火灾后桥梁承载力计算分析及处理

钟健聪

（广东交通职业技术学院，广东广州510650）



火灾后桥梁承载力计算分析及处理

钟健聪

（广东交通职业技术学院，广东广州510650）

摘要：火灾将对桥梁结构产生很大影响，高温会使普通钢筋和预应力钢筋强度降低以及混凝土质量的衰退，影响结构的承载能力和使用性能。借鉴以往研究成果，根据混凝土桥梁自身特点，以某空心板桥火灾后承载力计算为例，提出适用于混凝土桥梁的火灾后承载能力计算方法并根据计算结果确定加固方案。该方法亦可为其他类型桥梁的火灾后承载力计算及加固方案的确定提供参考。

关键词：火灾；空心板；损伤评估；承载力；加固方案

0 前言

伴随着城市交通的快速发展，很多城市高架桥，由于桥梁下方净空有限，桥下堆积易燃物容易导致桥下火灾；由于交通事故导致桥面火灾的事故也时有发生。这些火灾给桥梁结构造成严重的损伤，甚至引起灾后桥梁的倒塌，造成人民群众生命财产的巨大损失。火灾后桥梁的承载力计算及加固也日渐成为桥梁技术人员需要面对的新问题。对此，国内外很多学者对火灾后桥梁承载力等特性进行了研究，刘其伟［1］研究了预应力空心板梁火灾仿真分析与评估；张岗［2］研究了过火混凝土桥梁评价方法及耐久性损伤评估模型；邵永军［3］研究了混凝土桥梁火灾损伤检测评估方法；方大庆［4］研究了高速公路桥梁下火灾后加固处理技术。另外火灾后建筑结构鉴定标准［5］对火灾后建筑物的鉴定有了明确的规范指引。然而，目前对于桥梁火灾后承载力如何计算、灾后桥梁如何加固的研究不多，尚未形成一套完整有效的计算方法，更未有相关规范。本文在上述研究基础上，结合混凝土桥梁自身特点及火灾后现场检测结果，给出适用于混凝土桥梁的火灾损伤后承载力计算方法，并据此确定了灾后加固方案，取得了较好效果。该方法可为同类桥梁火灾损伤后承载力计算及加固方案的确定提供参考。

1 火灾损伤桥梁概况

火灾受损桥梁为广州某快速路高架桥，设计荷载为汽-超20，挂-120，上部结构采用20 m先张法预应力混凝土空心板，板宽1.49 m、高为0.8 m，桥梁横断面如图1所示。梁底出现火灾，第2跨9、10#预制空心板梁底受火熏烤出现保护层大面积混凝土脱落、露石，钢筋及预应力筋外露，底板位于两侧腹板位置出现纵向裂缝，裂缝最宽0.4 mm，如图2所示。发生病害的主要原因是火灾后，桥梁混凝土温度升高，粗骨料和水泥砂浆的温度变形差扩大，截面裂缝不断发展和延伸；水泥水化产生的氢氧化钙等脱水，体积膨胀，促使裂缝发展。这些因素又导致混凝土强度下降，从而使得混凝土脱落。

图1　桥梁横断面（单位：cm）

图2　火灾后桥梁照片

2 火烧对桥梁结构的影响

要准确评估火灾后桥梁结构损伤程度，计算其残余承载能力，需准确判断火灾高温下桥梁结构相关参数的变化。由材料力学［6］可知，高温下钢筋和混凝土的力学性能总体上呈现随温度升高逐渐劣化的趋势，主要表现为随温度升高，钢筋和混凝土的强度和弹性模量逐渐降低（其中弹性模量的降低速率通常比强度更大），混凝土的峰值应变逐渐增大。混凝土的单轴应力一应变曲线越来越扁平，钢筋和混凝土的黏结强度下降，极限滑移量增加，混凝土的徐变明显加快。随温度升高，高温后钢筋的强度虽然仍呈现逐渐下降的趋势，但与高温时相比已有较大程度的恢复。与钢筋不同，高温后混凝土的力学性能在短时间内通常比高温下更差，强度和弹性模量进一步下降。高温后钢筋与混凝土的粘结强度不再回升，且随受热温度升高，高温后粘结强度的降低幅度比高温时更为明显。本文利用以上研究成果结合《火灾后建筑结构鉴定标准》以及现场检测报告确定火灾后桥梁结构材料性能，见表1。

3 空心板火烧后可靠度计算

基于以上分析，可归纳为以下3种工况计算桥梁火灾后的可靠度。

工况1：混凝土、钢筋、钢绞线性能不变，底板厚度减少3 cm。

工况2：混凝土、钢筋、钢绞线性能参数取火烧后数值，底板厚度减少3 cm。

工况3：混凝土、钢筋、钢绞线性能参数取火烧后数值，钢筋、钢绞线考虑外露锈蚀后20%失效，底板厚度减少3 cm。

利用桥梁计算软件建立结构计算模型，计算各种工况下桥梁的受力情况。限于篇幅，表2只给出各工况在最不利荷载组合时桥梁跨中下缘受力情况。将计算所得拉应力与《公路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》［7］B类构件裂缝宽度对应的名义拉应力进行比较，确定此时的裂缝宽度，并与实际检测的火灾后桥梁裂缝宽度进行比较，与实际情况最接近的工况即为桥梁火灾后的真实情况。根据桥规第5.2.34条规定，在计算混凝土容许名义拉应力时，构件高度修正系数取0.8；则40#后张构件混凝土容许名义拉应力值、考虑构件高度修正系数后混凝土名义拉应力值见表3。

表1　火灾后桥梁结构参数

表2　各工况桥梁受力计算结果

表3　40#混凝土容许名义拉应力

根据检测结果可知跨中梁底下缘最大裂缝宽度为0.4 mm，对应的名义拉应力大于5.2 MPa，与工况3计算的跨中下缘5.97 MPa拉应力较为吻合。故可判断，由于火灾后混凝土脱落，钢筋、钢绞线已部分锈蚀失效。此时，跨中下缘最大内力为2 059 kN·m，抗力为1 625 kN·m，承载力欠缺近21%。

4 空心板维修加固方案

根据检测报告及结构火烧后可靠度计算分析可知，空心板的应力已超出A类构件标准，其承载力也欠缺较多，结构的安全性及耐久性受到较大影响，应及时进行维修加固。维修加固的指导思想应是以维修、修补提高结构的耐久性为主，根据需要进行加固补强，提高结构的极限承载能力，必要时拆除更换。根据以上原则结合以往工程经验，空心板加固可考虑采用主动的预应力加固，被动的粘贴钢板加固以及最为彻底的更换梁片几种方案。

4.1 方案一：主动预应力高强钢丝绳加固

主动的预应力加固可较大地提高承载能力。常规的预应力钢绞线加固需大型张拉设备，张拉力较大，由于本桥火灾后混凝土强度降低，对主梁受力较为不利。对主动预应力加固可考虑选用当今较为先进的高强预应力钢丝绳加固。在空心板底部凿除剥落松散的混凝土后粘贴预应力锚具，安装、张拉预应力高强钢丝绳，可以提高空心板的刚度、承载力，使加固材料强度得到充分发挥，承载能力明显提高，而且具有较好的延性。预应力钢丝绳张拉、锚固后在梁底及腹板两侧布置原梁钢筋骨架的高度范围内，喷注高性能抗拉复合砂浆（HTCM），构成有粘结预应力加固体系。

4.2 方案二：被动的粘贴钢板加固

鉴于空心板梁底混凝土脱落、开裂，承载力不足，可考虑被动的粘贴钢板加固，在空心板梁底部粘贴钢板，提高其抗弯承载能力。该方案对结构自重增加不大，施工工艺成熟。

4.3 方案三：更换空心板

由于空心板混凝土脱落，裂缝宽度远超规范，可考虑更换空心板，新换空心板采用标准化、工厂化的预制结构形式，节省工期，减少对交通的影响，降低养护成本。

4.4 维修加固方案比选

考虑到以下几方面的原因，本次加固最终采用更换空心板方案。

4.4.1 钢绞线、钢筋锈蚀无法逆转

A类预应力混凝土结构不允许出现裂缝，但受火灾影响，底板处混凝土出现大面积混凝土脱落露筋，并出现纵向通长裂缝，最大裂缝宽度达到0.4 mm。钢绞线、钢筋的裸露锈蚀必然使得钢绞线、钢筋失效，裂缝的存在加剧了这种效应，而钢绞线的锈蚀程度难以检测及评估。即使维修加固后也难以使钢绞线、钢筋恢复原来的受力状态。

4.4.2 混凝土及钢筋的材料劣化影响无法消除

预应力混凝土结构受到火灾作用后，混凝土和钢绞线、钢筋的物理及力学性能发生不利变化，出现材料强度及弹性模量降低，截面应力重分布，混凝土碳化加深、加速等诸多问题，这些问题即使加固后也是无法修复的。

4.4.3 维修加固方案本身的缺陷

对主动的预应力高强钢丝绳加固，需在底板喷射高强混凝土，由于新增一层混凝土，在新旧混凝土结合处容易出现脱层；另外喷射混凝土增加结构重量，使得跨中受力增大，不利于结构受力。另外该方案造价较高，与换梁相比没有明显的优势，且施工工艺复杂，对已经锈蚀的钢绞线难以处理。对粘贴钢板方案，由于梁底板较薄，钢板锚固螺栓植入深度难以保证，且底板钢绞线、钢筋较多，植入螺栓容易对其造成损伤；加固效果受材料性能及施工工艺影响较大，后期需定期养护或再加固，养护成本较高。而换梁方案一劳永逸，能彻底解决火烧桥梁相关参数的降低，并且由于受火烧影响的桥梁范围有限，造价不高，对交通影响较少。

由以上分析可知，采用维修加固措施，难以使结构恢复到原来的受力状态，难以保证桥梁结构的耐久性，为确保安全，对该桥受火灾的9#、10#预制梁拆除重建。

5 结语

目前混凝土桥梁火灾后的残余承载能力计算尚无规范可依，本文利用以往研究成果，结合实际工程案例，判断桥梁火灾时的温度，得出灾后混凝土、钢绞线、钢筋等主要参数的变化情况；并根据检测结果，推断钢绞线、钢筋的的锈蚀情况，使得计算结果与实际最接近；然后利用调整后的参数计算桥梁的残余承载能力，据此得出相应的加固方案并进行方案比选。必须说明的是，火灾后桥梁相关参数的取值是非常复杂的，需要工程师具有丰富的经验并结合检测结果，同时需对相关参数进行调整试算才能得出与实际最相符的灾后参数。本文给出桥梁火灾后承载能力的计算方法及相应的加固方案，希望能为广大桥梁养护工作者提供参考。

参考文献：

［1］刘其伟，王成明，罗文林.预应力空心板梁火灾仿真分析与评估［J］.公路，2014，（1）：35～43.

［2］张 岗，王 亚，王翠娟.过火混凝土桥梁评价方法及耐久性损伤评估模型［J］.公路交通科技，2010，（9）：92～96.

［3］邵永军，张 宏.混凝土桥梁火灾损伤检测评估方法与应用［J］.公路交通科技，2011，（2）：91～96.

［4］方大庆，宋志远.高速公路桥梁下火灾后加固处理技术与实例［J］.城市道路与防洪，2011，（9）：162～165.

［5］火灾后建筑结构鉴定标准（CECS 252:2009）［S］.北京：中国计划出版社，2009.

［6］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［7］公路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范（JTJ 023-85）［S］.北京：人民交通出版社，1989.

研究方向：道路与桥梁工程

中图分类号：U445.7

文献标识码：A

文章编号：1671-8496-（2016）-02-0037-04

收稿日期：2016-02-29

作者简介：钟健聪（1978-），男，高级工程师，硕士

Calculation and Analysis of Bearing Capacity of Post-Fire Bridge

ZHONG Jian-cong
（Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510650，China）

Abstract:Fire generates a great influence on bridge structure as high temperature reduces the regular steel and prestressed steel strength and decline the quality of concrete，influenceing the capacity and the performance of structure. Drawing from previous research results and the characteristics of concrete bridge，this paper proposes a method for calculating the bearing capacity and the reinforcement scheme by the case of a post-fire hollow slab bridge.This method can also be applied to teh bearing capacity calculation of other type bridges，which provides reference for reinforcement scheme selection.

Key words:fire hazard；hollowcore slab；damage assessment；bearing capacity；reinforcement schemes