火災后橋梁的檢測評估及維修加固技術

程海潛，王佳宇，張　健，王康明

（1.湖北交通職業技術學院，湖北 武漢 430079；2.武漢工程大學交通研究中心，湖北 武漢 430073；3.丹江口市交通局，湖北 丹江口 442700;4.湖北省路橋（集團）有限公司，湖北 武漢，430056）

火災后橋梁的檢測評估及維修加固技術

程海潛1，2，王佳宇2，張健3，王康明4

（1.湖北交通職業技術學院，湖北 武漢 430079；2.武漢工程大學交通研究中心，湖北 武漢 430073；3.丹江口市交通局，湖北 丹江口 442700;4.湖北省路橋（集團）有限公司，湖北 武漢，430056）

火災事故造成橋梁結構損傷，危及運營安全。以火災后的獅子古河大橋工程為例，詳細論述了檢測評估的內容與方法，結合該橋結構損傷的具體情況制定維修加固方案，并通過荷載試驗測試實施效果。結果表明，維修加固取得了良好的效果，可為類似橋梁火災后的維修加固提供參考。

橋梁；火災；檢測；維修加固；荷載試驗

0　引言

公路橋梁是交通動脈的咽喉,它的運營狀況關乎經濟發展和人民生活。橋梁火災事故即使不能立刻導致橋梁垮塌或者廢棄,但是火的作用使得橋梁鋼筋混凝土材料的性質發生了變化，構件將受到不同程度的損傷，危及公路橋梁安全。合理的損傷檢測評估，能為后期的維修加固提供可靠的數據參考和技術支持；科學的維修加固方案，能有效恢復結構的承載能力、剛度及使用性能，保障橋梁的安全運營。

本文以隨岳高速公路獅子古河大橋項目為依托，對火災后的橋梁進行全面的檢查分析，制定并實施了有針對性的維修加固方案，最終使橋梁達到了正常使用狀態下的要求。

1　工程概況

獅子古河大橋位于隨岳高速公路湖北省中段，橋梁全長105.50 m，與路線交角80°。上部結構為先簡支后結構連續預應力空心板梁，橋跨布置為5×20 m。橫向采用16片主梁，分左、右兩幅布置，橋面寬度26 m。橋梁下部結構采用雙柱式橋墩樁柱式橋臺，大橋側面照見圖1。

圖1　獅子古河大橋側面照

一次偶然的火災事故后，獅子古河大橋部分空心板、墩臺和蓋梁受到了不同程度的損傷，嚴重影響了橋梁的通行安全。

2　火災后的檢測與評估

2.1結構受損情況調查

通過表觀檢測，調查橋梁總體過火范圍、表觀受損情況，并初步分析其損傷程度。檢測方法為：目測，人工敲擊等。經分析，判定現場著火點位于4#墩及5#臺處，尤其在左幅4#墩柱下方、右幅第五跨1#至3#梁下方靠近5#臺的區域被熏黑變黃、有明顯過火痕跡，混凝土大面積開裂、酥松、剝落甚至露筋。

（1）橋梁下部結構

墩臺受損情況統計見表1，具體情況見圖2～圖5。

表1　橋梁墩臺受損情況

圖2　L4-1#墩柱混凝土剝落

圖3　L5#臺蓋梁外側擋塊開裂

圖4　L4#墩帽梁底面及隨州側混凝土剝落

圖5　L4#墩帽梁岳陽側混凝土剝落

（2）橋梁上部結構

大橋左、右幅第4跨、第5跨空心板板底混凝土大面積剝落露筋。受損情況統計見表2，具體情況見圖6～圖9。

表2　橋梁空心板受損情況

圖6　右幅第五跨1#-3#梁剝落露筋情況

圖7　左幅第五跨1#梁混凝土剝落露筋

圖8　左幅第四跨6#梁混凝土剝落

圖9　右幅第四跨4#梁混凝土剝落露筋

（3）支座與伸縮縫

經目測、敲擊和鋼尺進行檢測，檢查發現橋梁支座、伸縮縫未受影響，情況良好。

2.2檢測內容及方法

研究[2]表明，當火災發生時，混凝土與鋼筋材料被加熱，其強度、彈性模量等均發生改變。鋼筋混凝土的結構力學性能主要由混凝土自身的強度、過火溫度和火災持續時間所影響，而其中過火溫度起著主要的作用。其中，混凝土的極限抗壓強度隨著溫度的上升而有規律的降低。用Δ表示混凝土強度的降低程度，那么，式中的fcu.0表示常規溫度環境下混凝土的極限抗壓強度；fcu.t表示當溫度為t時的混凝土極限抗壓強度。混凝土結構經過不同的溫度階段后，其強度與過火溫度的方程式為：Δ=1.535 79-0.001 465 8 t[1]。所以火災導致直接燃燒結構的混凝土強度降低，結構剝落，鋼筋與混凝土之間的粘接力降低。

相關試驗結果[3]表明：鋼筋在20℃～200℃范圍內其屈服強度沒有明顯變化，但是當溫度大于200℃時，其屈服強度隨溫度的升高呈線性下降趨勢，并且屈服點消失；混凝土在300℃之前強度變化不大，但是當溫度大于300℃以后會有明顯下降的趨勢，800℃以上時強度幾乎完全喪失。并且火災后混凝土的塑形增加，彈性模量與強度之間的關系也不再按照常溫下的關系式。

因此，在初步調查的基礎上，對混凝土、普通鋼筋及預應力鋼筋采用現場檢測與試驗分析相結合的方法進行了檢測，為評估提供依據。

（1）混凝土保護層厚度檢測

用HC-GY61T一體式鋼筋掃描儀來檢測鋼筋混凝土保護層厚度。

（2）混凝土碳化深度檢測

用酚酞試劑方法來檢測高溫后混凝土內游離堿熱分解，混凝土中性化的情況。

（3）混凝土內部缺陷檢測

用超聲法確定裂縫深度和進行混凝土結合面的質量檢測。

（4）混凝土強度檢測

回彈儀和超聲波檢測儀綜合使用進行混凝土實際強度檢測。通過測量混凝土的表面硬度及碳化過程和超聲波在混凝土中的速度來推算混凝土的強度。采用回彈儀檢測混凝土構件強度需要在得到的測試值進行修正。

式中：Fct為混凝土構件測區實際強度；F（N，L）為JCJ23-85給出的測強曲線；N為測區碳化深度；t為混凝土構件受火溫度（℃）；Kcn為混凝土強度修正系數,其計算公式為:

（5）鋼筋力學性能檢測

受火嚴重區域混凝土剝落較為嚴重，鋼筋大面積裸露，與混凝土之間的粘結基本失效。對裸露鋼筋取樣，在實驗室進行拉伸試驗發現，試樣的屈服強度、極限強度均有所降低。

（6）預應力鋼絞線及錨具性能分析

設計圖表明，底層的N2預應力束孔道下緣到空心板底的垂直距離約120 mm。因此判斷火災對鋼絞線及錨具的力學性能影響比較有限。遵循預應力體系無損檢測的原則，未對鋼絞線及錨具進行取樣，擬在相應梁板加固設計中對預應力強度值進行適度折減。

2.3檢測結論

根據現場檢測情況，依據《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/TH21-2011)對橋梁進行技術狀況評定。獅子古河大橋全橋三類以上承重構件共計12個，橋梁整體技術狀況評定為三類。

2.4損傷評估

結合現場檢測情況和結構分析驗算，得出獅子古河大橋火災后評估結論:結構整體性受到一定程度影響,結構的局部損傷較為嚴重,承載能力、剛度和整體性受到不同程度的損傷，已不能滿足安全通行下的要求，應及時進行維修加固。

3　維修加固

根據本橋實際,維修加固采用以下思路:

（1）空心板底、墩柱和墩帽梁表層混凝土剝落面積過大，需要首先進行表層缺陷修補。

（2）空心板、墩帽梁的承載能力需要提高但是提高幅度不大。經研究采用粘貼纖維復合材料進行維修加固。

（3）墩柱、臺蓋梁經過評估后仍可繼續使用。經研究決定采用粘貼鋼板進行維修加固。

3.1混凝土表面缺陷修補

混凝土表面缺陷修補是對表面出現的蜂窩、麻面、空洞以及火災破損等病害進行修補，同時對過火、煙熏的結構物進行沖洗，觀察結構物表面混凝土是否松動。表面缺陷修補：

（1）大面積的表面缺陷及混凝土質量問題，人工鑿除松動的混凝土，外露骨料，清理界面，并采用比原結構混凝土標號高一個級別的材料（帽梁及墩柱C40環氧混凝土，主梁C50環氧混凝土）進行修補。

（2）小面積的表面缺陷，特別是缺損深度較淺時，鑿除松動混凝土，外露骨料，鋼筋除銹，用C50環氧砂漿進行修補。

（3）小面積且深度較深的混凝土空洞可采取小孔壓漿(環氧號砂漿)灌注修補。

3.2墩柱噴涂阻銹劑

為保護鋼筋、提高墩柱結構的耐久性，應對鋼筋涂抹阻銹劑。在墩柱露筋部位涂抹CIT烷氧基類阻銹劑，阻銹劑性能、技術指標等均應滿足設計要求。

在進行鋼筋保護之前對混凝土的其他病害應進行綜合處治，同時清除混凝土表面的浮漿、塵土及其他殘留物等，按照圖紙要求，在經過處理的混凝土表面噴涂阻銹劑，使其形成保護膜，有效地阻隔水分對混凝土鋼筋的侵蝕。

3.3空心板、墩帽梁粘貼碳纖維布加固補強

粘貼碳纖維布的施工順序為混凝土底層處理→涂底層膠→粘貼纖維片→養護→涂裝。粘貼碳纖維布時要充分考慮上部結構充分卸載的情況下進行。

（1）混凝土底層處理

將混凝土構件表面的殘缺，破損部分清除干凈直至混凝土露出堅硬部分。檢查外露鋼筋是否銹蝕，如銹蝕，進行必要的除銹處理，對經過剔鑿露筋的構件殘缺部分，進行修補復原，為保證碳纖維與構件的粘貼效果良好，施工時注意確?；炷粱娴钠秸砸约皬姸?，嚴禁采用有浮漿以及蜂窩、麻面的混凝土面層作為基層。棱角的部位，用磨光機磨成圓角。

（2）涂底層膠

把底層膠液的主劑和固化劑按規定比例稱量準確后放入容器，用攪拌器拌和均勻。注意一次調和量應在可使用時間內用完，超過時間的底膠不能使用。用滾筒或刷子均勻地涂抹底層膠，并自然風干。

（3）粘貼纖維片

在梁嚴重受損區，用1～2層碳纖維布沿著腹板豎向進行補強。粘貼碳纖維時，依據設計位置由上而下，由左至右有序的粘貼，并用滾筒壓擠貼面，使碳纖維布浸漬樹脂充分結合，同時以壓板排除氣泡。碳纖維粘貼時應盡量預加張力展直。

（4）養護

粘貼碳纖維片后，自然養護24 h達到固化，且保證固化期間不受干擾。碳纖維片粘貼后達到設計強度所需自然養護時間，在此期間應防止貼片受到硬性沖擊。

（5）涂裝

由于對加固補強構件有外觀要求，在補強后涂防火涂料（水泥砂漿）處理。涂裝應在樹脂初期固化后進行。

3.4墩柱、臺蓋梁粘貼鋼板

粘貼鋼板施工主要施工順序為：施工放線→構件表面處理→鉆孔、安裝錨栓→鋼板下料、鋼板除銹處理、鉆孔及安裝→封閉縫隙、預留注漿孔及排氣孔→封邊→壓力灌漿→鋼板表面防銹處理。

（1）放樣

按照設計圖紙要求，在混凝土表面確定鋼板位置及需鉆孔的位置；用HC-GY61T一體式鋼筋掃描儀來檢測鋼筋混凝土保護層厚度，測出混凝土中的鋼絞線和鋼筋位置，避免鉆孔時碰及鋼絞線和鋼筋。

（2）粘貼鋼板處混凝土表面處理

為了得到良好的粘貼效果，混凝土表面需認真進行表面處理，混凝土粘和面應進行打磨處理。

（3）鋼板下料、表面處理及鉆孔

根據放樣后測得的實際長度進行鋼板條下料。下料后，對鋼板表面進行除銹、打磨處理。對于鋼板粘和面，用平砂輪打磨，直至出現金屬光澤。

（4）混凝土鉆孔、植錨栓

按照設計圖中所示位置，用鋼板條做模板，把鋼板緊靠粘和面，在混凝土相應位置鉆固定錨栓孔，用沖擊電鉆套鋼板條上的孔眼，在空心梁腹板及頂板混凝土面上鉆孔，植錨栓。

（5）粘貼鋼板

將粘鋼膠用抹刀同時涂抹在已處理好的混凝土表面和鋼板貼合面，鋼板條粘結面上的抹膠可中間厚兩邊薄，板的中央涂抹膠的厚度為3～5 mm,然后將鋼板粘貼于設計位置。鋼板粘貼后，用手錘沿粘貼面輕輕敲擊鋼板，如無空洞聲，表示已粘貼密實，否則應剝下鋼板，補膠重新粘貼。

（6）防銹處理

鋼板粘貼完成并通過驗收后，對鋼板外露面進行防腐處理。鋼板防腐采用四層防腐漆防腐。

4　荷載試驗

維修加固處理完成之后，委托專門的檢測單位對全橋進行荷載試驗。此次荷載試驗包含靜力荷載試驗和動力荷載試驗。效率系數為0.95，監測的主要內容是位移、應力應變、截面承載力、墩臺支座反力等從而推斷橋梁結構在荷載作用下的工作狀態和承載能力。具體方法是在橋梁的橫橋向按照偏載布置6種荷載工況以及動載試驗。試驗結果如下：

（1）在控制荷載作用下，控制截面的實測撓度的校驗系數的最大值是0.85，殘余撓度百分比最大值是3.02%，小于規范值20%，所以梁體剛度滿足要求，結構處于彈性工作狀態。

（2）在控制荷載作用下，控制截面混凝土應變，鋼筋應變的校驗系數最大值是0.92，在測試截面下緣混凝土應變與鋼筋應變協調性較好，截面符合平截面假定，實測中性軸高度與理論值的中性軸高度吻合,殘余應變百分比小于規范限值,梁體抗彎承載強度滿足要求,結構處于彈性工作狀態。

（3）在控制荷載作用下,控制截面的實測主拉應力小于理論計算值,梁體抗剪承載強度滿足要求。

（4）在梁端支座最不利加載工況下，支座實測最大拉力小于理論值，橋墩支座受力正常而且處于彈性工作狀態。

（5）在最大控制荷載作用下，梁體沒有產生裂縫。

荷載試驗結論表明此次維修加固合格，加固后的橋梁能夠滿足正常使用狀態下的要求。

5　結語

橋梁遭受火災之后，要及時對結構進行全面合理的檢測評估，根據具體損傷病害特征進行針對性的維修加固設計，快速高效地修復受損結構，盡快恢復正常運營。本文將火災后橋梁檢測評估及維修加固技術運用于獅子古河大橋，取得了良好的效果，可以為以后類似橋梁的檢測和修復提供一定的參考。

[1]JTG/TJ23-2008,公路橋梁加固施工技術規范[S].

[2]劉其偉,王峰,徐開順,等.火災受損橋梁檢測評估與加固處理[J].公路交通科技,2005(2):71-74.

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U445.7+2

B

1009-7716（2016）10-0075-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.023

2016-06-27

程海潛（1974-），男，湖北武漢人，副教授，從事橋梁設計與結構檢測教學、研究工作。