預應力小箱梁火災后檢測評估與加固設計

王 凱，程永黎

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.朔黃鐵路發展有限責任公司，河北 肅寧 062350)

近年來，橋梁結構遭受火災的事故逐年增加，不僅對橋梁結構造成不同程度的損傷甚至破壞，而且危及正常的交通運營，其后果嚴重，造成巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。橋梁火災是偶然發生的，當前國內對其研究起步較晚，遠不如對其它偶然作用(地震、船舶或汽車撞擊、風等)所作的研究。目前對于橋梁火災后的檢測評估與加固設計的研究資料較少，因此，了解火災對橋梁的損傷機理，結合現有檢測手段對火災后橋梁損傷程度及時檢測評估很必要，可為橋梁的維修加固提供可靠的理論支撐[1-3]。

1 火災后橋梁檢測評估內容

①橋梁歷史現狀調查；②火災現場情況調查；③結構表觀受損檢測；④混凝土強度檢測；⑤鋼筋力學性能檢測；⑥橋梁預應力損傷，可通過靜載試驗得到，試驗宜分6～8級進行加載，第1級荷載效率宜從0.25左右開始；⑦支座燒損情況調查；⑧橋梁的線形及動力特性測試；⑨通過混凝土構件的微觀分析，確定相應的火災溫度和構件表面的灼燒溫度[4]；⑩通過對損傷后的橋梁結構按規范[5]進行檢算，綜合判斷火災后橋梁承載能力。

2 某高架橋火災后檢測評估

2.1 工程背景

某高架橋北行33#—36#墩橋跨上部結構采用30 m 預應力混凝土簡支箱梁，單幅橋橫向布置6片梁，梁體采用50號混凝土。下部結構采用雙柱式橋墩，樁基礎。支座采用矩形板式橡膠支座。橋面寬16.5 m，車道布置為：(0.50+2×3.75+2×3.50+0.50)m。單幅橋梁橫斷面布置見圖1所示。設計及驗算荷載：城-A級。

圖1 橋梁橫斷面布置(單位：cm)

2015年9月1日上午，高架橋北行33#—35#墩橋下倉庫失火，導致上部結構梁底出現燒傷。橋下倉庫內主要燃燒物為繪畫用顏料、木材及紙張。現場調查結果表明南北行34#—36#跨梁體均存在不同程度被油煙覆蓋的現象，北行第35跨結構受火較為嚴重，受火影響范圍見圖2所示。

圖2 結構物受火影響范圍

2.2 結構燒灼損傷狀況調查

1)上部結構調查。①北行35跨2#至6#梁體腹板表面存在被油煙覆蓋的現象，目前油煙覆蓋的腹板表面未發現存在裂縫網絡，混凝土錘擊聲音清脆，未見酥松或脫落現象。②2#至6#梁火源正上方底板、腹板、翼緣板表面存在大面積混凝土剝落現象。通過對剝落區域內殘留混凝土或剝落區域邊緣進行敲擊，聲音發悶，混凝土進一步出現塌落現象，剝落邊緣混凝土呈灰白色。腹板混凝土平均剝落厚度在2 cm左右，最大剝落厚度為4 cm。③敲掉梁體表面松散層后未見有網狀裂縫，2#至6#梁底板混凝土保護層均已出現不同程度的剝落現象，兩根縱向鋼筋已懸空外露，見圖3。3#梁、4#梁底板混凝土剝落區域箍筋底面外露。

圖3 底板混凝土剝落露筋

2)支座調查。位于主火源影響區的第35跨34#，35#墩支座及位于次生火源影響區的第34跨33#墩支座棱角均已呈粉狀，部分支座棱角處已燒焦碳化，但支座未見整體鼓包或軟化現象。

3)下部結構調查。檢查發現33#—36#墩表明均覆有不同程度的油煙，蓋梁表面原涂裝層已卷曲并同混凝土剝離，但未見混凝土網格狀開裂，敲擊聲音清脆，未見酥松剝落。

2.3 材料強度測試

選取受火燒灼損傷較為嚴重的第35#跨3#—5#梁沿縱向對梁端、近火區、混凝土剝落邊緣、剝落區域分別進行了強度測試，測試結果表明受火區混凝土強度較周邊混凝土強度有所下降。

在距34#墩側14 m處選擇受火灼傷較為嚴重的4#梁及5#梁底板及腹板進行抽芯，抽取芯樣較為完整，芯樣沿長度方向色澤層次不明顯。4#梁底板及腹板抽芯處混凝土抗壓強度為38.4，44.3 MPa，5#梁底板及腹板抽芯處混凝土抗壓強度為44.9，50.1 MPa。實測結果表明混凝土抗壓強度已不滿足50號混凝土對抗壓強度要求。

選擇3#梁及5#梁懸空的底板縱向鋼筋進行取樣，鋼筋強度測試結果表明鋼筋拉伸后斷口有明顯頸縮，鋼筋在過火后屈服強度、極限強度、屈強比及伸長率均滿足規范要求。

2.4 橋面線形測試

圖4 橋面恒載3#—6#梁線形測量結果

橋面線形的變化在一定程度上能夠反映出結構的內力變化。選擇火燒跨及正常跨就各梁的橋面線形進行測試，各片梁縱向按四分點布設測點。橋面恒載3#—6#梁線形測試結果見圖4。可知，該橋火燒跨4#—6#梁梁體線形均存在一定下撓。

2.5 靜載試驗

選擇燒灼嚴重的第35跨(火燒跨)3#—6#梁開展荷載試驗工作，同時選取第31跨(正常跨)相同梁體開展對比測試。測試結構在試驗荷載作用下的截面的抗裂性、剛度狀況、截面沿結構高度分布及中性軸狀況。

采用4輛42 t三軸泥頭車進行加載。對正常跨采用4級加載、1級卸載的方法進行；對火燒跨，為確保試驗過程中的安全，詳細把握結構響應隨荷載效率的變化關系，采用6級加載、1級卸載的方式進行。靜載試驗結果見表1。

表1 靜載試驗結果

3 加固設計

3.1 結構受力檢算

采用橋梁博士3.03建立模型對北行第35跨上部結構進行計算分析。受火損傷后，梁體主要材料及截面特性的變化按以下要點考慮：①混凝土材料特性的變化。根據鉆取芯樣混凝土抗壓測試強度，3#—6#梁梁體下緣混凝土強度按36號混凝土進行折減。根據荷載試驗的結果進行推算，3#—6#梁梁體底板混凝土彈性模量為50號混凝土的0.5倍。②梁體截面特性的變化。根據梁體燒傷的實際狀況，對1#梁、2#梁體的斷面尺寸不進行改變；對3#梁、5#梁、6#梁單側腹板厚度折減2 cm，底板厚度折減3 cm；對4#梁雙側腹板厚度折減2 cm，底板厚度折減3 cm。③普通鋼筋材料特性的變化。根據標準[6]附錄F.0.1-3混凝土水冷卻后抗壓強度折減系數表格進行推算，底板混凝土內部的實際溫度已達到270 ℃,根據文獻[6]附錄G.0.1-2，按照溫度270 ℃高溫冷卻后對普通鋼筋取強度折減系數0.95。④預應力鋼筋材料特性的變化。高溫后預應力鋼筋條件屈服強度折減建議值為0.946(在300 ℃)，彈性模量可不進行折減。

火災后橋梁檢算結果見圖5。可知，火損后開放交通狀態下各梁承載能力有所下降，各梁正常使用極限狀態下跨中下緣有約0.5 MPa的壓應力儲備。雖能滿足規范要求，但富余度較低，建議維持目前限行狀態并及時進行加固處理。

圖5 各梁跨中截面檢算結果

3.2 維修加固內容

1)對燒傷相對較為嚴重的北行第35#跨梁體混凝土燒傷部位，鑿除表面松散混凝土，清洗干凈后，灌注環氧灌漿料進行修復。

2)對火燒嚴重的第35跨3#—6#梁片燒傷部分16.2 m范圍內粘貼U型鋼板加固，鋼板采用8 mm Q345B級鋼板，采用灌注法粘貼。

3)對35跨34#, 35#墩支座及34跨33#墩被火燒傷支座頂升更換。

4)對第34—36跨范圍內被煙熏黑部位采用高壓水沖洗的方式進行表面清潔，處理范圍包括梁體、橫隔板、蓋梁及墩柱。

3.3 加固后計算分析

對3#—6#梁進行粘貼鋼板加固，3#—6#梁正截面抗彎承載力和彎矩組合值見表2。計算結果表明，加固后3#—6#梁正截面抗彎承載力均有較大的提升，抗彎承載能力相對于火損后承載力提升21.13%左右，梁體承載力有較大的改善。

表2 跨中截面承載能力極限狀態正截面抗彎強度kN·m

4 結語

1)受火后結構材料強度均有所下降，混凝土強度下降最為明顯。

2)火災損傷后橋梁的實際承載能力會有所降低，靜載試驗宜分6～8級進行加載，第1級荷載效率宜從0.25左右開始。

3)在試驗荷載作用下火燒跨關鍵截面底緣受力及跨中梁體撓度較正常跨均有明顯增加，推斷與結構受火灼傷后截面削弱及混凝土彈性模量下降有關。

4)梁體受火灼傷后，結構實際受力已偏離初始設計狀態，結構實際受力接近于按同時考慮截面損傷和底板混凝土彈性模量的降低(降幅50%)的狀態。

5)結合檢測評估結論，在結構預應力損傷不大的情況下采用粘貼鋼板法對火災后橋梁進行加固可有效提高梁體承載能力。

[1]奚勇.火災受損橋梁的檢測與評估[J]．世界橋梁，2007(4)：62-65.

[2]周成才,伍建強,程功.預應力混凝土梁橋受火災后快速評定及修復技術研究[J].鐵道建筑，2017,57(2):38-41.

[3]馮明揚，劉世忠，黃俊豪，等.某PC梁橋火災后損傷評估及加固設計[J].鐵道建筑，2015,55(11):27-29.

[4]蔡正東，彭旭昆，黃清.混凝土梁橋火災后檢測評估研究[J]．世界橋梁，2014(6)：74-78.

[5]交通運輸部公路科學研究院.JTG/T J21—2011 公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[6]中冶建筑研究總院有限公司.CECS 252：2009 火災后建筑結構鑒定標準[S].北京：中國計劃出版社，2009.