某钢筋混凝土桥梁火灾后结构受损鉴定及加固研究

◎ 湖南创高建设有限公司 余异德

一、引 言

随着火灾发生的频率越来越高，作为当今应用最为广泛的建筑结构材料——钢筋混凝土在受到火灾作用时,由于钢筋和混凝土物理和化学性质随温度的升高发生了一系列复杂变化导致材料的力学性能随之产生较大的改变。火灾对于整个结构,将引起结构的变形增大和承载力降低,严重时甚至有可能导致结构失效发生倒塌。由于结构的损伤受火灾影响范围、受火温度、持续时间及冷却方式等许多不定因素影响，定量地得到由火灾引起结构性能的降低程度是十分困难的，然而我们可以通过对火灾后结构构件剩余强度进行鉴定和检测，获得火灾后结构的剩余承载能力，重新评估结构是否需要修复加固重新投入使用，抑或拆除重建提供有效的依据。

二、桥梁受火损伤鉴定方法

目前我国许多城市桥梁的桥下空间被利用起来作为民用或商业用房，导致近年来各地经常出现许多桥梁发生火灾，导致桥梁受到一定程度的损伤，必须对遭受火灾的桥梁受损程度进行科学而准确的鉴定，给出相应的维修加固措施，使桥梁能够恢复到正常使用要求。我国《火灾后混凝土构件评定标准》（DBJ08-219-96）和《火灾后建筑结构鉴定标准》（CECS252:2009）建议对火灾后建筑结构的剩余性能进行以下三个方面的检测鉴定：

（1）结构外观检查

现场勘察对火灾影响范围内的混凝土颜色改变、表面裂缝、保护层脱落、钢筋外露等情况，并采用全站仪对结构的变形程度（如挠度，裂缝等）进行测量，初步估计火场燃烧温度。

（2）材料强度鉴定

在火灾影响的区域，采用以下两种方法对结构中具有典型代表的构件进行混凝土材料与钢筋进行随机抽样检测鉴定：

①钻芯法检测

钻芯法是现行混凝土强度检测方法中较为精确的方法，能真实反应实际结构的材料强度，其检测结果作为校核其他检测方法结果的基准；但对结构具有一定的破坏作用，因此利用钻芯法检测时，钻芯位置应选在对结构影响较小的位置，避免对结构产生破坏。钻芯法是现场钻取标准芯样（直径100mm或150mm，高径比为1.0）然后在万能试验机上进行混凝土强度实验；对于钢筋则应在受火区域构件中截取不小于20cm长度，然后在材料试验机上进行屈服强度、极限强度以及延伸率等试验。

②回弹法检测

混凝土在受到火灾高温影响后由于火灾中温度场的传导不均匀，导致混凝土内外达到的温度不一致，从而使得材料的疏松程度不同其表层会出现裂缝和疏松现象，使得回弹值出现偏高现象，此时应对其进行修正得到火灾后混凝土真实的抗压强度。

(3)承载能力检测

火灾后的结构承载能力检测应该按照《公路旧桥承载能力鉴定方法》的要求，对灾后桥梁重新进行动、静荷载试验以确定其剩余的承载能力。该方法主要是通过模拟真实的车载运行情况对桥梁实施动载和静载试验，并采用动态和静态应变仪对桥梁中受损严重的的跨孔与邻近跨孔跨中最大正弯矩以及支座最大负弯矩截面的应力分布进行检测，同时测量跨中挠度大小，以此判断该结构的剩余承载能力和刚度火灾后是否继续满足桥梁原设计要求，若存在较大的衰减，必须对结构进行相应的加固维修以满足后期结构继续使用的安全。

三、某桥火灾后损伤检测加固分析

某桥分南、北半幅两座独立的桥，全长约400m，桥梁基础为人工挖孔灌注桩基础，桥身结构为预应力混凝土箱梁。南半幅箱梁东向第3跨孔由于桥下建筑发生火灾导致该跨孔箱梁底板烧损最为严重，桥梁底板混凝土发生脱落、酥松和钢筋外露等现象。在对该结构进行了火灾后的现场检测鉴定，如下所示。

(1) 结构外观检查

图1 混凝土表面附着黑色物质

图2 混凝土底板裂缝与露筋

由于火灾发生在第3个跨孔位置，火灾后，桥梁底板遭受大火熏烧，混凝土表面附着大量黑色物质，并在底板上出现了3条短白色物质，如图1所示。在桥梁第3跨孔3/8～3/4跨度区域由于火烧严重，混凝土表面出现明显的龟裂裂缝，并有大量露筋现象。（如图1、图2）

火灾带来的高温对混凝土材料的化学与物理性能产生了一系列复杂的变化，结构外观检查结果在一定程度上可以反映出火灾后的混凝土材料破坏特征和形态。

(2)材料强度鉴定

（a）钻芯法强度检测

对于连续梁结构一般在各跨的1/4跨处(即反弯点)的弯矩最小。通常在这个位置钻孔取样对原有结构损伤最小，并且能够避开桥梁中密集的钢筋，对结构承载能力影响最小。检测的结果如下表1所示。

表1检测的结果表明，混凝土结构遭受火灾影响后，混凝土表层由于烧结作用导致硬化，导致混凝土抗压强度出现增大现象。

（b）回弹法强度检测

考虑到钻芯法是一种有损检测方法，一定程度上对已受损的结构存在进一步加剧结构的损伤，而回弹法具有对结构无损伤的优势，因此，为了全面评定火灾后桥梁混凝土的强度，通过结构外观检查一般可以将火灾对混凝土箱梁的破坏情况分为严重、一般和轻微受损三种情况，分别对这三种情况以及未受损区域的混凝土进行回弹法强度检测。箱梁底板具体测区分布如图3所示，图中编号（×-×）第一个数据为回弹法检测断面的位置编号，从左至右为1～6个位置，第二个数据为回弹法检测测区编号，从上至下为1～5个区域。（如图3）

各测区的回弹测试数据如下表2所示：

根据表2中回弹法强度检测的数据可知，在桥跨跨中位置测区1的混凝土强度最大，而实际上该区域使遭受火灾影响最为严重的位置。

通过比较钻芯法与回弹法的检测结果发现，对于火灾影响区域的混凝土强度明显增大，与实际存在一定区别，分析其原因为：火灾的高温使混凝土表层发生烧结硬化，在实际强度推算中应将此影响进行消除得到真实的剩余强度。

(3) 桥梁剩余承载力检测

对桥梁各跨孔进行静载试验，结果如表3所示。

表中最大应力为现场实测应变转换得到的应力，理论值为钢筋容许应力185MPa。

对遭受火灾影响最为严重的第3桥跨进行动载试验，桥梁的振动频率为4.638Hz，根据设计资料该桥梁的第一阶振动频率为5.814Hz。实测值小于理论设计值，表示该桥梁在经受火灾影响后的整体刚度比设计要求的整体刚度有所降低。

通过对该桥结构外观检查、材料强度检测和静、动荷载试验检测数据的进行分析，得到以下鉴定结果和加固建议：

（1）受火灾影响最为严重的桥梁第3跨孔的承载能力下降程度非常大，已无法满足桥梁原设计使用要求，必须对烧损部位进行清理后采用粘钢法或底部贴碳纤维法进行加固；

（2）火灾影响的桥梁第2跨孔剩余承载能力基本可以满足桥梁的设计使用要求，对底板部分清理并填补出现的裂缝等；

（3）火灾后桥梁的实测频率小于理论计算值，整体刚度已不能满足设计要求，应对其进行修复加固。

四、结论

本文从结构外观检查、材料强度检测和静、动荷载试验三个方面系统地对遭受火灾后的桥梁的受损情况进行了检测鉴定，得到以下的结论：

（1）遭受火灾的桥梁，应严格按照火灾后钢筋混凝土结构鉴定标准进行鉴定，首先通过结构外观检查确定火灾的影响范围和混凝土的破坏特征，然后对火灾影响范围的混凝土采用钻芯法和回弹法得到其剩余强度，并截取部分钢筋进行抗拉强度试验获得火灾后钢筋的剩余力学性能，为后期静、动载试验提供参考依据。

表1 混凝土芯样抗压强度表

图3 回弹法混凝土强度检测测区布置

（2）根据结构外观检查和材料强度检测结果，对受损较为严重的构件进行静、动载试验得到结构的真实承载能力，并作为火灾后桥梁受损程度判别的主要依据，为后期加固施工提供指导。

表2 各测区实测回弹混凝土强度（MPa）

表3 预应力混凝土箱梁静荷载试验实测结果统计表