高寒地区铁路地道桥火灾烧损后性能研究与加固技术

殷 涛

(中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院，黑龙江哈尔滨 150006)

2011年11月17日22时50分，哈尔滨市香坊区长江路铁路地道桥内，发生一起重大交通事故。一辆大货车在长江路上由禧龙陶瓷市场往化工路方向行驶，一辆小型汽车追尾直接冲撞、钻进前方正在行驶并满载百余桶油漆、万能胶、木门的大货车，使大货车所载物品燃烧爆炸(见图1)。位置在距地道桥出口约120 m处，造成2幅18 m宽的长江路单幅封闭，交通停用。

图1 地道桥内火灾现场

长江路穿越炼油厂化工专用线地道桥中心里程为K0+977.4，净宽2幅18 m，净空5 m，双向8车道，地道桥总长度440 m，是黑龙江省最长的地道桥，轴线与热电2道铁路线交角为54°10'。长江路为城市主干道Ⅰ级，设计行车速度60 km/h。地道桥上有热电1道、2道、3道、化工走行线、炼油厂7道、农垦1，2道、液化气1，2，3道等共计10条铁路专用线和厂内消防通道。本次事故造成地道桥第1～13节计273.45 m长桥梁过火，其中，第5，6，7节地道桥顶板、边墙钢筋保护层和分布钢筋脱落，内部装修大理石板材受损严重，见图2和图3。该项目性质属于专项抢险加固且需进行特殊设计［1-4］。

图2 烧损混凝土脱落后外观

图3 地道桥受损及过火范围(单位:m)

1 地道桥损坏等级评定

1.1 荷载试验

试验列车为两列，试验加载机车车辆编组:每列按DF7调车机(轴重22.5 t)+2辆C70重车(自重+载重93.8 t)+2辆C70空车(空重23.8 t)。编组试验列车的计划速度等级为5，10，15 km/h。由于本桥上两条线路距终点较近，按照实际情况确定试验列车在桥上的最高运行速度为15 km/h。在编组试验列车作用下，对火灾烧损后桥顶板主筋受力以及顶板挠度进行测试，以评价桥梁承载能力，见图4。

图4 热电2道加载

经试验检测，地道桥顶板主筋的静载总应力满足设计容许应力和检定容许应力限值的要求;挠跨比满足《铁路桥梁检定规范》第10.0.3条的通常值以及设计规范1/800的要求。地道桥火灾后梁体保护层大面积脱落，主筋普遍裸露，分布筋脱落悬吊在半空失去作用，混凝土表面强度大大降低。碳化按照《铁路桥隧建筑物状态评定标准》，梁体劣化等级达到AA级，需尽快加固。

1.2 混凝土抗压强度试验

对第5，6，7节地道桥顶板底面烧损严重的部位取芯，进行抗压强度和碳化深度试验。取芯前，先测量取样点位置，然后用混凝土钻芯机钻取芯样，取样后马上干燥并迅速送至实验室进行抗压强度试验(见图5)。试验结果表明:小直径的芯样离散性大，芯样强度代表值均小于C40混凝土的抗压强度标准值40 MPa。碳化深度在5.0 mm左右，必须对第5，6，7节地道桥进行加固处理。

图5 钻芯取样编号

1.3 地道桥损坏等级评定

经试验检测:本次火灾使地道桥第5孔部分、第6孔整孔、第7孔部分严重烧损，第1～4节及第8～13节过火，累计长度达到273.45 m。地道桥部分分布钢筋破坏脱落，受力主钢筋外露，钢筋损坏严重。混凝土保护层脱落，面积约630 m2，混凝土表面因过火烟熏，表面碳化，呈黑色。混凝土评定结果为Ⅲ级，梁体劣化等级达到AA级。

2 总体加固设计方案

总体加固方案分为两部分:第一部分是对第5，6，7孔受损严重区的加固设计，包括分布钢筋修复、植筋、MSN-6型高强无收缩灌浆料、碳纤维补强、涂刷表面防火涂料。第二部分是过火区段碳化加固设计，包括碳纤维补强、涂刷表面防火涂料［5-8］。

2.1 钢筋加固设计

2.1.1 分布钢筋加固设计

鉴于既有分布钢筋火灾后已经脱落，需对分布钢筋采取加固。设计方案:需在顶板底按照原设计的长度、间距重新弯制分布钢筋，按照检算后的设计位置绑扎钢筋。同时，还需配合以植筋技术。

2.1.2 顶板植筋加固设计

植筋技术是一项新型的钢筋混凝土结构加固技术，是利用化学粘合剂快速反应并固化与钢筋混凝土结合成强度很大的硬化体，从而固定钢筋。特点是承载力高，可以达到与预埋钢筋一样的效果。在植筋加固设计中，植筋的承载力及植筋的基本锚固长度是决定加固构件承载能力取值的两个重要因素。

植筋的承载力:植筋构件之所以能与混凝土共同工作受力，其基本原理是在钢筋、粘结胶与混凝土之间存在粘结强度，能够承受由于三者的相对变形(滑移)在界面上产生的作用力。通过钢筋与粘结胶、粘结胶与混凝土接触面上的粘结剪应力来传递钢筋与混凝土之间的力。为使钢筋的强度得到充分发挥，在植筋加固设计中，需准确计算控制基本锚固长度。

2.1.3 植筋间距设计

经检算，第6节整节地道桥顶板植筋采用直径16 HRB400钢筋，植筋间距200 mm。第5，7节受损较重区地道桥顶板植筋采用直径12 HRB400钢筋，锚固到混凝土中的深度不得＜270 mm，植筋间距200 mm，见图6。

2.1.4 植筋锚固深度设计值确定

植筋锚固深度设计值按下式确定

式中:ld为植筋锚固深度设计值;ls为植筋的基本锚固深度，按文献［9］第12.2.3条确定;ψN为考虑各种因素对植筋受拉承载力影响而需加大锚固深度的修正系数，按文献［9］第12.2.5条确定;ψae为考虑植筋位移延性要求的修正系数，当混凝土强度等级低于C30时，对6度区及7度区一、二类场地，取ψae=1.1;对7度区三、四类场地及8度区，取ψae=1.25;当混凝土强度高于C30时，取ψae=1.0。

图6 顶板植筋平面布置示意(图中d为植筋间距)

对于直径16 mm HRB400钢筋:查表取ψbr为1.0，ψw为1.1，ψT为1.0，因此 ψN=ψbrψwψT=1.0 ×1.1 ×1.0=1.1。

查表取 aspt=1.0，fbd=3.6 N/mm2，已知 d=16 mm，fy=300 N/mm2，因此 ls=0.2 asptd fy/fbd=0.2×1.0×16×300÷3.6=267 mm;

代入上述数据到ld=ψNψaels中，得ld=1.1×1.0×267=294 mm。

综合考虑植入钢筋的强度和结构胶的粘结强度、混凝土的强度、钢筋的直径和间距及施工环境等各种影响因素后，锚固到混凝土中的深度ld取360 mm。

对于直径12 mm HRB400钢筋，同理计算，锚固到混凝土中的深度ld取270 mm。

2.1.5 单根植筋锚固的承载力确定

钢筋被充分利用时的设计拉力，即单根植筋锚固的承载力采用下式计算

对于直径16 mm HRB400钢筋:fy=300 N/mm2;As=200.96 mm2，=300×200.96=60 288 N=60.3 kN。

对于直径12 mm HRB400钢筋:fy=300 N/mm2;As=113.04 mm2，=300×113.04=33 912 N=33.9 kN。顶板植筋长度大样图见图7。

2.2 混凝土加固设计方案

图7 顶板植筋长度大样图(单位:mm)

高强度无收缩灌浆料厂制成品的优点是早强、高强，1～3 d抗压强度30～50 MPa以上。具有抗离析性能，该材料克服了现场使用中因加水量偏多所导致的离析现象。绿色环保，不含有苯系物、卤代烃、甲醛、重金属等成分，无毒、无味、无污染、不燃不爆，可按一般货物运输。具有微膨胀性，可保证设备与基础之间紧密接触，二次灌浆后无收缩。自流性高，可填充全部空隙，满足设备二次灌浆的要求。可以冬季施工，允许在－10℃气温下进行室外施工。耐久性强，经上百万次疲劳试验、50次冻融循环试验强度无明显变化。在机油中浸泡30 d后强度明显提高。抗开裂能力强，现场使用中因加水量不确定、环境温度不确定以及养护条件限制等因素易产生裂纹现象。经过多方案技术比选论证，最终确定本桥加固设计方案为:采用MSN-6高强度无收缩灌浆料修复技术，灌浆料密度为 2.4 t/m3［10-11］。

2.3 结构表面碳化加固设计方案

混凝土碳化是混凝土受到的一种化学破坏，碳化会使混凝土的碱度降低，使混凝土失去对钢筋的保护作用及粘结作用，钢筋开始生锈。经多种材料比选论证，采用碳纤维补强技术，在新灌注的高强无收缩灌浆料顶板底面粘贴碳纤维布加固，并涂刷防火涂料。

对于第5，6，7孔烧损严重段，粘贴2层碳纤维布补强。对于第1～4节、第8～9节及A节，粘贴1层碳纤维布补强。碳纤维施工前，必须先对过火混凝土表面打磨后修复处理，然后再粘贴碳纤维布，并在其表面涂刷防火涂料。

3 加固工艺流程

对于第5，6，7孔烧损严重段，施工工艺为:搭设施工脚手架支承平台→搭设八三式轻型桥墩作为地道桥顶板的支承墩→清理火灾失效钢筋→凿除火灾后强度不足的混凝土→植筋前钻孔、清孔→涂刷植筋剂→植筋→绑扎顶板底分布钢筋→涂刷界面剂→喷射高强无收缩灌浆料→混凝土养生→粘贴碳纤维布补强→涂刷3层防火涂料。对于第1～4节、第8～9节及A节，施工工艺为:搭设施工脚手架支承平台→打磨碳化的混凝土表面→作业空间升温→粘贴碳纤维布补强→涂刷3层防火涂料。

4 冬季施工防寒方法

根据混凝土养生及安装碳纤维布的温度要求，地道桥内温度须在+20℃以上。经热工检算，采用8台锅炉，两侧各设置4台，同时在地道边墙立面两侧设8根热水管及回水管。锅炉设在地道口外侧，每个地道口设1台3 t锅炉和3台2 t锅炉。2个地道口分别用3层材料封闭，即1层五彩布，1层棉苫布及1层单苫布，以减少地道内热量流失。8台锅炉均采用彩钢板房做锅炉房。安排24人烧锅炉，每班8人，三班倒，24 h不间断供热，以保证地道内施工温度满足灌注混凝土养生及粘贴碳纤维布要求。

地道桥顶面保温措施:砂浆搅拌机设置在地道桥烧损顶面处，作业环境温度要求在+20℃以上。为了保证施工温度，利用钢管搭设防寒暖棚，暖棚长30 m，宽20 m，高5 m，表面用2层棉苫布覆盖，棚内布置24个焦炭炉加热，灌浆机械及材料均储备在暖棚内。

5 施工注意事项

加固施工前必须对照原设计图纸，仔细测量核对加固部分的地道桥各部位标高、尺寸等。对于顶板烧损处强度不足的混凝土，须凿除至设计深度，并清除表面残留浮渣，保证表面干净。地道桥顶板修复时，注意对原混凝土内的主筋、辅助钢筋、架立钢筋加强保护。在凿除顶板火灾受损混凝土时，须对顶板支护，以确保桥梁结构的整体稳定，避免混凝土出现裂缝。顶板支护须达到设计强度的95%以上方可撤除。灌浆料施工时，须保证新旧接茬面的混凝土衔接牢固，不得松动。顶板植筋后，钢筋弯钩端部不得露出顶板灌浆料底面。界面剂涂刷前，须保证把粘附于混凝土表面的灰尘彻底清除干净。由于加固施工处于严寒季节，须严格按照设计要求采取冬季防寒与养护措施。

对受损严重区加固期间，地道桥上部的铁路线必须停运。施工期间应加强对线路、路基等状况的监护，确保铁路运营的安全。

地道桥顶板底加固施工前，必须提前探测钢筋的位置。仔细检查分布钢筋是否脱落，若脱落必须补充钢筋。植筋钻孔时要避开钢筋，如遇到顶板既有钢筋，不得截断，植筋间距可适当调整，但总数量不得减少。植筋长度根据顶板不同位置处凿除混凝土的深度来确定，但按照设计图锚固到混凝土中的深度不得减少。钻孔直径的大小直接影响注胶和连接的施工质量，通常钢筋直径d≤12 mm时，钻孔直径D=d+4 mm;12 mm＜d≤20 mm 时，D=d+6 mm;d＞20 mm 时，D=d+8 mm。

地道桥顶板修复后，必须保证净空满足原设计的各部净空和尺寸要求，并要进行复测。

混凝土结构的加固设计使用年限，加固部分按照30年考虑。本修复工程完成后，定期检测等事宜详见《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2006)有关规定。

6 结语

哈尔滨市长江路是城市东部路网骨架，也是连接哈尔滨市中心城区与阿城区的重要市政交通干线。在加固设计与施工过程中，克服了冬季难度大，控制因素多，质量要求高，外界温度低，道路通车工期要求特别急等诸多不利状况。在边设计、边检测、边施工的情况下，逐一克服了各种困难。特别是新材料、新技术、新工艺的应用，保证了桥梁结构整体安全。经专家组全面检测、试验、验收，确认各项设计指标达到了设计要求。该桥于2012年1月20日竣工通车，经多年运营观测，没有出现任何问题。证明加固技术是成功的，确保了哈尔滨市长江路的畅通无阻，取得了良好的社会声誉。鉴于桥梁火灾后的加固设计与施工具有特殊性，因此，研究高寒地区火灾后桥梁加固的设计思路、施工工艺等技术问题具有重要的现实意义。

［1］长江路延伸工程——长江路穿越炼油厂专用线火灾后检测报告［R］.哈尔滨:哈尔滨工业大学交通实验中心，2011.

［2］长江路延伸工程——长江路穿越炼油厂专用线火灾后第二次取芯检测报告［R］.哈尔滨:哈尔滨工业大学交通实验中心，2011.

［3］长江路延伸工程穿越炼油厂专用线火灾后涉及位置范围及深度检测报告［R］.哈尔滨:哈尔滨工业大学交通实验中心，2011.

［4］哈尔滨市长江路三标地道桥火灾后承载力试验评估报告［R］.吉林:吉林铁路线桥检测设计所，2011.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［6］中华人民共和国铁道部.TB 10002.4—2005 铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［7］周庆华，吴建平.碳纤维加固钢筋混凝土板的试验研究［J］.铁道建筑，2010(8):137-141.

［8］中华人民共和国铁道部.TB 10005—2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［9］中华人民共和国建设部.GB 50367—2006 混凝土结构加固设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［10］中华人民共和国建设部.JGJ 145—2004 混凝土结构后锚固技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［11］中华人民共和国建设部.GB 50010—2002 混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.