火災后的損傷橋梁檢測與有限元仿真分析

郭 釗，張 新

(湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410000)

近年來，隨著交通強國戰略的大力實施，我國的公路通車里程有了顯著增長，截至2020年底，橋梁總數已達100萬余座，各類橋梁遭受車輛起火等原因而導致重大事故的情況屢見不鮮[1]。橋梁遭受火災不僅會造成巨大的經濟損失，還會對橋梁結構的性能造成影響。在高溫的作用下，結構表面的混凝土發生剝落、松散，混凝土強度隨之降低，碳化深度加深，使得鋼筋與混凝土之間不能形成有效粘結，進而導致橋梁結構的承載力降低，最終致使橋梁存在安全隱患并危及行車安全[2-4]。因此，對發生火災后的橋梁及時進行檢測評估，有利于對橋梁結構的損傷程度做出正確的判斷，以便于為后續制定橋梁的維修加固方案提供依據[5]。本文介紹了湘西州某高速路橋火災后的檢測評估情況，并借助有限元軟件模擬分析了橋梁的剩余承載力以及梁體開裂情況，可為今后同類橋梁在遭受火災后進行檢測評估提供參考借鑒。

1 工程概況

受火橋梁位于杭瑞高速吉懷段，該橋于2012年檢測通車，為整體式路基橋梁。其上部構造采用30 m裝配式預應力混凝土T梁，跨徑組合為：左幅(5×30)+(5×30)m；右幅(5×30)+(6×30)m，為先簡支后結構連續體系；下部結構為雙圓柱橋墩、樁基礎；橋臺采用肋板式橋臺、U型橋臺、樁基礎。橋梁全長306.5 m；設計荷載等級：公路-I級；橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土橋面鋪裝+防水層+8 cm厚混凝土現澆層；橋梁兩側分別安裝有墻式護欄和波形梁護欄。

該橋在2020年12月29日凌晨，在鳳凰縣往吉首市方向發生交通事故并導致車輛起火。

2 火災后橋梁檢測及結果分析

2.1 橋體外觀檢測

經初步檢查發現，橋面鋪裝的瀝青混凝土按損傷情況可分為兩個區段，縱橋向第8跨距7#墩6 m至第8#墩范圍以及第9跨距8#墩0～8 m范圍，橫橋向整個橋面寬度為過火區段1，該區段橋面受火后出現表層局部瀝青脫落，橋面出現坑槽，最大坑槽深度達到4～5 cm之間；縱橋向第7跨距6#墩14～30 m，第8跨距7#墩0～6 m以及第9跨距8#墩8～12 m，橫橋向整個橋面寬度為過火區段2，該區段橋面受火后出現表面火燒痕跡，局部松散、露骨、坑槽。橋面鋪裝損傷見圖1所示。

圖1 橋面火燒區域分布示意圖(單位：cm)

橋上護欄也因火災影響出現不同程度的損傷，其中：第7跨左側護欄距7#墩0～18 m范圍內混凝土面淺灰白，護欄受火后出現表層局部混凝土脫落，少量露筋的現象，小錘敲擊聲音較悶，混凝土脫落，留下痕跡；第8跨距7#墩大里程方向0～24 m范圍內左側護欄，以及第7跨距7#墩頂0～16 m范圍內右側護欄混凝土表面淺灰，受火后出現其表面輕微松散；第8跨距8#墩0～6 m范圍內左側護欄，以及第九跨距8#墩0～18.5 m范圍內輕微過火，混凝土表面基本無影響。火災對橋梁伸縮縫裝置無影響。依據規范《火災后工程結構鑒定標準》(T/CECS 252—2019)中有關火災后混凝土結構構件初步鑒定評級標準，應及時對因火災受損嚴重的欄桿進行加固處理。

護欄撞損對應位置T梁外側翼緣板根部未見明顯開裂。該橋上部承重構件主要病害為T梁剝落露筋，外側T梁泄水孔下方位置多處銹脹開裂、露筋，此次火災事故未對上部結構造成重大影響。此外，火災對下部結構及附屬設施的影響也有限，下部結構基本沒有火損。

2.2 橋面鋪裝鉆芯檢測及分析

在橋梁左幅燒毀影響較大、影響較低、沒有影響的三處區域分別鉆取3個芯樣，現場量取瀝青面層厚度并觀察外觀。

影響較大區域為橋梁左幅第8跨，影響較低區域為橋梁左幅第7跨，沒有影響區域為橋梁左幅第4跨。根據檢測結果，影響較大區域的瀝青混凝土鋪裝層均出現上面層燒毀，裸露表面松散的情況，但上面層與下面層沾結緊密；影響較低區域的瀝青混凝土鋪裝層上面層僅出現輕微燒失的現象，而無影響區域的鉆芯檢測結果顯示芯樣基本完整、密實。這說明在火災影響較大區域的橋面鋪裝層混凝土受損嚴重，應及時加以修復以確保車輛通行安全。

2.3 混凝土回彈強度

結合本橋結構特征及外觀檢測情況，此次混凝土強度測區的選擇為T梁腹板、翼板底板位置。根據檢測結果分析可知：該橋橋面過火嚴重的第8跨上部結構T梁(腹板、翼緣板)及橋面火災影響較輕區域第7跨、第9跨上部結構T梁腹板混凝土強度未見明顯下降。護欄直接過火區域左幅第8跨左側護欄強度相對未受火災影響的左幅第1跨左側護欄強度略有降低。

2.4 混凝土軸心抗壓強度

對橋面火災影響嚴重區域、影響較輕區域及無影響區域進行橋面鉆芯取樣，鉆取混凝土調平層芯樣進行抗壓試驗，芯樣直徑為10 cm。混凝土調平層設計強度為C50，火損嚴重區的混凝土芯樣抗壓強度平均值為48.7 MPa，芯樣軸心抗壓強度試驗結果表明受火災影響嚴重區域與未受火災影響區域調平層混凝土強度相比有所降低，但下降幅度不大，強度折減系數0.935。根據該折減系數可反推算出橋面過火嚴重區域的混凝土調平層表面過火溫度約為65 ℃。

2.5 鋼筋抗拉強度

鋼筋在高溫作用下會發生相變，進而導致鋼筋強度的降低，尤其對于預應力混凝土結構，鋼筋強度的降低必定影響結構的安全，因此需要對火災后的鋼筋強度進行檢測，從而判定是否需要替換火損鋼筋，以便對預應力混凝土結構進行加固。

分別在過火較區域1的第8跨、第9跨護欄處截取1根型號為HRB335，直徑為12 mm，長度為60 cm的鋼筋以及未過火區域的第5跨護欄撞損處取1根型號為HRB335，直徑為12 cm，長度為150 cm的鋼筋進行抗拉強度試驗。

檢測結果表明，無論是從過火嚴重區域還是未過火區域截取下的鋼筋屈服強度、抗拉強度、伸長率均符合規范《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》GB/T 1499.2—2018的要求，故所火災事故的發生對混凝土內部鋼筋的性能產生的影響較小。

3 有限元損傷模擬

3.1 火災溫度場的確定

結合現場護欄火燒后外觀、錘擊檢測情況，初步判斷現場護欄位置火場最高溫度為500～700 ℃。

瀝青混凝土橋面最高溫度，按混凝土護欄處實際檢測初步推算最不利過火溫度700 ℃考慮，假設瀝青混凝土層、混凝土調平層以及T梁頂板作為一個整體，其厚度達到34 cm。參考板厚度H=20 cm的單面受火混凝土實心板在標準升溫條件下的截面溫度場曲線，如圖2所示。可計算得到距瀝青混凝土表面10 cm處混凝土調平層頂面溫度約61 ℃(與混凝土調平層芯樣抗壓強度反算溫度65 ℃相近)，距瀝青混凝土表面18 cm處T梁上翼緣頂面溫度約28 ℃，距瀝青混凝土表面32 cm處T梁上翼緣頂面溫度約0 ℃，如表1所示。

圖2 單面受火混凝土實心板在標準升溫條件下的截面溫度場曲線

表1 最高溫度區域混凝土內部溫度分布

3.2 主要設計參數

實際主梁采用的混凝土強度等級為C50，考慮了受火后混凝土的抗壓強度和彈性模量的降低，本次計算偏安全的將結構混凝土取為C45號。

3.3 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件建立了該橋的空間梁格模型，按后張法部分預應力混凝土A類構件進行承載能力極限狀態驗算以及火災升溫應力驗算。

3.4 結果分析

(1)承載能力極限狀態驗算

考慮主梁混凝土材料力學性能的劣化后，各片T梁的彎矩和剪力效應曲線均在抗力包絡曲線內部，表明火災作用后主梁的正截面抗彎和斜截面抗剪承載力仍滿足原設計規范的要求。其中，正截面抗彎和斜截面抗剪承載力的安全富余度最小值分別為31.1%和33.5%。

(2)火災升溫應力驗算

火災升溫和恒荷載作用效應組合下：①各片T梁上緣的正截面拉應力最大值為0.003 MPa；②各片T梁除中支點墩頂現澆段下緣的正截面拉應力最大值為3.86 MPa外，其余截面均為壓應力。

在火災升溫作用下，中支點墩頂現澆段下緣區域可能出現開裂。嚴重過火區域位于第8跨距7#墩6 m至第8#墩范圍以及第9跨距8#墩0～8 m范圍，7#、8#墩為墩梁固結，7#、8#墩墩頂現澆段下緣可能出現的細微裂縫不影響梁體向墩柱傳力。

4 結 語

以某高速受火橋梁為例詳細地闡述了橋梁受火后的檢測結果，結合損傷狀況與評估結論，引入有限元軟件分析評估了橋梁發生火災事故后的剩余承載力。檢測時依據受火輕重對橋體上部結構受損程度進行了對比，便于后期加固時分類施策。對混凝土強度的評定中采用回彈法以及鉆芯取樣法進行了綜合評定，進一步驗證混凝土強度受火災的影響程度，為決策者以及后續研究者提供相應的依據。對過火橋體的承載力進行有限元分析無疑為評估橋梁受損程度提供了進一步的保障。采用傳統檢測方法與有限元分析結合的方式可幫助檢測者準確評估橋梁的因火受損情況，從而為后期及時開展維修加固提供了可靠參考。