火災(zāi)后橋梁受損狀態(tài)及結(jié)構(gòu)性能評估

■杜含辰

（新疆交通科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000）

0 引言

高速公路是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，而橋梁作為高速公路跨越江河峽谷的重要連接線，在縮短交通運輸距離中發(fā)揮著巨大作用[1-4]。由于高速公路交通量以及油氣資源的運輸量的激增，一旦發(fā)生交通事故引發(fā)火災(zāi)，將給橋梁結(jié)構(gòu)安全帶來極大地危害[5-6]。橋梁結(jié)構(gòu)大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在火災(zāi)高溫影響下，材料性能迅速退化，結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，直接降低了橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠性和穩(wěn)定性[7-8]。

本文以新疆吐和高速公路無名溝8號中橋火災(zāi)事故為例，通過現(xiàn)場調(diào)查方法，分析橋梁結(jié)構(gòu)在發(fā)生火災(zāi)事故后的結(jié)構(gòu)受損狀態(tài)，并給出相應(yīng)的建議措施。結(jié)合有限元分析模型，對火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)的正截面抗彎承載能力、裂縫寬度及擾度進(jìn)行評估，為該橋梁的維修加固提供指導(dǎo)意見。

1 橋梁火災(zāi)事故

無名溝8號中橋是位于新疆吐和高速G3012線下行線K79+926處的一座鋼筋混凝土連續(xù)板梁橋，如圖1所示，跨徑組合為3×16m。橋梁全寬12.75m，橋梁橫向布置：11.75m（行車道）+2×0.5m（防撞護(hù)欄）。上部結(jié)構(gòu)為整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土實心連續(xù)板梁，板厚70cm，高跨比約1/22.9，下部結(jié)構(gòu)采用雙/柱式墩，U型橋臺，基礎(chǔ)均采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁各部位主要材料：現(xiàn)澆箱梁為40號混凝土，橋墩蓋梁、橋臺臺帽、蓋梁采用30號混凝土，墩身、防撞護(hù)欄、側(cè)墻帽采用25號混凝土，基礎(chǔ)采用20號混凝土，本橋基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。鋼筋采用R235和HRB335型鋼筋，設(shè)計荷載為：汽車-超20，掛-120級。本橋中心點樁號K205+694m，全橋位于彎曲半徑125m的圓曲線上，橋面縱坡2.98%。

2016年4月15日20:30分左右，一輛原油運輸罐車經(jīng)連續(xù)下坡，車輛失控，隨后撞擊庫米什岸橋頭引道處左側(cè)防撞墻，并發(fā)生側(cè)翻，隨即車輛滑入到該橋第三孔，同時車輛起火，原油泄漏并燃燒，致使橋下墩臺、板梁底板等多處受到不同程度損傷。

圖1 橋梁側(cè)面圖

2 橋梁受損狀態(tài)分析

2.1 橋面鋪裝

全橋橋面受火災(zāi)影響，瀝青鋪裝層出現(xiàn)不同程度松散化和變色現(xiàn)象，其中第3跨燒灼程度最深，瀝青料松散、無粘結(jié)力、呈灰白色，并伴有網(wǎng)狀裂縫，如圖2所示。用鋼釬對該跨油罐車附近瀝青混凝土橋面 （厚度10cm）進(jìn)行鑿擊，瀝青混凝土酥松、易碎、易鑿除。鑿除瀝青鋪裝層后，對板梁頂板進(jìn)行敲擊，發(fā)現(xiàn)頂板混凝土質(zhì)地堅硬，強度并未受到大的影響。此外，受事故車輛原油泄漏的影響，經(jīng)檢查橋面大部分面積污染嚴(yán)重。橋梁鋪裝需要鑿出，重新進(jìn)行鋪裝。

圖2 瀝青鋪裝層受損

2.2 主梁

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，3跨連續(xù)板梁均存在不同程度的損傷，板梁邊角部分混凝土松脆，個別板底混凝土脫落，板底混凝土被熏黑，受大火高溫影響，部分區(qū)域的混凝土表面顏色發(fā)生改變，且混凝土表面存在網(wǎng)狀裂紋，如圖3所示，受損狀況監(jiān)測結(jié)果見表1。

圖3 主梁受損

對于主梁受火災(zāi)溫度影響下的結(jié)構(gòu)變形，用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量，各跨跨中實測平均變形值：第一孔為8.98mm、第二孔6.90mm、第三孔7.65mm，均小于規(guī)范值（L/1000），說明橋跨結(jié)構(gòu)沒有明顯下?lián)献冃维F(xiàn)象，橋梁線形未發(fā)生明顯改變。

表1 橋梁板底混凝土受損情況表

檢測結(jié)果可知，受高溫影響，板梁底板表皮混凝土受損較大，局部區(qū)域混凝土有剝落現(xiàn)象。但因為混凝土為熱傳導(dǎo)率較小，板底內(nèi)部混凝土的劣化并不大。

2.3 橋墩

受泄漏原油燃燒的影響，兩個主橋墩受損程度較大，其中1#墩受損最為嚴(yán)重，也是整個橋梁里面受損最嚴(yán)重的地方，墩身表皮混凝土大面積脫落，內(nèi)部鋼筋露出（如圖4所示），受損狀況監(jiān)測結(jié)果見表2。

圖4 1#、2#主橋墩受損

表2 橋墩受損檢查結(jié)果表

根據(jù)橋墩混凝土大面積剝落等現(xiàn)象，預(yù)計橋墩混凝土的過火溫度超過800℃，對橋墩造成了嚴(yán)重的損傷，承載能力大幅度降低，急需加固以恢復(fù)其使用功能。

2.4 橋臺

1#橋臺距離起火地點較遠(yuǎn)，受到的影響相對較小，受損較輕。但2#橋臺離起火地點較近，受損比較嚴(yán)重，特別是靠棱角的地方，混凝土都比較疏松、破碎，此外，受燃燒高溫影響，擋塊混凝土也受到嚴(yán)重?zé)齻?，棱角混凝土破碎，需要重新更換，如圖5所示。

圖5 2#橋臺受損

2.5 支座

受燃燒高溫影響，本橋的橡膠支座受損也特別嚴(yán)重，存在橡膠熔化、位移等現(xiàn)象，部分支座墊石也發(fā)生高溫爆裂現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 橋梁支座受損

2.6 其他附屬結(jié)構(gòu)

受燃燒高溫影響，2#橋臺上的橡膠伸縮縫破壞嚴(yán)重，橡膠被燒毀，伸縮縫內(nèi)填滿雜物，受肇事車輛的撞擊，本橋3#橋臺及引道防撞護(hù)欄被撞壞，部分管扶手經(jīng)受高溫及撞擊造成表面灼傷、熏黑、脫落等，如圖7所示。

圖7 橋梁附屬設(shè)施受損

3 結(jié)構(gòu)性能評估

3.1 有限元分析

對無名溝橋橋梁檢算采用手算結(jié)合有限元程序Midas Civil2015建立模型進(jìn)行，在有限元建模過程中，縱向靜力計算按平面桿系理論，主梁采用梁單元進(jìn)行模擬，為了比較準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的受力情況，各個構(gòu)件截面特性按照結(jié)構(gòu)實際尺寸進(jìn)行取值，并且結(jié)合截面特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。

結(jié)構(gòu)計算分別對承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行了全面的分析，得到了各個狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，其中荷載組合按照 《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）進(jìn)行。

結(jié)構(gòu)計算模型反映了結(jié)構(gòu)分階段形成的特點、各重要工況下的結(jié)構(gòu)特性及荷載狀況。將全橋劃分為68個節(jié)點，61個梁單元，28個彈性連接，28個邊界條件，模型如圖8所示。

圖8 橋梁橋面有限元模型

3.2 正截面抗彎承載能力

由有限元計算模型得出全橋各跨加固前正截面抗彎承載能力計算結(jié)果如圖9所示?；馂?zāi)事故后對混凝土強度進(jìn)行折減并按照 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）第5.1.5條 驗算全橋各跨跨中截面各單元承載力抗彎極限狀態(tài)基本組合強度計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 各跨跨中各單元承載力彎矩抵抗圖

從圖7、圖8可知，兩邊跨跨中位置截面本驗算結(jié)構(gòu)所有單元結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)×作用效應(yīng)的組合設(shè)計最大值略大于構(gòu)件承載力設(shè)計值，不滿足規(guī)范要求。為保證橋梁的安全及耐久性，建議對部分構(gòu)件采用預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固以提高抗承載能力。

圖9 正截面抗彎承載能力計算結(jié)果

3.3 裂縫寬度

在短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響，第一跨控制截面的最大裂縫寬度0.2632mm，第三跨控制截面的最大裂縫寬度0.2612mm，結(jié)果見表3。按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》第6.4.1、6.4.2、6.4.3條，鋼筋混凝土構(gòu)件，在短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響，裂縫寬度應(yīng)滿足Wfk≤0.2mm，因此，該橋的裂縫寬度不滿足正常使用階段的裂縫寬度限值。

表3 裂縫寬度驗算結(jié)果表

3.4 撓度

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》第6.5.5條，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的撓度不應(yīng)超過計算跨徑的1/600（本橋允許最大撓度26.67mm）。第一跨自重作用下跨中最大撓度7.655mm，第三跨自重作用下跨中最大撓度7.645mm。全橋在荷載作用下最大撓度變形計算結(jié)果如圖11所示，從圖11可知，第一跨和第三跨的在荷載作用下的最大撓度分別為30.969mm、30.945mm。綜合上述結(jié)果表明，該橋在自重作用下產(chǎn)生的擾度滿足規(guī)范要求，但在全橋荷載作用下，擾度會顯著增大，建議可采取加固措施，以提高結(jié)構(gòu)剛度。

4 結(jié)論

圖11 全橋荷載效應(yīng)下?lián)隙茸冃螆D

（1）橋梁鋪裝需要鑿除，重新進(jìn)行鋪裝。受高溫影響，板梁底板表皮混凝土受損較大，局部區(qū)域混凝土有剝落現(xiàn)象。橋墩混凝土大面積剝落等現(xiàn)象，橋墩嚴(yán)重?fù)p傷，承載能力大幅度降低。

（2）兩邊跨跨中位置截面承載力值不滿足規(guī)范要求。需要對部分構(gòu)件采用預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固以提高抗承載能力。

（3）在短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響，第一跨控制截面的最大裂縫寬度0.2632mm，第三跨控制截面的最大裂縫寬度0.2612mm，該橋裂縫寬度不滿足正常使用階段的裂縫寬度限值。

（4）該橋在自重作用下產(chǎn)生的擾度滿足規(guī)范要求，但在全橋荷載作用下，擾度會顯著增大，建議可采取加固措施，以提高結(jié)構(gòu)剛度。

[1]梁巖，毛瑞敏，馮冠杰，等.橋梁火災(zāi)后力學(xué)性能退化研究[J].公路，2017,（10）:246-250.

[2]王寧.混凝土結(jié)構(gòu)橋梁火災(zāi)處治研究[J].湖南交通科技，2017,43（2）:201-204.

[3]程海潛，王佳宇，張 健，等.火災(zāi)后橋梁的檢測評估及維修加固技術(shù)[J].城市道橋與防洪，2016,（10）:75-79.

[4]孫博，肖汝誠.基于層次分析-模糊綜合評價法的橋梁火災(zāi)風(fēng)險評估體系[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015,43（11）:1619-1625.

[5]許宏元，侯 旭，劉士林.火災(zāi)后混凝土橋梁的損傷識別與狀態(tài)評估[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2009,6（1）:38-41.

[6]余江滔，劉媛，陸洲導(dǎo)，等．火災(zāi)后混凝土連續(xù)構(gòu)件的損傷與加固試驗研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012,40（4）:508-514.

[7]黃清．鋼筋混凝土橋梁火災(zāi)后檢測評估[J].世界橋梁，2014,42（5）：78-82.

[8]程輝．火災(zāi)后空心板梁橋承載力評定及加固對策研究[D].西安：長安大學(xué)，2014.