某高速公路通道中桥火灾后检测评估及加固设计
2016-09-06寇新阳四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院
寇新阳(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院)
某高速公路通道中桥火灾后检测评估及加固设计
寇新阳
(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院)
近年来随着公路建设快速发展,桥梁数量迅速增加,由火灾导致桥梁受损的事件也常有发生。文章以某高速公路通道中桥为例,介绍了火灾发生后桥梁结构检测评估及加固处治设计,为今后同类型桥梁火灾病害处治提供了借鉴。
桥梁;火灾;检测评估;加固设计
1 概述
该通道中桥位于四川省某高速公路上,跨越水沟及人行道。该桥全长26.04m,全宽24.5m,整幅桩柱式桥台;桥梁上部结构分左右两幅,每幅8片空心板,均为1-20m预应力混凝土简支空心板,梁高90cm,中板宽145cm,边板宽169cm。桥梁支座均为圆板橡胶支座。2014年某个深夜,该通道中桥两侧竹林不明原因发生燃烧,引燃桥下堆积的柴草,造成桥梁结构受损,因此对该桥进行了检测评估及加固处治设计。
2 检测情况
2.1病害描述
⑴该桥桥下大面积过火,梁板大部分被火灼烧,现场检测发现所有梁板板底均出现网状裂缝,大部分板底有沿箍筋方向的横向贯通裂缝,裂缝宽度多在0.2~0.5mm之间。部分梁板在火灾前存在纵向渗水泛碱现象,检测中发现这些部位均存在纵向裂缝,且渗水现象加剧;部分以前无病害的梁板也出现了渗水现象。
⑵部分梁板板底的混凝土有剥落现象,钢筋外露,剥落厚度多在3~5cm之间;左幅桥4#梁板混凝土剥落现象最为严重,剥落最深处达到8cm,且主筋和箍筋均外露,部分箍筋弯曲。梁板底部混凝土有明显松动现象,锤击时混凝土表层脱落。
⑶全桥铰缝大部分脱落,局部未脱落处填料疏松,轻微敲击可造成脱落。
⑷全桥支座均被火灼烧,大部分支座存在开裂、鼓包、变形、表面焦裂等病害。
⑸两岸桥台混凝土表面均存在网状裂缝,部分区域混凝土剥落,钢筋外露。桥台锥坡砂浆开裂严重、破损明显。
图1
2.2火场温度推定及对桥梁的影响
《公安消防大队对于某高速通道中桥火灾情况的说明》中推测的火场温度为300~600℃。国内外有关资料表明,混凝土表面颜色和外观与受火温度的关系大致如表1所示:
表1 混凝土表面颜色与受火温度的关系
从现场检测情况看,该桥梁板底部混凝土表面普遍存在网状裂缝,部分梁板出现贯通性横向和纵向裂缝,混凝土剥落最严重部分混凝土表面为灰白色偏黄。结合表1,初步判断火场温度高于500℃,混凝土构件局部受火温度可能达到800~900℃。
该桥火灾发生期间因用水扑灭火灾,灼热的混凝土表面遇水急速冷却,造成混凝土构件内外应力差,加重了混凝土表面的开裂和剥落情况。火灾对该桥混凝土构件受力和耐久性的影响主要体现在以下方面:
⑴由于混凝土爆裂及剥落,混凝土结构有效净面积将减小,使结构承载能力降低。
⑵混凝土强度遇火灾高温后降低。
⑶混凝土的弹性模量对温度相当敏感,当温度达到200~700℃时,混凝土的弹性模量线性降低。该桥过火时间较长,过火温度在500℃以上,混凝土弹性模量有所降低。
⑷该桥混凝土在高温作用下,水化物脱水分解,其内部微空隙增加,结构疏松,混凝土与钢筋在高温下热变形不协调.形成大量界面裂缝,导致混凝土与钢筋之间粘结力降低。
⑸根据现场碳化深度检测结果,该桥梁底混凝土的游离氧氧化钙在高温下产生热分解,混凝土呈中性。使其保护钢筋的作用大为降低,从而影响混凝土构件的耐久性。
在影响混凝土性能的同时,火灾对钢筋性能也有很大的影响。普通钢筋属于低碳钢,当受火温度大于200℃时钢筋极限强度、屈服强度、弹性模量、延伸率等指标均开始下降,材料脆性增加。
针对该桥的实际情况,由于火灾温度较高,且混凝土表面普遍开裂剥落,因此混凝土内部钢筋的力学性能不可避免有所下降,且与混凝土之间粘结力降低,从而影响桥梁整体承载能力。
2.3检测结论
目前国外有关火灾后混凝土结构的安全评估,主要以英国混凝土学会所提出的评估程序与方法为主,可以作为一种初步判别火灾损伤的方法。
本桥梁底和桥台混凝土表面呈大面积网状裂缝,裂缝宽度多在0.2~0.5mm之间,混凝土剥落深度大部分在30mm左右,且混凝土强度明显降低,根据火灾结构构件受损综合评定指标表中分类,该桥受损程度判断为2级(中度损伤),结构承载能力下降10%~30%。
由于火灾温度较高,且混凝土表面普遍开裂剥落,因此混凝土内部钢筋的力学性能不可避免有所下降,同时与混凝土(砂浆)粘结力也有较大的下降。即使预应力筋未直接受损,但其正常的工作状态由于高温松弛和应力重分布影响而无法恢复。而混凝土弹性模量降低,使结构变形加大,预应力由于弹性压缩而发生损失,也使结构有效预应力发生明显损失。
表2 结构构件受损程度综合评定指标
图2 桥梁加固设计示意图
3 加固处治设计
3.1加固设计原则
原桥结构受损较为严重,其混凝土表面普遍开裂剥落,结构承载能力发生明显损失。该桥桥下净高较小,设计时考虑在桥下修筑横墙对原桥梁板进行支撑,改变桥梁结构形式,减小跨中正弯矩;因该桥原结构为简支体系,顶板配筋较为薄弱,设计时考虑多增加支点减小顶板负弯矩,在原桥结构下,增设4道横墙对原结构进行支撑。因火灾过程中结构有效预应力明显损失,且无法定量评估其下降的程度,为保证桥梁结构安全可靠,设计计算时将预应力钢束考虑为普通钢筋进行计算,结构作为普通钢筋混凝土构件。
3.2计算结果
3.2.1计算参数
梁体采用C40混凝土,普通钢筋采用Ⅱ级钢筋,预应力采用φ15.24高强度低松弛钢绞线(不考虑预应力效应)。计算时考虑设计荷载为公路-Ⅰ级,车行道数量为3车道。10cm厚钢筋混凝土调平层参与结构受力。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》,承载能力极限状态设计时,验算荷载为:组合Ⅰ(基本组合);正常使用极限状态设计时,验算组合为组合Ⅱ(荷载长期效应组合),组合Ⅲ(荷载短期效应组合)。计算模式如图3所示:
图3
3.2.2计算结果
⑴承载能力极限状态计算
①正截面抗弯承载能力验算
荷载组合Ⅰ作用下梁板抗弯承载能力验算结果见表3。由表可知,5-5截面最大弯矩为1324kN·m,小于截面抗力1369kN·m。计算结果表明,承载能力极限状态正截面抗弯强度满足规范要求。
②斜截面抗剪承载能力验算
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》,选取距桥台支座中心h/2(h为板高)处的截面与距1#墩支座中心h/2处截面验算梁体斜截面抗剪承载能力,验算结果见表4。从表中可以看出,简支板斜截面剪力均小于结构设计抗力。空心板抗剪承载能力验算满足规范要求。
表3 正截面抗弯承载能力计算结果
表4 斜截面抗剪承载能力验算结果
⑵正常使用极限状态验算
①变形验算
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第 6.5.3条,简支板跨中最大挠度限值为L/600=3900/600=6.5mm。
梁板的挠度值见表5。由表可知,梁板正常使用极限状态的变形满足规范要求。
表5 梁板正常使用极限状态挠度验算
②裂缝宽度计算
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.4.2条,钢筋混凝土受弯构件在荷载短期效应并考虑长期效应影响下,最大裂缝宽度不应超过0.2mm。
裂缝宽度计算结果见表6。从表中可以看出,组合Ⅲ作用下梁体5-5截面裂缝宽度最大,为0.20mm,满足规范要求。
表6 裂缝宽度计算结果
3.3加固设计内容
⑴对原桥梁板及桥台混凝土破损处凿除,然后进行修补,对裂缝进行封闭。
⑵在桥台上设置千斤顶,同步顶升半幅梁板,更换原桥桥台上的支座。
⑶改移原桥下水沟及水管。
⑷设置横墙对原桥梁板进行支撑。
3.4加固处治施工重点
本桥加固处治要改变桥梁受力体系,因此,新设置的支座与梁体结合好坏成为影响加固施工效果的关键。加固处治完成后,支座应与原桥紧密接触,保证在受力状态下,新设支墩与原桥台共同承担竖向荷载。
加固施工中支座安装步骤及注意事项如下:
⑴同时顶升半幅梁板更换原桥支座(更换支座后将梁板放置在新支座上);
⑵对梁板底部高程(支座处)进行放样。因新更换支座和原桥受损支座弹性模量变化,更换支座后对梁板高程进行测量能保证高程的准确性。测量时注意测量精度;
⑶根据测量结果确定横墙顶面高程(预留支座垫石、钢板及支座高度),然后浇筑基础、浇筑横墙并预埋支座垫石钢筋;
⑷再次顶升梁板(不超过2cm),因考虑千斤顶无法长期承受荷载,采用枕木或型钢对梁板进行临时支撑,立模浇筑支座垫石,浇筑时注意垫石顶面高程,浇筑完成后将垫石顶面抹平,安装钢板(根据之前梁板高程数据,调整支座垫石高度,垫石含钢板最低高度20cm),钢板安装后用砂浆将钢板周边封闭,保证钢板固定;
⑸安装支座,待垫石混凝土达到强度后,取消临时支撑,将梁板放下,保证梁板和横墙新设支座接触紧密,原桥台支座与新设支座共同受力。
在横墙施工之前,应对桥梁受损混凝土进行修复,新老混凝土的结合也是影响该桥加固效果的关键点,要求:
⑴原砼结构表面的处理:浇筑新混凝土前,应将原砼结构表面打毛、糙化,同时应除去浮浆、尘土,并用高压水冲洗干净。
②原砼结构缺陷的处理:施工时应对桥梁各个部位进行仔细检查,凡有砼缺损、蜂窝、麻面和钢筋外露、锈蚀等现象均应进行处理,处理原则为:凿除缺陷砼,去除浮浆、杂质至密实部位,并对钢筋进行除锈,然后用环氧砂浆进行修补;修补后应采用临时支撑将修补处顶紧,保证环氧砂浆和原梁板混凝土结合紧密;梁底裂缝的宽度在0.15mm以下时,采用改性环氧树脂胶封闭的方法处理;对裂缝的宽度在0.15~1.5mm,应采用自动低压压注改性环氧化学浆液的方法进行处理。修补破损和裂缝后,在梁板底部涂刷涂料进行防护。
4 结论
桥梁结构经受火灾后,混凝土强度与钢筋有效应力降低,原结构体系大多不能满足正常通行。本文提出对受损上部结构增加支撑,改变桥梁结构体系,增加超静定约束进行加固,这样既保留受火灾桥梁的主体结构,又使该桥能够正常通行,是一种既经济又实用的方案,对受火灾损毁桥梁的加固方法具有借鉴意义。●
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[4]四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院.某高速公路通道中桥火灾后应急检测报告,2014,3.
[5]四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院.某高速公路通道中桥病害维修处治一阶段施工图设计,2014,4.