某高速公路通道中橋火災后檢測評估及加固設計

寇新陽（四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院）

某高速公路通道中橋火災后檢測評估及加固設計

寇新陽
（四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院）

近年來隨著公路建設快速發展，橋梁數量迅速增加，由火災導致橋梁受損的事件也常有發生。文章以某高速公路通道中橋為例，介紹了火災發生后橋梁結構檢測評估及加固處治設計，為今后同類型橋梁火災病害處治提供了借鑒。

橋梁；火災；檢測評估；加固設計

1　概述

該通道中橋位于四川省某高速公路上，跨越水溝及人行道。該橋全長26.04m，全寬24.5m，整幅樁柱式橋臺；橋梁上部結構分左右兩幅，每幅8片空心板，均為1-20m預應力混凝土簡支空心板，梁高90cm，中板寬145cm，邊板寬169cm。橋梁支座均為圓板橡膠支座。2014年某個深夜，該通道中橋兩側竹林不明原因發生燃燒，引燃橋下堆積的柴草，造成橋梁結構受損，因此對該橋進行了檢測評估及加固處治設計。

2　檢測情況

2.1病害描述

⑴該橋橋下大面積過火，梁板大部分被火灼燒，現場檢測發現所有梁板板底均出現網狀裂縫，大部分板底有沿箍筋方向的橫向貫通裂縫，裂縫寬度多在0.2～0.5mm之間。部分梁板在火災前存在縱向滲水泛堿現象，檢測中發現這些部位均存在縱向裂縫，且滲水現象加??；部分以前無病害的梁板也出現了滲水現象。

⑵部分梁板板底的混凝土有剝落現象，鋼筋外露，剝落厚度多在3～5cm之間；左幅橋4#梁板混凝土剝落現象最為嚴重，剝落最深處達到8cm，且主筋和箍筋均外露，部分箍筋彎曲。梁板底部混凝土有明顯松動現象，錘擊時混凝土表層脫落。

⑶全橋鉸縫大部分脫落，局部未脫落處填料疏松，輕微敲擊可造成脫落。

⑷全橋支座均被火灼燒，大部分支座存在開裂、鼓包、變形、表面焦裂等病害。

⑸兩岸橋臺混凝土表面均存在網狀裂縫，部分區域混凝土剝落，鋼筋外露。橋臺錐坡砂漿開裂嚴重、破損明顯。

圖1

2.2火場溫度推定及對橋梁的影響

《公安消防大隊對于某高速通道中橋火災情況的說明》中推測的火場溫度為300～600℃。國內外有關資料表明，混凝土表面顏色和外觀與受火溫度的關系大致如表1所示：

表1　混凝土表面顏色與受火溫度的關系

從現場檢測情況看，該橋梁板底部混凝土表面普遍存在網狀裂縫，部分梁板出現貫通性橫向和縱向裂縫，混凝土剝落最嚴重部分混凝土表面為灰白色偏黃。結合表1，初步判斷火場溫度高于500℃，混凝土構件局部受火溫度可能達到800～900℃。

該橋火災發生期間因用水撲滅火災，灼熱的混凝土表面遇水急速冷卻，造成混凝土構件內外應力差，加重了混凝土表面的開裂和剝落情況。火災對該橋混凝土構件受力和耐久性的影響主要體現在以下方面：

⑴由于混凝土爆裂及剝落，混凝土結構有效凈面積將減小，使結構承載能力降低。

⑵混凝土強度遇火災高溫后降低。

⑶混凝土的彈性模量對溫度相當敏感，當溫度達到200～700℃時，混凝土的彈性模量線性降低。該橋過火時間較長，過火溫度在500℃以上，混凝土彈性模量有所降低。

⑷該橋混凝土在高溫作用下，水化物脫水分解，其內部微空隙增加，結構疏松，混凝土與鋼筋在高溫下熱變形不協調.形成大量界面裂縫，導致混凝土與鋼筋之間粘結力降低。

⑸根據現場碳化深度檢測結果，該橋梁底混凝土的游離氧氧化鈣在高溫下產生熱分解，混凝土呈中性。使其保護鋼筋的作用大為降低，從而影響混凝土構件的耐久性。

在影響混凝土性能的同時，火災對鋼筋性能也有很大的影響。普通鋼筋屬于低碳鋼，當受火溫度大于200℃時鋼筋極限強度、屈服強度、彈性模量、延伸率等指標均開始下降，材料脆性增加。

針對該橋的實際情況，由于火災溫度較高，且混凝土表面普遍開裂剝落，因此混凝土內部鋼筋的力學性能不可避免有所下降，且與混凝土之間粘結力降低，從而影響橋梁整體承載能力。

2.3檢測結論

目前國外有關火災后混凝土結構的安全評估，主要以英國混凝土學會所提出的評估程序與方法為主，可以作為一種初步判別火災損傷的方法。

本橋梁底和橋臺混凝土表面呈大面積網狀裂縫，裂縫寬度多在0.2～0.5mm之間，混凝土剝落深度大部分在30mm左右，且混凝土強度明顯降低，根據火災結構構件受損綜合評定指標表中分類，該橋受損程度判斷為2級（中度損傷），結構承載能力下降10%～30%。

由于火災溫度較高，且混凝土表面普遍開裂剝落，因此混凝土內部鋼筋的力學性能不可避免有所下降，同時與混凝土（砂漿）粘結力也有較大的下降。即使預應力筋未直接受損，但其正常的工作狀態由于高溫松弛和應力重分布影響而無法恢復。而混凝土彈性模量降低，使結構變形加大，預應力由于彈性壓縮而發生損失，也使結構有效預應力發生明顯損失。

表2　結構構件受損程度綜合評定指標

圖2　橋梁加固設計示意圖

3　加固處治設計

3.1加固設計原則

原橋結構受損較為嚴重，其混凝土表面普遍開裂剝落，結構承載能力發生明顯損失。該橋橋下凈高較小，設計時考慮在橋下修筑橫墻對原橋梁板進行支撐，改變橋梁結構形式，減小跨中正彎矩；因該橋原結構為簡支體系，頂板配筋較為薄弱，設計時考慮多增加支點減小頂板負彎矩，在原橋結構下，增設4道橫墻對原結構進行支撐。因火災過程中結構有效預應力明顯損失，且無法定量評估其下降的程度，為保證橋梁結構安全可靠，設計計算時將預應力鋼束考慮為普通鋼筋進行計算，結構作為普通鋼筋混凝土構件。

3.2計算結果

3.2.1計算參數

梁體采用C40混凝土，普通鋼筋采用Ⅱ級鋼筋，預應力采用φ15.24高強度低松弛鋼絞線（不考慮預應力效應）。計算時考慮設計荷載為公路-Ⅰ級，車行道數量為3車道。10cm厚鋼筋混凝土調平層參與結構受力。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，承載能力極限狀態設計時，驗算荷載為：組合Ⅰ（基本組合）；正常使用極限狀態設計時，驗算組合為組合Ⅱ（荷載長期效應組合），組合Ⅲ（荷載短期效應組合）。計算模式如圖3所示：

圖3

3.2.2計算結果

⑴承載能力極限狀態計算

①正截面抗彎承載能力驗算

荷載組合Ⅰ作用下梁板抗彎承載能力驗算結果見表3。由表可知，5-5截面最大彎矩為1324kN·m，小于截面抗力1369kN·m。計算結果表明，承載能力極限狀態正截面抗彎強度滿足規范要求。

②斜截面抗剪承載能力驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，選取距橋臺支座中心h/2（h為板高）處的截面與距1#墩支座中心h/2處截面驗算梁體斜截面抗剪承載能力，驗算結果見表4。從表中可以看出，簡支板斜截面剪力均小于結構設計抗力。空心板抗剪承載能力驗算滿足規范要求。

表3　正截面抗彎承載能力計算結果

表4　斜截面抗剪承載能力驗算結果

⑵正常使用極限狀態驗算

①變形驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第 6.5.3條，簡支板跨中最大撓度限值為L/600=3900/600=6.5mm。

梁板的撓度值見表5。由表可知，梁板正常使用極限狀態的變形滿足規范要求。

表5　梁板正常使用極限狀態撓度驗算

②裂縫寬度計算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第6.4.2條，鋼筋混凝土受彎構件在荷載短期效應并考慮長期效應影響下，最大裂縫寬度不應超過0.2mm。

裂縫寬度計算結果見表6。從表中可以看出，組合Ⅲ作用下梁體5-5截面裂縫寬度最大，為0.20mm，滿足規范要求。

表6　裂縫寬度計算結果

3.3加固設計內容

⑴對原橋梁板及橋臺混凝土破損處鑿除，然后進行修補，對裂縫進行封閉。

⑵在橋臺上設置千斤頂，同步頂升半幅梁板，更換原橋橋臺上的支座。

⑶改移原橋下水溝及水管。

⑷設置橫墻對原橋梁板進行支撐。

3.4加固處治施工重點

本橋加固處治要改變橋梁受力體系，因此，新設置的支座與梁體結合好壞成為影響加固施工效果的關鍵。加固處治完成后，支座應與原橋緊密接觸，保證在受力狀態下，新設支墩與原橋臺共同承擔豎向荷載。

加固施工中支座安裝步驟及注意事項如下：

⑴同時頂升半幅梁板更換原橋支座（更換支座后將梁板放置在新支座上）；

⑵對梁板底部高程（支座處）進行放樣。因新更換支座和原橋受損支座彈性模量變化，更換支座后對梁板高程進行測量能保證高程的準確性。測量時注意測量精度；

⑶根據測量結果確定橫墻頂面高程（預留支座墊石、鋼板及支座高度），然后澆筑基礎、澆筑橫墻并預埋支座墊石鋼筋；

⑷再次頂升梁板（不超過2cm），因考慮千斤頂無法長期承受荷載，采用枕木或型鋼對梁板進行臨時支撐，立模澆筑支座墊石，澆筑時注意墊石頂面高程，澆筑完成后將墊石頂面抹平，安裝鋼板（根據之前梁板高程數據，調整支座墊石高度，墊石含鋼板最低高度20cm），鋼板安裝后用砂漿將鋼板周邊封閉，保證鋼板固定；

⑸安裝支座，待墊石混凝土達到強度后，取消臨時支撐，將梁板放下，保證梁板和橫墻新設支座接觸緊密，原橋臺支座與新設支座共同受力。

在橫墻施工之前，應對橋梁受損混凝土進行修復，新老混凝土的結合也是影響該橋加固效果的關鍵點，要求：

⑴原砼結構表面的處理：澆筑新混凝土前，應將原砼結構表面打毛、糙化，同時應除去浮漿、塵土，并用高壓水沖洗干凈。

②原砼結構缺陷的處理：施工時應對橋梁各個部位進行仔細檢查，凡有砼缺損、蜂窩、麻面和鋼筋外露、銹蝕等現象均應進行處理，處理原則為：鑿除缺陷砼，去除浮漿、雜質至密實部位，并對鋼筋進行除銹，然后用環氧砂漿進行修補；修補后應采用臨時支撐將修補處頂緊，保證環氧砂漿和原梁板混凝土結合緊密；梁底裂縫的寬度在0.15mm以下時，采用改性環氧樹脂膠封閉的方法處理；對裂縫的寬度在0.15～1.5mm，應采用自動低壓壓注改性環氧化學漿液的方法進行處理。修補破損和裂縫后，在梁板底部涂刷涂料進行防護。

4　結論

橋梁結構經受火災后，混凝土強度與鋼筋有效應力降低，原結構體系大多不能滿足正常通行。本文提出對受損上部結構增加支撐，改變橋梁結構體系，增加超靜定約束進行加固，這樣既保留受火災橋梁的主體結構，又使該橋能夠正常通行，是一種既經濟又實用的方案，對受火災損毀橋梁的加固方法具有借鑒意義。●

［1］許宏元，候旭，劉士林.火災后混凝土橋梁的損傷識別與狀態評估［J］.現代交通技術，2009，2.

［2］陳建夫，曹建洋.火災后橋梁技術狀況的評定［J］.浙江交通科技，2002，3.

［3］李毅，項貽強，王建江.火災后橋梁結構的損傷檢測及安全性評估，中國市政工程，2006，10.

［4］四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院.某高速公路通道中橋火災后應急檢測報告，2014，3.

［5］四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院.某高速公路通道中橋病害維修處治一階段施工圖設計，2014，4.