火灾后桥梁的检测评估及维修加固技术

2016-11-16程海潜王佳宇王康明

城市道桥与防洪 2016年10期

程海潜，王佳宇，张　健，王康明

（1.湖北交通职业技术学院，湖北武汉 430079；2.武汉工程大学交通研究中心，湖北武汉 430073；3.丹江口市交通局，湖北丹江口 442700;4.湖北省路桥（集团）有限公司，湖北武汉，430056）

火灾后桥梁的检测评估及维修加固技术

程海潜1，2，王佳宇2，张健3，王康明4

火灾事故造成桥梁结构损伤，危及运营安全。以火灾后的狮子古河大桥工程为例，详细论述了检测评估的内容与方法，结合该桥结构损伤的具体情况制定维修加固方案，并通过荷载试验测试实施效果。结果表明，维修加固取得了良好的效果，可为类似桥梁火灾后的维修加固提供参考。

桥梁；火灾；检测；维修加固；荷载试验

0　引言

公路桥梁是交通动脉的咽喉,它的运营状况关乎经济发展和人民生活。桥梁火灾事故即使不能立刻导致桥梁垮塌或者废弃,但是火的作用使得桥梁钢筋混凝土材料的性质发生了变化，构件将受到不同程度的损伤，危及公路桥梁安全。合理的损伤检测评估，能为后期的维修加固提供可靠的数据参考和技术支持；科学的维修加固方案，能有效恢复结构的承载能力、刚度及使用性能，保障桥梁的安全运营。

本文以随岳高速公路狮子古河大桥项目为依托，对火灾后的桥梁进行全面的检查分析，制定并实施了有针对性的维修加固方案，最终使桥梁达到了正常使用状态下的要求。

1　工程概况

狮子古河大桥位于随岳高速公路湖北省中段，桥梁全长105.50 m，与路线交角80°。上部结构为先简支后结构连续预应力空心板梁，桥跨布置为5×20 m。横向采用16片主梁，分左、右两幅布置，桥面宽度26 m。桥梁下部结构采用双柱式桥墩桩柱式桥台，大桥侧面照见图1。

图1　狮子古河大桥侧面照

一次偶然的火灾事故后，狮子古河大桥部分空心板、墩台和盖梁受到了不同程度的损伤，严重影响了桥梁的通行安全。

2　火灾后的检测与评估

2.1结构受损情况调查

通过表观检测，调查桥梁总体过火范围、表观受损情况，并初步分析其损伤程度。检测方法为：目测，人工敲击等。经分析，判定现场着火点位于4#墩及5#台处，尤其在左幅4#墩柱下方、右幅第五跨1#至3#梁下方靠近5#台的区域被熏黑变黄、有明显过火痕迹，混凝土大面积开裂、酥松、剥落甚至露筋。

（1）桥梁下部结构

墩台受损情况统计见表1，具体情况见图2～图5。

表1　桥梁墩台受损情况

图2　L4-1#墩柱混凝土剥落

图3　L5#台盖梁外侧挡块开裂

图4　L4#墩帽梁底面及随州侧混凝土剥落

图5　L4#墩帽梁岳阳侧混凝土剥落

（2）桥梁上部结构

大桥左、右幅第4跨、第5跨空心板板底混凝土大面积剥落露筋。受损情况统计见表2，具体情况见图6～图9。

表2　桥梁空心板受损情况

图6　右幅第五跨1#-3#梁剥落露筋情况

图7　左幅第五跨1#梁混凝土剥落露筋

图8　左幅第四跨6#梁混凝土剥落

图9　右幅第四跨4#梁混凝土剥落露筋

（3）支座与伸缩缝

经目测、敲击和钢尺进行检测，检查发现桥梁支座、伸缩缝未受影响，情况良好。

2.2检测内容及方法

研究[2]表明，当火灾发生时，混凝土与钢筋材料被加热，其强度、弹性模量等均发生改变。钢筋混凝土的结构力学性能主要由混凝土自身的强度、过火温度和火灾持续时间所影响，而其中过火温度起着主要的作用。其中，混凝土的极限抗压强度随着温度的上升而有规律的降低。用Δ表示混凝土强度的降低程度，那么，式中的fcu.0表示常规温度环境下混凝土的极限抗压强度；fcu.t表示当温度为t时的混凝土极限抗压强度。混凝土结构经过不同的温度阶段后，其强度与过火温度的方程式为：Δ=1.535 79-0.001 465 8 t[1]。所以火灾导致直接燃烧结构的混凝土强度降低，结构剥落，钢筋与混凝土之间的粘接力降低。

相关试验结果[3]表明：钢筋在20℃～200℃范围内其屈服强度没有明显变化，但是当温度大于200℃时，其屈服强度随温度的升高呈线性下降趋势，并且屈服点消失；混凝土在300℃之前强度变化不大，但是当温度大于300℃以后会有明显下降的趋势，800℃以上时强度几乎完全丧失。并且火灾后混凝土的塑形增加，弹性模量与强度之间的关系也不再按照常温下的关系式。

因此，在初步调查的基础上，对混凝土、普通钢筋及预应力钢筋采用现场检测与试验分析相结合的方法进行了检测，为评估提供依据。

（1）混凝土保护层厚度检测

用HC-GY61T一体式钢筋扫描仪来检测钢筋混凝土保护层厚度。

（2）混凝土碳化深度检测

用酚酞试剂方法来检测高温后混凝土内游离碱热分解，混凝土中性化的情况。

（3）混凝土内部缺陷检测

用超声法确定裂缝深度和进行混凝土结合面的质量检测。

（4）混凝土强度检测

回弹仪和超声波检测仪综合使用进行混凝土实际强度检测。通过测量混凝土的表面硬度及碳化过程和超声波在混凝土中的速度来推算混凝土的强度。采用回弹仪检测混凝土构件强度需要在得到的测试值进行修正。

式中：Fct为混凝土构件测区实际强度；F（N，L）为JCJ23-85给出的测强曲线；N为测区碳化深度；t为混凝土构件受火温度（℃）；Kcn为混凝土强度修正系数,其计算公式为:

（5）钢筋力学性能检测

受火严重区域混凝土剥落较为严重，钢筋大面积裸露，与混凝土之间的粘结基本失效。对裸露钢筋取样，在实验室进行拉伸试验发现，试样的屈服强度、极限强度均有所降低。

（6）预应力钢绞线及锚具性能分析

设计图表明，底层的N2预应力束孔道下缘到空心板底的垂直距离约120 mm。因此判断火灾对钢绞线及锚具的力学性能影响比较有限。遵循预应力体系无损检测的原则，未对钢绞线及锚具进行取样，拟在相应梁板加固设计中对预应力强度值进行适度折减。

2.3检测结论

根据现场检测情况，依据《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/TH21-2011)对桥梁进行技术状况评定。狮子古河大桥全桥三类以上承重构件共计12个，桥梁整体技术状况评定为三类。

2.4损伤评估

结合现场检测情况和结构分析验算，得出狮子古河大桥火灾后评估结论:结构整体性受到一定程度影响,结构的局部损伤较为严重,承载能力、刚度和整体性受到不同程度的损伤，已不能满足安全通行下的要求，应及时进行维修加固。

3　维修加固

根据本桥实际,维修加固采用以下思路:

（1）空心板底、墩柱和墩帽梁表层混凝土剥落面积过大，需要首先进行表层缺陷修补。

（2）空心板、墩帽梁的承载能力需要提高但是提高幅度不大。经研究采用粘贴纤维复合材料进行维修加固。

（3）墩柱、台盖梁经过评估后仍可继续使用。经研究决定采用粘贴钢板进行维修加固。

3.1混凝土表面缺陷修补

混凝土表面缺陷修补是对表面出现的蜂窝、麻面、空洞以及火灾破损等病害进行修补，同时对过火、烟熏的结构物进行冲洗，观察结构物表面混凝土是否松动。表面缺陷修补：

（1）大面积的表面缺陷及混凝土质量问题，人工凿除松动的混凝土，外露骨料，清理界面，并采用比原结构混凝土标号高一个级别的材料（帽梁及墩柱C40环氧混凝土，主梁C50环氧混凝土）进行修补。

（2）小面积的表面缺陷，特别是缺损深度较浅时，凿除松动混凝土，外露骨料，钢筋除锈，用C50环氧砂浆进行修补。

（3）小面积且深度较深的混凝土空洞可采取小孔压浆(环氧号砂浆)灌注修补。

3.2墩柱喷涂阻锈剂

为保护钢筋、提高墩柱结构的耐久性，应对钢筋涂抹阻锈剂。在墩柱露筋部位涂抹CIT烷氧基类阻锈剂，阻锈剂性能、技术指标等均应满足设计要求。

在进行钢筋保护之前对混凝土的其他病害应进行综合处治，同时清除混凝土表面的浮浆、尘土及其他残留物等，按照图纸要求，在经过处理的混凝土表面喷涂阻锈剂，使其形成保护膜，有效地阻隔水分对混凝土钢筋的侵蚀。

3.3空心板、墩帽梁粘贴碳纤维布加固补强

粘贴碳纤维布的施工顺序为混凝土底层处理→涂底层胶→粘贴纤维片→养护→涂装。粘贴碳纤维布时要充分考虑上部结构充分卸载的情况下进行。

（1）混凝土底层处理

将混凝土构件表面的残缺，破损部分清除干净直至混凝土露出坚硬部分。检查外露钢筋是否锈蚀，如锈蚀，进行必要的除锈处理，对经过剔凿露筋的构件残缺部分，进行修补复原，为保证碳纤维与构件的粘贴效果良好，施工时注意确保混凝土基面的平整性以及强度，严禁采用有浮浆以及蜂窝、麻面的混凝土面层作为基层。棱角的部位，用磨光机磨成圆角。

（2）涂底层胶

把底层胶液的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入容器，用搅拌器拌和均匀。注意一次调和量应在可使用时间内用完，超过时间的底胶不能使用。用滚筒或刷子均匀地涂抹底层胶，并自然风干。

（3）粘贴纤维片

在梁严重受损区，用1～2层碳纤维布沿着腹板竖向进行补强。粘贴碳纤维时，依据设计位置由上而下，由左至右有序的粘贴，并用滚筒压挤贴面，使碳纤维布浸渍树脂充分结合，同时以压板排除气泡。碳纤维粘贴时应尽量预加张力展直。

（4）养护

粘贴碳纤维片后，自然养护24 h达到固化，且保证固化期间不受干扰。碳纤维片粘贴后达到设计强度所需自然养护时间，在此期间应防止贴片受到硬性冲击。

（5）涂装

由于对加固补强构件有外观要求，在补强后涂防火涂料（水泥砂浆）处理。涂装应在树脂初期固化后进行。

3.4墩柱、台盖梁粘贴钢板

粘贴钢板施工主要施工顺序为：施工放线→构件表面处理→钻孔、安装锚栓→钢板下料、钢板除锈处理、钻孔及安装→封闭缝隙、预留注浆孔及排气孔→封边→压力灌浆→钢板表面防锈处理。

（1）放样

按照设计图纸要求，在混凝土表面确定钢板位置及需钻孔的位置；用HC-GY61T一体式钢筋扫描仪来检测钢筋混凝土保护层厚度，测出混凝土中的钢绞线和钢筋位置，避免钻孔时碰及钢绞线和钢筋。

（2）粘贴钢板处混凝土表面处理

为了得到良好的粘贴效果，混凝土表面需认真进行表面处理，混凝土粘和面应进行打磨处理。

（3）钢板下料、表面处理及钻孔

根据放样后测得的实际长度进行钢板条下料。下料后，对钢板表面进行除锈、打磨处理。对于钢板粘和面，用平砂轮打磨，直至出现金属光泽。

（4）混凝土钻孔、植锚栓

按照设计图中所示位置，用钢板条做模板，把钢板紧靠粘和面，在混凝土相应位置钻固定锚栓孔，用冲击电钻套钢板条上的孔眼，在空心梁腹板及顶板混凝土面上钻孔，植锚栓。

（5）粘贴钢板

将粘钢胶用抹刀同时涂抹在已处理好的混凝土表面和钢板贴合面，钢板条粘结面上的抹胶可中间厚两边薄，板的中央涂抹胶的厚度为3～5 mm,然后将钢板粘贴于设计位置。钢板粘贴后，用手锤沿粘贴面轻轻敲击钢板，如无空洞声，表示已粘贴密实，否则应剥下钢板，补胶重新粘贴。

（6）防锈处理

钢板粘贴完成并通过验收后，对钢板外露面进行防腐处理。钢板防腐采用四层防腐漆防腐。

4　荷载试验

维修加固处理完成之后，委托专门的检测单位对全桥进行荷载试验。此次荷载试验包含静力荷载试验和动力荷载试验。效率系数为0.95，监测的主要内容是位移、应力应变、截面承载力、墩台支座反力等从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和承载能力。具体方法是在桥梁的横桥向按照偏载布置6种荷载工况以及动载试验。试验结果如下：

（1）在控制荷载作用下，控制截面的实测挠度的校验系数的最大值是0.85，残余挠度百分比最大值是3.02%，小于规范值20%，所以梁体刚度满足要求，结构处于弹性工作状态。

（2）在控制荷载作用下，控制截面混凝土应变，钢筋应变的校验系数最大值是0.92，在测试截面下缘混凝土应变与钢筋应变协调性较好，截面符合平截面假定，实测中性轴高度与理论值的中性轴高度吻合,残余应变百分比小于规范限值,梁体抗弯承载强度满足要求,结构处于弹性工作状态。

（3）在控制荷载作用下,控制截面的实测主拉应力小于理论计算值,梁体抗剪承载强度满足要求。

（4）在梁端支座最不利加载工况下，支座实测最大拉力小于理论值，桥墩支座受力正常而且处于弹性工作状态。

（5）在最大控制荷载作用下，梁体没有产生裂缝。

荷载试验结论表明此次维修加固合格，加固后的桥梁能够满足正常使用状态下的要求。