橋面過火后的預應力混凝土T梁分析與加固

張旭慧， 李斐然， 石磊， 袁波

(1.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450052； 2.河南省交院工程檢測科技有限公司；3.大連理工大學 土木工程學院)

隨著中國交通基礎設施的跨越式發展，橋梁里程迅速增長，運輸易燃易爆貨物的重型硬脂酸車、苯酚運輸車、運油(氣)卡車日益增多，橋梁火災事件頻發，引發的火災、爆炸事故給橋梁帶來嚴重威脅。經網絡查詢后統計，2010—2017年橋梁火災事故共28起，平均每年約4起，其中國省道高速公路與干線公路橋梁的起火點大部分位于橋面上，火災對橋梁造成的損傷導致路網中斷，研究橋面起火后橋梁的加固方案對于國省道的應急保障具有重要意義。

1 工程概況

京港澳高速公路黃河大橋引橋上部結構為35 m跨預應力混凝土簡支T梁，中心梁高2.3 m，邊梁寬度2.61 m，中梁寬度2.47 m。橋梁橫斷面分左右兩幅，每幅由8片T梁組成，單幅行車道寬度19 m，護欄寬度0.467 m，中央分隔帶寬度3 m，單幅橫斷面如圖1所示。

引橋上兩輛大貨車發生追尾事故，引發其中一輛大貨車著火，因事故車輛裝載的是鎂鋁粉(D類火災)，加之嚴重擁堵，導致滅火難度大，現場首先采用了砂土等進行覆蓋，表面上的火情受到控制，但內部溫度較高，鋁鎂粉一旦暴露于空氣將再次燃燒，最終采取挖掘機拋灑等方式才得以將大火撲滅，火源在橋面燃燒長達27 h。

圖1 35 m T梁橋一般橫斷面圖(單位：cm)

2 火場對T梁的影響

過火區域面積近似231.8 m2，現場檢測到橋面瀝青鋪裝層軟化變形、局部鋪裝層混凝土松散破碎，鋼筋外露，T梁翼緣板混凝土破損形成空洞；受損橋面瀝青混凝土清理完畢后，通過混凝土過火后顏色的變化情況和材料檢測成果推斷過火區域的最高溫度，以確定火場對T梁的影響范圍。

2.1 混凝土強度檢測

在現場檢測中，實際取得有效芯樣24個，混凝土芯樣磨平后發現，過火位置混凝土芯樣表面存在裂隙，未受火部位混凝土芯樣未發現表面裂隙。未過火區域混凝土強度為50.60～64.93 MPa，過火區域混凝土強度為18.16～62.49 MPa，高溫使混凝土強度降低明顯。火源核心區混凝土外觀為淺黃色，混凝土鉆芯強度為18.16 MPa，相比C50混凝土，強度損失約74%，初步判斷受火核心區最高溫度為1 000 ℃左右；次核心區混凝土外觀為淺白與淺灰白色，表明受火次核心區溫度達到500～800 ℃。

2.2 過火后鋼筋強度檢測

在現場對梁體內鋼筋進行取樣后，送至室內試驗室對未受火鋼筋與受火鋼筋進行抗拉強度對比試驗，試驗結果表明：未受火鋼筋屈服強度為290 MPa、極限抗拉強度為410 MPa，受火鋼筋屈服強度為177 MPa、極限抗拉強度為330 MPa，主要原因是鋼筋過火溫度較高且滅火過程中采用水冷進行了降溫處置，導致鋼筋強度損失明顯，受火鋼筋抗拉強度損失較大。

經各個區域的混凝土取芯、鋼筋強度試驗和混凝土回彈測試，推定橋面過火區域的平面范圍如圖2所示，影響深度為30～40 cm，即橋面火災引起混凝土受損的深度為30～40 cm，由于預應力管道位于跨中下緣，經檢測未受到火災影響。

圖2 橋面過火區域示意圖

3 鑿除受損混凝土的結構分析

受損區域為鋼筋混凝土結構，預應力鋼束并未受到損傷，考慮到混凝土強度損失過多，加固設計方案考慮鑿除頂板受損區域的混凝土，并采用施加反力的方法進行頂板混凝土的復澆，為了研究鑿除施工過程中梁體的應力狀況，采用Ansys建立三維實體模型對鑿除面與梁體應力、撓度的關系進行分析。模型主要特性如下：

(1) 材料：混凝土彈性模量為34 500 MPa，泊松比為0.2；鋼束彈性模量為195 000 MPa，泊松比為0.3。

(2) 邊界條件：主梁支承邊界條件為簡支；鋼束與混凝土之間采用節點耦合約束。

(3) 荷載：結構自重與預應力。

鑿除時按照先鑿除翼緣，逐漸到腹板，然后由腹板向下進行鑿除，鑿除深度示意見圖3，主要鑿除過程T梁應力云圖見圖4，鑿除深度與撓度的關系以及鑿除深度與應力的關系見表1，為便于在單圖中表示，定義負值表示鑿除翼緣距離腹板中心的水平距離，正值表示鑿除腹板深度距離梁頂的距離，鑿除面壓應力為鑿除至相應位置時的壓應力。

圖3 T梁鑿除深度示意圖(單位：cm)

圖4 不同鑿除深度下T梁應力云圖(單位：MPa)

表1 鑿除面與梁體應力、撓度的關系

續表1

鑿除深度/cm鑿除面壓應力/MPa底緣壓應力/MPa位移/mm-350.331.562.0-8.51.022.111.7221.672.170.6402.732.08-1.6604.561.77-6.8807.5560.97-17.410012.47-0.45-39.1

由表1可知：隨著鑿除深度的加大，梁體自重與慣性矩均減小，鑿除翼緣過程中自重減少幅度比慣性矩快，使得梁體上拱，之后慣性矩下降明顯使得梁體下撓。根據計算結果，梁體將先輕微上拱(最大上拱2 mm)后下撓；當鑿除深度為40 cm時，梁體下撓1.6 mm；當鑿除深度大于40 cm后，梁體開始急劇下撓；當鑿除深度達100 cm時，梁體下撓39.1 mm。隨著鑿除深度的加大，底緣壓應力與撓度變化規律相似，表現為先增大后減小，鑿除面的壓應力則單調遞增。當鑿除深度為40 cm時，底緣壓應力增大2.08 MPa，鑿除面壓應力增加2.73 MPa。

4 加固設計與荷載試驗

依據橋梁病害檢測狀況分析和鑿除受損混凝土的理論分析，為了前期盡快恢復交通及避免后期梁體出現次生病害，加固設計分為兩階段：第一階段為結構性病害處置階段，主要是恢復原橋的受力狀態，快速恢復通行；第二階段為一般性病害處置階段，主要是恢復原橋的耐久性狀態，恢復結構的設計使用年限。對火災中受損的混凝土采用高一等級的混凝土進行處理，并采用預頂方案恢復原橋的混凝土應力狀態；受損的梁體腹板采用粘貼鋼板法進行加固，底板采用張拉預應力碳纖維板法進行加固，圖5為橋梁加固整體布置圖。

圖5 過火T梁橋整體加固布置圖(單位：cm)

4.1 梁底支架系統設計

底板支架系統的設計有兩個方面的作用：① 為了在搶險加固期，對T梁進行預頂，恢復頂板混凝土應力；② 為了在后期運營初期進行預防性加固。地基基礎設計支架系統的底部可采用鉆孔灌注樁、鋼管樁或擴大基礎，考慮到搶險的時間要求，設計采用條形擴大基礎。條形擴大基礎數量共兩個，底縱橋向寬度為3.2 m，橫橋向寬度為13.2 m，厚1.2 m，兩個基礎的中心間距為6.8 m，施工時先對地基進行開挖，進行人工夯實，然后鋪設碎石墊層，在墊層上方鋪設10 mm厚鋼板作為鋼筋綁扎的底模，澆筑C30混凝土形成條形基礎。立柱設計采用鋼立柱，柱頂設置分配梁用于布設千斤頂或支座。

4.2 翼緣與腹板的混凝土切割設計

翼緣與腹板由于受到火災影響，混凝土受到較大損傷，致使強度明顯喪失，切割的目的主要是清除強度不足的混凝土，目前常見的切割方式為：人工風鎬鑿除、墻鋸切割、繩鋸切割等機械切割方式，安全微聲爆破拆除等化學切割方式，高壓水無損切割方式等無損壓力切割方式。機械式切割存在切割時間長，容易對混凝土和鋼筋造成損傷，切割速度慢等問題；爆破切割存在風險大，振動大，同樣會對鋼筋造成損傷；超高壓水切割是近年來引進的一種新型切割技術，主要利用超高壓(特指從100～280 MPa)水去除一定厚度的混凝土表面。

高壓水切割比傳統方法更加快速高效；提供粗糙、不規則的表面，使重新澆筑的材料具有更佳的附著力；可以按照需要去除指定的厚度；未損壞部分基本可以再次利用，節省資金；并不損壞鋼筋；不會產生傳統方法帶來的表面裂紋；無震動帶來的損害；為此選用高壓水切割方案作為施工方案。

4.3 施工過程預頂的位置與反力設計

預頂是第一階段加固的關鍵環節，必須現場完成反力系統的調試后才能進行混凝土的澆筑。完成支模和鋼筋綁扎后，采用千斤頂對梁體進行第一次頂升，隨著混凝土的澆筑，在不考慮地基沉降、臨時支墩變形及其他變形的情況下，千斤頂的力將自動增至最終設計頂力，但由于地基沉降、臨時支墩變形及其他變形的影響，千斤頂的力可能不會達到最終頂力，因此需要在混凝土澆筑完后、初凝前盡快將千斤頂的力調整至最終設計頂力。

預頂的位置與反力受切割混凝土范圍和深度的影響，根據設計狀態的混凝土切割設計范圍，選擇距離跨中兩側各3.4 m的位置作為千斤頂布置點。表2為各階段跨中截面正應力與撓度的計算結果。

由表2可得到以下結論：

表2 各階段跨中截面正應力與撓度

(1) 火災前主梁的應力狀態與張拉碳纖維板階段主梁的應力狀態，兩者基本相當，可以認為梁體應力恢復至火災前的水平。

(2) 施加頂升力對于改善主梁的應力狀態具有明顯的作用，主梁的應力狀態發生重分布，有助于減小跨中底板的應力狀態，恢復跨中頂板的應力狀態。

4.4 更換受損混凝土設計

為了方便混凝土的更換及保證更換混凝土的澆筑質量，新的混凝土相比原C50混凝土提高一個等級；為減小混凝土收縮徐變的影響，設計采用微膨脹型混凝土。綜合上述因素，新澆筑的混凝土設計為C55型微膨脹混凝土。為不降低承載力，將原橋面鋪裝的混凝土調平層改造為結構層，并加強鋼筋布置。

4.5 底板預應力加固設計

采用預頂的方式能消除大部分的不利影響，為了進一步恢復受損梁體的設計狀態，需要在受損梁體的底板位置施加預應力荷載。施加預應力荷載的方式包括體外預應力和預應力碳纖維板，體外預應力需要設置混凝土錨塊，構造復雜，施工周期長，而預應力碳纖維板有專用的夾具，施工便捷，且耐久性良好，因此選擇預應力碳纖維板作為預應力補強措施。預應力碳纖維板的加載選擇混凝土澆筑并且養生完成后，張拉完預應力可鋪設瀝青橋面層。

4.6 耐久性加固設計

由于腹板局部被可燃物灼傷，強度有所損失，后期存在開裂的可能，為此在腹板采用粘貼斜鋼板的形式進行加固。在恢復通行3個月后，根據外觀檢測情況，針對可能出現的腹板斜裂縫和橫隔板裂縫，采用粘貼鋼板的形式進行耐久性加固。

4.7 荷載試驗

基于荷載試驗的評價方法是對橋梁加固成果的判斷標準之一，由于相鄰橋跨未受到火災的影響，為此采用對比的方式進行荷載試驗，即對受火災影響的第11跨和未受火災影響的第12跨分別進行對比加載，以對比搶修加固效果。荷載試驗結果表明：第11跨各工況荷載作用下主要受力主梁實測撓度值均小于理論撓度值，撓度校驗系數為0.47～0.78，實測應變均未超出理論應變，應變的校驗系數為0.20～0.86，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中校驗系數小于1的規定，表明試驗跨結構剛度和強度均滿足規范要求；第11跨相比第12跨荷載作用下主梁實測撓度、實測應變基本一致，說明已達到梁體承載力恢復目的。

5 結論

依據京港澳高速公路黃河大橋起火后檢測結果，推定了溫度場的分布，并依此進行了加固分析，主要結論如下：

(1) 對于橋面火災后的混凝土T梁橋，清除受損混凝土頂板對剩余梁體的應力與承載力影響有限，清除腹板混凝土深度在40 cm范圍內對梁體撓度變化影響不大，清除腹板混凝土深度達到40 cm以上時將出現明顯下撓。

(2) 在鋼管立柱建立的臨時支撐系統下，采用先鑿除受損混凝土，然后施加強制位移，最后通過釋放對后澆混凝土施加壓應力的加固方法，能較好地將受損橋梁恢復至設計理想狀態。

(3) 橋面起火后混凝土強度損失嚴重，高壓水切割工藝可精確剝離受損混凝土與正常混凝土，能避免傳統機械鑿除對未破損區域混凝土的影響，并且完整保留梁體鋼筋。

(4) 搶修加固采用兩階段加固能較好地滿足前期搶通及后期耐久性雙方面的要求，具有在橋梁搶修工程中推廣的價值。

該橋加固后進行了持續半年的觀測，目前在加固后已經運營3年，經受了京港澳高速車流量的考驗，至今未發生新增病害，加固方法和施工效果得到驗證。