芯樣的方法進行抽查。共鉆取了4個直徑為70mm的小芯樣，鉆取位置選在腹板混凝土脫落部位的周邊。結果發(fā)現(xiàn)：除2號芯樣外，其余芯樣未見明顯燒傷。

2.5 主梁混凝土強度檢測

采用回彈法[3]對箱梁腹板混凝土強度進行了檢測。檢測時對腹板加固施工操作平臺相同位置的上、下部位以及從9#墩往著火點方向不同部位的混凝土強度均進行了檢測。同時對距離9#墩約200m位置的未受火災影響的腹板混凝土進行了回彈法檢測。檢測發(fā)現(xiàn)平臺以上腹板混凝土強度受火災后有少許影響，下部混凝土基本未受到影響，因此可以認為火災后對箱梁混凝土強度影響程度不大，基本可滿足原設計混凝土強度[4]要求。

2.6 橋面情況

現(xiàn)場對過火區(qū)域內(nèi)的橋面外觀進行觀察，未發(fā)現(xiàn)由于過火后溫度升高所引起的異常情況。

2.7 火災現(xiàn)場可燃物分布

此次火災前在作箱梁頂板的粘貼鋼板加固，主要材料有鋼管腳手架、木竹板、電焊機、電風扇等材料，除木竹板為易燃的材料外，其他為不易燃燒材料。粘貼鋼板時竹跳板施工平臺距離頂板距離為1.8m，燃燒時頂板和該高度兩側(cè)板部位的混凝土過火相對較為嚴重。根據(jù)火災現(xiàn)場燒損物判定：木材燃燒溫度約為300℃；鋼材變形溫度750℃；電線熔化溫度為1000～1100℃。該工程現(xiàn)場殘留物中鋼管腳手架未發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象；部分散落在底板上的電焊機、排風扇、結構膠、鐵桶等未完全變形及燒損。頂板加固時所粘貼鋼板有脫開、彎曲變形現(xiàn)象，同時部分錨固用的螺栓有被剪斷現(xiàn)象，說明鋼板已發(fā)生較大的伸縮變形，可判定頂板最高溫度為750℃左右。

3 橋梁火災損傷評估[5]

3.1 火災溫度判斷

3.1.1 根據(jù)國際ISO834標準升溫曲線推算火災溫度

火災時箱梁內(nèi)的自然溫度T0取為40℃，火災經(jīng)歷時間約為3小時，由公式[6]T-T0=345lg（8t+1）推算出的火災溫度T為1129℃。該公式包含從發(fā)現(xiàn)火災至全部撲滅火災所用的時間，由于火災在箱梁內(nèi)，空氣不易流通，所以燃燒持續(xù)時間較長。因此，通過該公式所計算溫度僅作為參考。

對火場溫度綜合分析如下：火災發(fā)生在大橋右幅箱梁內(nèi)，據(jù)了解火災時濃煙較大；施工時在距離頂板下1.8m位置處有一層竹跳板為加固施工操作平臺，面積不到400m2，燃燒物數(shù)量有限；當竹跳板局部燃燒斷裂后會掉落至底板繼續(xù)燃燒，使得腹板上部和頂板直接處于外焰位置，同時會使腳手架鋼管直接過火；現(xiàn)場觀察鋼管架未發(fā)生彎曲變形。綜合上述情況，結合此次火災的具體特點，火場最高溫度綜合判定在600～700℃。

3.1.2 根據(jù)火災后混凝土表面顏色及外觀特征判定

箱梁內(nèi)混凝土損傷較為嚴重的部位為頂板和上、下游腹板交接的角部，其中上游腹板和頂板交接的角部損傷較為嚴重，主要在13m、45～50m范圍兩個位置；相對應的下游腹板位置的混凝土亦出現(xiàn)損傷。這些部位過火后混凝土有脫落、露筋現(xiàn)象。頂板和平臺上混凝土顏色為土黃到灰白，大部份有龜裂現(xiàn)象，混凝土脫落周圍敲擊聲音較悶，其余部位敲擊聲音均較響亮；其它部位煙熏黑色、敲擊聲音較響亮。按《火災后建筑結構鑒定標準》(CECS252:2009)附錄B判斷火場最高溫度在600℃～700℃之間。

3.2 高溫下混凝土受損分析

箱梁頂板和腹板內(nèi)側(cè)面：處于最不利位置，受火焰的直接燒烤，一般在十幾分鐘內(nèi)溫度即可由十幾度上升到六百度。由于頂板底和腹板的混凝土表面溫度急劇上升，混凝土又具有熱惰性的特點，而頂板有粘貼的鋼板使得混凝土未直接過火，因此在角部直接受火區(qū)域混凝土損傷較為嚴重，出現(xiàn)混凝土脫落、露筋等現(xiàn)象。

3.3 箱梁受損分析

綜合上述情況，對大橋箱梁受火災影響的分析如下：

（1）火災后箱梁從9#墩向跨中方向約57m范圍為過火區(qū)域，受火災影響，部分位置頂板表面和頂板與腹板交接部位的角部混凝土脫落出現(xiàn)露筋現(xiàn)象，混凝土受到一定程度損傷。

（2）過火區(qū)域內(nèi)箱梁混凝土強度所受影響不大；頂板和腹板上部混凝土被燒脫落深度在10～30mm范圍內(nèi)，最大深度為40mm；受火災影響的混凝土碳化深度平均值在6mm左右。

4 結論

（1）該連續(xù)剛構橋火災使箱梁9#墩向跨中方向約57m范圍內(nèi)頂板和腹板受到了影響；火場最高溫度可判定在600～700℃之間。

（2）箱梁過火范圍內(nèi)的頂板和腹板混凝土受到了局部損傷：在頂板及頂板和腹板交接的角部出現(xiàn)混凝土脫落、露筋現(xiàn)象；混凝土被燒脫落深度在10～30mm范圍內(nèi)，最大深度為40mm；火災對混凝土碳化深度值影響約為6mm左右；過火區(qū)域內(nèi)箱梁混凝土強度所受影響不明顯。

（3）由于箱梁過火區(qū)域內(nèi)頂板和腹板的混凝土受到了一定程度的損傷，應及時采取措施進行修補和加固處理[7]。

大橋發(fā)生火災后，管理部門及時封閉了交通，根據(jù)火災檢測評估結果采取了有針對性的修補措施。對受損傷混凝土進行鑿除、用環(huán)氧混凝土修補，然后采取粘貼鋼板的方法進行加固處治[8]。加固完成后對大橋采取了結構狀態(tài)監(jiān)測和定期檢測的方法，對箱梁結構尤其火災部位進行長期跟蹤觀測。目前大橋已安全運營多年，表明對火災后混凝土箱梁的檢測評估及維修加固措施是合理的，能夠為火災后橋梁的管理維護決策提供借鑒。

[1]陳石，溫天宇.某先張法空心板梁橋火災后的檢測與損傷評估[J].公路交通技術，2007（6）：84-87.

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

[3]陜西省建筑科學設計院.JGJT 23-2011回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版，2011.

[4]交通部公路規(guī)劃設計院.JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范 [S].北京:人民交通出版社，2004.

[5]國家質(zhì)檢總局.GB/T9978.1-2008建筑構件耐火試驗方法第1部分：通用要求[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2008.

[6]中國工程建設標準化協(xié)會.CECS252:2009火災后建筑結構鑒定標準[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[7]中國工程建設標準化協(xié)會.CECS269：2010災損建筑物處理技術規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[8]交通部公路規(guī)劃設計院.JTG H11-2004公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.