鐵路框架橋火災后的試驗研究與損傷評估

殷 濤

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600)

高速鐵路橋梁結構物安全至關重要，但在橋梁穿(跨)越車輛密集的城市道路交叉處，安全隱患較多，火災就是發生概率最大、危害最嚴重的隱患之一。一旦發生火災，將會造成鐵路停運，損失巨大。因此，研究如何對發生火災后的橋梁結構進行損傷評估，制定修復方案具有重要意義。本文以哈爾濱市長江路上一座2-18 m長度440 m的鐵路框架橋火災事故為案例，對火災后的橋梁結構進行試驗檢測和損傷評估，并提出橋梁快速修復方案，供同類事故橋梁參考借鑒[1]。

1 火災現場勘察

本次火災事故發生于鐵路框架橋第5～7節位置，造成第1～13節，共計273.45 m長橋梁過火，如圖1所示。第5～7節燒損嚴重，橋梁頂板、邊墻鋼筋保護層和分布鋼筋脫落，鋼筋外露，混凝土脫落面積約630 m2。其中，第6節燒損最嚴重，頂板混凝土脫落面積超過70%，有一半鋼筋下撓，頂板底脫落后露出的混凝土呈淺灰色，略顯粉紅，表面呈微細裂縫，錘擊聲音發悶，混凝土表面未留下錘擊痕跡。在過火嚴重區域，橋內裝修大理石板脫落，人行道欄桿嚴重扭曲變形。

圖1 橋梁燒損范圍平面示意圖(m)

根據火災后損壞嚴重程度，將燒損橋梁劃分為3個區域，如圖2所示。

圖2 橋梁燒損程度區域平面示意圖(m)

(1)受損嚴重區

分布鋼筋 80 根下撓，有5%鋼筋燒斷，下撓范圍為250～1 800 mm，下撓幅值大部分在50～1 000 mm，約40%縱向主筋嚴重彎曲。混凝土下緣保護層全部脫落。

(2)受損較重區

分布鋼筋有38根下撓，下撓范圍為150～400 mm，約15%縱向主筋彎曲。混凝土下緣保護層全部脫落。

(3)表面無損區

肉眼觀察鋼筋和混凝土表面，無明顯損壞[2]。

2 火災后橋梁試驗研究

為探明火災后橋梁結構性能的變化程度，確定能否修復使用，并制定修復方案，根據火災現場勘查狀況、結構損傷程度、火災燃燒過程，確定火災后橋梁試驗內容包括：①混凝土強度檢測(鉆芯法、回彈法)；②碳化深度檢測；③混凝土損傷厚度檢測；④鋼筋力學性能試驗；⑤橋梁動載試驗。

2.1 混凝土強度檢測

2.1.1 鉆芯法強度檢測

在受損嚴重區域的第6節框架橋頂板混凝土上，用長200 mm膨脹螺栓固定儀器(固定不住儀器的部位進行植筋固定)。取芯位置選在結構受力小、混凝土燒損嚴重脫落區[3]。取芯前，先測量取樣點位置，然后用鉆芯機鉆孔取樣，芯樣取出后應馬上干燥，并迅速送至試驗室進行抗壓強度試驗。試驗過程如圖3～圖5所示，芯樣檢測值，如表1所示[4]。

圖3 取出芯樣

圖4 芯樣加壓

圖5 芯樣試驗后

在第5節、第7節框架橋頂板混凝土上，選取受損較重區進行取芯，試驗方法與第6節框架橋相同，芯樣檢測值，如表2所示[5]。

表1 第6節框架橋鉆芯法檢測值

表2 第5節、第7節框架橋鉆芯法檢測值

從表1、表2可以看出，火災后，混凝土強度明顯降低，多處低于設計強度(設計混凝土標號為C40)，其原因在于火災中，高溫使混凝土骨料體積膨脹，而膠凝體受熱發生分子脫水化學反應后收縮，兩者變形的不協調造成混凝土開裂、酥碎、脫落，未脫落混凝土強度降低。

2.1.2 回彈法強度檢測[6]

對第5～7節框架橋混凝土脫落區、影響區及未受影響區域的混凝土采用回彈法檢測強度，以此推斷火災引起的混凝土質量衰退區。用ZC3-A型混凝土回彈儀選取300個測點進行檢測，結果顯示測量強度均低于混凝土強度設計值，且較取芯強度更低，其原因在于回彈儀僅能測量距表面15～20 mm 厚度范圍內的混凝土強度，而火災致使混凝土外側強度值低于內側。表明火災后混凝土強度不合格。

2.1.3 碳化深度檢測

對第6節框架橋，在燒損嚴重區、較嚴重區和未受影響區選取回彈測區的30%進行碳化深度檢測，檢測結果如表3所示。

表3 第6節框架橋碳化深度檢測值

從表3可以看出，燒損嚴重區的混凝土保護層碳化深度均值已達8.5 mm。

對第5節、第7節框架橋，選取取芯后的芯樣進行碳化深度檢測，檢測結果如表4所示。

表4 第5節、第7節框架橋碳化深度檢測值

從表4可以看出，其碳化深度均值在5.0～5.5 mm之間。

2.1.4 損傷厚度檢測

采用超聲法檢測混凝土損傷強度。在火災受損嚴重和較嚴重區混凝土脫落處選取若干測位，將表面打磨平整，將發射探頭固定不動， 將接收探頭沿一直線，按兩探頭內側邊緣間距分別為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm、40 cm布置，每個測位取6個測點，讀取兩探頭在混凝土中的聲時值進行計算，以此確定混凝土表面損傷層厚度。對測試數據進行分析，得出火災主要影響區混凝土表面損傷層厚度為10～20 mm。

2.2 鋼筋拉伸試驗

火災使鋼筋的性能發生變化，其結果直接影響到橋梁結構的承載能力，因此，確定鋼筋的材料性能是試驗研究的一項重要工作。從第6節框架橋頂板底抽取燒損后的6組φ20鋼筋，選取2組彎曲鋼筋進行拉伸試驗。試驗結果如表5、表6所示。選1組鋼筋進行接頭試驗(斷裂位置在非焊接段)，試驗結果如表7所示。

表5 受損嚴重區鋼筋拉伸試驗結果

表6 受損較重區鋼筋拉伸試驗結果

表7 受損較重區焊接鋼筋拉伸試驗結果

從表5可以看出，燒損嚴重區的鋼筋屈服強度小于標準強度335 MPa,鋼筋強度不合格。其原因在于鋼筋外層混凝土在烈焰的灼燒下脫落，裸露的鋼筋在高溫下分子晶格結構發生變化，造成了屈服強度的降低。從表6、表7可以看出，受損較重區的鋼筋強度雖合格，但火災已使鋼筋性能明顯降低。

2.3 橋梁動載試驗[7]

為確定火災后橋梁結構的整體性能，選取燒損嚴重的第5節、6節框架橋進行動載試驗。試驗列車2列，試驗加載機車車輛編組每列按DF7調車機(軸重22.5 t)+2輛C70重車(自重+載重93.8 t)+2輛C70空車(空重23.8 t)，編組試驗列車速度等級分別為5 km/h、10 km/h、15 km/h。先進行5 km/h準靜載試驗，再進行10 km/h、15 km/h動載試驗。在編組試驗列車作用下，對燒損后橋梁頂板主筋受力、頂板撓度進行測試，以評價橋梁承載能力。

對理論分析和試驗檢測的橋梁應力和撓度值進行分析，得出試驗結果：(1)火災導致橋梁頂板受力狀態發生改變，鋼筋變脆、韌性變差，保護層大面積脫落，頂板鋼筋與混凝土粘接破壞，分布鋼筋脫落懸空，混凝土表面強度降低，但主筋沒有失去作用，橋梁整體結構的性能尚好。(2)橋梁頂板主筋的靜載總應力滿足設計容許應力和檢定容許應力限值的要求。(3)橋梁頂板主筋的撓跨比滿足《鐵路橋梁檢定規范》第10.0.3條通常值和設計規范1/800的要求。應力和撓度的檢測波形，如圖6、圖7所示。

圖6 應力測點時域波形圖

圖7 撓度測點時域波形圖

3 火災后橋梁結構分析

對第6節框架橋，建立空間有限元分析模型進行研究，邊界條件為橋梁頂板主筋兩端錨固，X軸方向節段長25 m，Y軸方向單孔跨度為22.202 m，火災前頂板厚1.25 m，火災后板厚為1.15 m(支撐平行于X軸)，對比分析結構跨中截面主要受力鋼筋的應力變化。火災后頂板結構內力，如圖8、圖9所示。

圖8 橋梁火災后Mxx 彎矩

圖9 橋梁火災后Xx面應力

從對比分析結果可以看出，橋梁結構受損后，鋼筋應力發生了較大變化，但頂板主筋兩端錨固程度良好，主筋仍發揮抗拉作用，說明火災后橋梁結構仍有使用價值，因此，可對第5～7節框架橋燒損的混凝土和鋼筋進行修復加固處理。

4 火災后橋梁損壞評估及修復方案[8-11]

4.1 橋梁損壞等級評定

根據混凝土損傷檢測和鋼筋拉伸試驗、橋梁動載試驗等結果，結合現場勘察的混凝土顏色變化、灼燒損傷、變形開裂、脫落程度等情況以及橋梁結構建模分析結果，最終評定橋梁混凝土損壞等級為Ⅲ級，按照《鐵路橋隧建筑物狀態評定標準》，梁體碳化等級為AA級。

4.2 修復方案

火災后，橋梁結構整體性能尚好，可繼續使用，但頂板、邊墻局部受損嚴重，從安全性和耐久性方面考慮，須進行修復加固。

為確保燒損橋梁快速修復，建議方案是鑿除混凝土受損嚴重區和受損較重區20 cm，表面無損區10 cm(具體深度根據現場實際情況略有調整)進行加固處理，加固范圍適當外延。對受損嚴重區和受損較重區燒損的橫向分布鋼筋，進行拆除后補筋，按照檢算后的設計位置綁扎鋼筋，同時輔以植筋技術相配合，植筋錨固到混凝土中的深度、間距，需經檢算確定。為保證鋼筋與混凝土的充分粘結，采用高強無收縮灌漿料修復混凝土。對混凝土表面無損區，建議先采用粘貼碳纖維布補強，再涂刷表面防火涂料。

5 結論

本文通過對火災燒損的鐵路框架橋進行現場勘察、試驗檢測、結構建模分析研究等，得出以下研究結論：

(1)查清火災后橋梁結構的過火長度和燒損范圍，劃分損傷區域，探明各區的破壞程度，是進行損傷評估的基礎。

(2)開展混凝土損傷檢測、鋼筋拉伸試驗、橋梁動載試驗和結構建模分析，對橋梁結構碳化等級(AA級)、混凝土損壞等級(Ⅲ級)和橋梁整體性能進行評定，是合理制定橋梁修復方案的依據。

(3)采用灌漿料、碳纖維布和防火涂料等新材料，是被損傷橋梁快速、安全修復的保證。

該橋重新投入使用至今，橋梁結構使用正常。本文研究成果可為我國同類型燒損橋梁的檢測和修復設計提供借鑒。