生米大桥火灾后结构分析与维修加固

杨 灿，俞文彬

（江西省交通科学研究院，江西 南昌330038）

1 火灾概况

生米大桥西岸引桥为30m跨预应力混凝土连续箱梁，梁高1.8m，6跨一联，单幅主梁采用单箱单室截面，均采用纵、横向预应力体系，下部构件桥墩采用V形墩，箱梁混凝土采用C50混凝土，预应力钢绞线采用ASTMA416-97.270 级高强度低松弛钢绞线，标准强度为1 860MPa。纵横向预应力筋均采用金属波纹管成孔。

2014年3月18日13时30分，生米桥下报废公交车辆集中停放场发生火灾，50号墩下8辆车猛烈燃烧（51 跨侧6 辆，50 跨侧2 辆）。灭火先是喷水，后在14 时40 分左右对50 跨火点采用泡沫灭火，全场火灾扑灭时间大约在15时40分，而51跨火点几乎是烧完自灭的。

2 火灾评估

在对遭受火灾后桥跨损伤状况进行检测和分析后，得出以下结论：

（1）火灾事故致使左右幅第50～51 跨主梁底面混凝土及翼板混凝土剥落现象严重，截面损失较大，右幅第50 跨7 根底板预应力束波纹管存在外露现象，预应力损失较大，将严重影响其结构使用性能以及结构承载力；

（2）左幅第50 号墩烧损严重，混凝土大面积爆裂脱落，钢筋外露，对其耐久性及承载能力都有明显削弱；

（3）从火灾关联段桥梁检测结果来看，经过8年多的运营使用，各盆式支座钢构件均存在不同程度的锈蚀现象，第49～51 号墩墩顶支座经高温烘烤将使老化加剧，因此结合运营使用时间及火灾受损情况应对第49～51 号墩墩顶盆式橡胶支座尽快予以更换。

结合现场检测、材料试验和结构分析验算结果，按《火灾后建筑结构鉴定标准》（CECS252—2009）6.1.3 条对生米大桥西岸引桥左右幅第50、51 跨结构鉴定评级为d 级[1]，严重影响安全，必须立即进行维修加固。

3 维修加固设计

3.1 维修加固指导思想

本桥原设计荷载标准为：城—A 级，人群3.5kN/m2，校核荷载：汽—超20 级，挂—120，本次维修加固设计拟以恢复到原设计荷载等级及使用功能为原则。在充分掌握结构的外部条件和现状（各结构构造状况、受力状况及已发现各类病害）的基础上，正确分析病害产生的根本原因，充分比选国内外现有的、经实际验证处理效果好、经济合理、施工方便的加固改造方法[2]，综合考虑社会效益和经济效益。维修设计考虑兼顾强度和耐久性两方面，在解决主要病害的同时兼顾次要病害，尽可能对火灾损伤产生的缺陷进行修复，同时切实考虑施工的可行性以保证未来的施工质量。维修加固方案选择时遵循以下原则：

（1）设计科学合理，经济环保，满足技术与使用安全的要求；

（2）修复加固设计时要尽量保证加固措施能与原结构共同工作；

（3）尽量不增加结构自重，不对主要承重构件造成损伤；

（4）加固后桥梁能满足设计荷载标准的使用要求，并有一定的安全储备；

（5）施工简便、快捷，加固施工过程对交通影响减至最小；

（6）加固后桥梁耐久性强、养护方便。

3.2 维修加固方案

3.2.1 预应力混凝土箱梁维修加固方案

检测结果表明，火烧段剥落后外中部的混凝土、钢筋目前性能基本能达到原设计要求，即使考虑部分预应力损失，各控制截面尚能满足极限承载能力要求，正常使用状态亦能满足部分预应力A类构件的要求，故梁体维修以到原截面尺寸为原则，具体如下[3]：

（1）对预应力混凝土箱梁过火段表面松散混凝土采用高压射水进行清除，同时对钢筋进行除锈；

（2）对原钢筋网增设植筋固定；

（3）喷涂（或压抹）聚合物砂浆以恢复截面，推荐采用聚合物砂浆以缩短养生周期，减少因行车振动对修复材料性能的影响；

（4）采用纵桥向粘贴钢板对梁体修复后在底板两侧2m 范围内加固，使截面极限承载能力恢复到原设计状态。

3.2.2 翼板修复方案

根据计算分析翼板损伤虽造成极限承载能力损失较大（指翼板悬臂端原仅15cm 厚，下缘受压区剥落6cm后其受压区高度大幅减小，从而导致其承载能力降低），但其考虑截面削弱和预应力损失后仍能满足设计荷载的承载要求，因此对翼板下缘以混凝土剥落处恢复其原截面为原则，采用高压射水对混凝土表面进行清洗后，对翼板底缘钢筋网增设植筋固定，喷涂或压抹聚合物砂浆修复到原截面，对钢筋外露的翼板下缘增设D6 焊接钢筋网适当补强。

3.2.3 桥墩维修加固方案

（1）清除左幅第50 号墩柱破损层的混凝土后，挂设D8 焊接钢筋网，立模浇筑无收缩自流密水泥基高强筑注料加固。

（2）清除右幅第49 号、50 号墩烧损部位的混凝土后，采用聚合物砂浆或聚合物混凝土修补。

3.2.4 支座修复方案

盆式橡胶支座受火时，支座主要组件中的聚四氟乙烯滑板和橡胶块受温度升高的影响最大，聚四氟乙烯板熔融温度为327～342℃，而橡胶热分解温度为200～500℃。随着温度升高聚四氟乙烯板将熔融，而橡胶则逐渐降解，同时橡胶与钢板之间的黏结渐渐失效，最后空气从钢板与橡胶之间的间隙渗入并引起剧烈燃烧，导致支座力学性能不断劣化并最终失去承载能力和使用功能。检测过程中对第49～52 号各墩顶支座进行了检测，各墩顶支座钢构件均有锈蚀现象出现，其中第50 号墩顶支座受火灾高温影响局部锈蚀层剥落，支座防锈漆已烧完，说明火灾时该支座处温度超过600℃，第49～51 号墩顶支座经高温烘烤，将加剧老化，因此对受火灾影响的第49～51 号墩盆式橡胶支座应尽快予以更换。另外，对支座垫石局部烧损部位采用聚合物砂浆修复。

在对第49～51 号墩墩顶支座进行更换时，由于支座原规格按《公路桥梁盆式橡胶支座》（JT 391—1999）进行设计[4]，第50 号墩顶GPZ9 系列GD支座高16cm，第49、51号墩顶GPZ9系列DX/SX支座高18cm，而新版通用图GPZ（09T）中GPZ9系列GD支座高度为16.5cm，GPZ9系列DX/SX支座高为21cm，因此需按原尺寸定制，而且还应注意新换支座上钢盆锚固孔与原锚固孔位置对应。

顶升按第49～51 号墩同步顶升进行考虑，顶升时各墩处顶升重量见表1。

表1 单幅桥梁顶升数据表

顶升平台在原桥墩承台基础上横桥向两侧各加宽2.2m，加高0.5m，新增承台通过植筋与原承台连接为整体，每墩位处设8 根Φ60 cm、壁厚为1.5cm 的钢管支柱，钢管间设置剪刀支撑，8 根支柱支撑在扩大后的承台上。

3.2.5 泄水管修复方案

（1）设计思路：生米大桥采用PVC 泄水管，火灾时，过火跨段基本烧毁，需进行更换。但桥面检测发现，桥面泄水孔均被混凝土堵塞（其堵塞原因不明）。

（2）修复方案：对过火跨段已烧毁的PVC 泄水管进行重设。

3.2.6 中央分隔带盖板修复方案

（1）设计思路：从顶升过程中移除的中央分隔带处管道底缘5cm厚钢筋混凝土盖板局部混凝土破损，拟对破损盖板进行更换。

（2）修复方案：对破损严重的盖板进行更换。

3.2.7 其他维修加固方案

（1）设计思路

桥梁结构长期暴露在恶劣的自然环境中，火灾后，热损伤造成的混凝土中性化，有些地方混凝土保护层损伤严重，特别是有些部位虽然未发生混凝土脱离、露筋现象，但是，过火已经导致混凝土内部微裂缝发展，致使混凝土孔隙率增大，影响结构的耐久性和正常使用年限，因此对火温影响范围内结构表面拟考虑进行耐久性修复，对过火跨段整体设置防腐涂装可增加结构整体防腐性能，并可使用局部修复及未修复处保持统一的外观。对于桥梁上、下部结构存在的蜂窝、麻面、混凝土剥落、掉块、缺损、凹陷等缺陷，首先将缺陷部位表层的松散混凝土全部凿除，火灾后烧损的混凝土疏松，凿除不彻底会影响修补材料与原结构的粘结性能，影响维修效果，因此，彻底凿除烧疏混凝土是修补的先决条件，人工清除完烧疏层混凝土后采用高压射水对混凝土表面进行清洗。

（2）修复方案

对火温影响范围内混凝土表面采用高压射水清洗后，在结构表面涂刷阻锈剂以增强钢筋的防锈能力。修复完成后对过火跨段梁体、墩柱进行整体防腐涂装，面漆的颜色采用与混凝土相近的颜色。

4 结构计算分析

由于火灾造成构件混凝土强度降低，钢筋抗拉强度损失，部分构件混凝土表层损伤造成截面损失，因此造成部分构件甚至整体结构的承载能力降低。为了分析火灾对整个上部结构的影响程度，根据本次火灾中构件的实际损伤状况、构件剩余混凝土强度、构件钢筋配置及钢筋性能检测结果，按照桥梁设计时采用的规范体系，采用桥梁博士V3.03对过火段桥跨上部结构承载力按照受火灾前、火灾后和维修加固后三种状态分别进行复核验算，以判定结构承载力受损后的下降程度，为后续处理提供可靠的依据。

4.1 检算原则及特点

（1）生米大桥为城市主干道，设计行车速度为60km/h，左幅为双向四车道，单幅行车道宽度为15m。

（2）翼板截面尺寸按跨中区段尺寸，汽车荷载布置按布置在悬臂端考虑，轮重的分布宽度按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）计算[5]。

（3）翼板结构分析建模取1m 桥长按平面框架进行，火灾后翼板截面高度按下缘削弱6cm考虑。

（4）经翼板横向预应力受损情况分析，对高温下预应力损失计算按以下两种模式进行：按悬臂端部1m 范围内预应力失效进行计算；按翼板悬臂部分有效预应力损失6%进行计算。

（5）鉴于翼板破损严重处底层钢筋网与混凝土间分离，计算时不考虑下缘钢筋参与作用。

（6）箱梁截面尺寸按减去损伤厚度后考虑，翼板有效宽度按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004） 相关规定计算。

（7）从截取的翼板钢筋抗拉试验结果来看虽然钢筋的伸长率等力学性能仍满足有关规范要求，但是钢筋屈服强度相比钢筋设计值有所降低，与设计要求相比钢筋屈服强度损失最大达5%，因此验算时钢筋屈服强度按5%的损失考虑。

（8）计算按承载能力极限状态及正常使用极限状态进行组合与检算。

4.2 检算结论

（1）当对左幅第50 跨和第51 跨右侧9 束底板纵向束其有效预应力损失按5%计，对腹板底层钢束其有效预应力损失按5%计，对箱梁底层普通钢筋屈服强度按5%的损失计，则左幅第50跨、第51跨箱梁正弯区段极限承载能力损失约3%。正常使用极限状态下跨中截面均满足部分预应力A类构件的要求。

（2）当对右幅第50跨预应力束波纹管外露段7根钢束按其有效预应力按完全损失计，其条件屈服强度折减系数取0.65；对右幅第51跨左侧9束底板纵向束其有效预应力损失按5%计，对腹板底层钢束其有效预应力损失按5%计；对箱梁底层普通钢筋屈服强度按5%的损失计，则右幅第50跨箱梁正弯区段其极限承载能力损失约8%，右幅第51跨正弯区段受火灾影响范围与左幅第51跨相近，其正弯区段极限承载能力损失约3%，正常使用极限状态下跨中截面均满足部分预应力A类构件的要求。

（3）对左右幅第50～51 跨梁底粘贴钢板加固后，正弯区段截面极限承载能力能够恢复至原设计水平。

（4）当对火灾后翼板截面高度按下缘削弱6cm考虑且不考虑翼板破损严重处与混凝土间分离的底层钢筋网参与作用时，底面大面积钢筋外露处的翼板其极限承载能力损失约17%（根部）～70%（悬臂端部），但其考虑截面削弱和预应力损失后仍能满足设计荷载的承载要求。采用聚合物砂浆修复翼板受损处截面极限承载能力能较大程度地恢复。

5 维修加固后荷载试验

为检验维修加固的实际效果，于施工结束后进行了静动载试验。静动载试验数据表明，各测试控制断面的挠度实测值及应力实测值小于理论计算值，其挠度及应力校验系数均小于1.0，表明结构整体刚度满足试验要求，承载能力达到设计正常使用极限状态要求。

6 结论

对该火灾后的桥梁进行检测与损伤评估后，制订了科学合理的维修加固方案。静动载试验和正常运营表明，维修加固后的桥梁完全满足设计要求，说明维修加固方案可行，维修加固效果良好，达到了预期目的。

[1] CECS 252:2009，火灾后建筑结构鉴定标准[S].

[2] GJ/T 259—2012，混凝土结构耐久性修复与防护技术规程[S].

[3] CECS 269：2010，灾损建筑物处理技术规范[S].

[4] JT 391—1999，公路桥梁盆式橡胶支座[S].

[5] JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].