增大截面法在火损桥梁加固中的应用

邓晓多，汪 亮

（1.江苏现代路桥有限责任公司，江苏 南京 210049；2.江苏宁常镇溧高速公路有限公司，江苏 常州 213245）

增大截面法在火损桥梁加固中的应用

邓晓多1，汪 亮2

（1.江苏现代路桥有限责任公司，江苏 南京 210049；2.江苏宁常镇溧高速公路有限公司，江苏 常州 213245）

火灾的高温会造成桥梁钢筋混凝土的强度和弹性模量等力学性能降低，混凝土和钢筋的粘结强度降低，桥梁承载能力下降，最终影响道路的安全运营。文章结合工程案例介绍火损桥梁的现场调查检测并进行了剩余承载能力评估，最终采用增大截面法加固维修，为类似遭受火灾桥梁的加固维修提供参考。

火灾；检测评定；加固维修；增大截面法

随着公路桥梁事业的蓬勃发展桥梁火灾事故呈上升趋势。一方面，火灾损坏会引起桥梁公共资产显著损失；另一方面，火灾对桥梁结构造成了损害，高温使得桥梁材料的化学物理性能减弱，从而造成桥梁的主要材料钢筋混凝土的强度和弹性模量等力学性能降低，混凝土和钢筋的粘结强度减弱，桥梁承载能力下降，最终会影响到道路的安全运营［1］。

为此，本文结合镇溧高速公路中河特大桥火损案例，详细介绍了火灾后钢筋混凝土结构桥梁的质量状态评估和火损结构的剩余承载力计算，以及最终采用增大截面法对本案例中火损桥梁进行加固维修的情况。

1 工程概况

镇溧高速公路中河特大桥全桥长1 593.49 m，上部结构为装配式部分预应力混凝土连续箱梁、简支箱梁，下部结构为桩柱式墩、肋板台、钻孔灌注桩基础。组合箱梁混凝土采用C50混凝土，下部结构采用C30混凝土，桩基采用C25混凝土。

一货车在通过中河特大桥55#墩墩顶时发生自燃，燃烧物经55#墩伸缩缝及附近泄水孔流至箱梁桥墩盖梁，并持续燃烧，对部分箱梁、支座、桥墩盖梁及墩柱造成损伤。火损部位主要为中河特大桥右幅（镇江往溧阳方向）第12联边孔（55#孔）、第13联（56#孔）及55#墩盖梁和墩柱。右幅第12联为5×35 m先简支后连续组合箱梁，斜交角30°，第13联为1×22 m异型组合箱梁，为由斜桥转为正桥的过渡孔［2］。

2 火灾后桥梁结构评估

桥梁所属管理单位在桥梁遭受火灾后，应立即组织技术人员对现场进行检查，查明火灾现场的基本情况以及桥梁受损的基本情况，然后做出初步判断，并根据初步判断结果决定是否对火损桥梁进行交通管制，对火损桥梁进行适当的保护。随即对火灾现场火损情况进行详细调查、桥梁火损部位进行检测等，并根据桥梁结构的受损状况，对桥梁受损结构做出评估鉴定，为后续桥梁修复加固方案设计提供依据［3］。

2.1 火灾现场调查及火灾温度判定

（1）火灾事故调查

根据调查可知，肇事车辆发生火灾，车上装运的塑料粒子化学材料泄露并燃烧，燃烧物顺着55#墩顶伸缩缝经外侧箱梁流淌至过渡墩顶，在墩顶持续燃烧，对燃烧处护栏、桥墩、盖梁、支座和部分梁体造成严重伤害。燃烧物燃尽后大火自然熄灭，持续时间约2 h。

（2）燃烧物分布情况

燃烧物分布范围主要有两处：第一处为右幅55#墩墩顶桥面；第二处为右幅55#孔1#-2#箱梁、56#孔1#-2#箱梁以及55#墩盖梁及1#柱。

（3）火灾现场检测结果

经现场调查，本次火灾发生在中河特大桥右幅55#墩墩顶附近区域，对55#孔桥面系、55#孔1#、2#梁、56#孔1#、2#梁以及55#墩造成损伤，其他构件及孔跨未受火灾影响。本次火灾对55#孔1#、2#梁破坏较为严重，对结构安全性或正常使用产生不利影响，应进行鉴定评估，确定适当的加固措施进行维修加固。

（4）火灾温度分布示意图

根据火灾温度调查初步判定的火灾最高温度，结合外观检测情况，综合推断出桥梁构件表面受火温度，并根据温度高低划分为5个区域，温度由低到高分别为Ⅰ区300 ℃以下、Ⅱ区300～500 ℃、Ⅲ区500～700 ℃、Ⅳ区700～800 ℃、Ⅴ区800～1 000 ℃，各受火孔火灾温度分布情况如图1～图4所示。

2.2 火灾后材料及结构性能的检查

（1）混凝土回弹强度及碳化深度检测

本次检测在外观调查基础上，根据结构受损区域及受损程度的不同，分别采用钻芯法和回弹法对混凝土强度进行测试，同时进行碳化深度测试。

通过测试数据分析可知，箱梁受火区域混凝土回弹值离散性相对较大，回弹值随温度升高略有下降，说明表面混凝土强度值有所下降，但强度推定值均能满足C50混凝土的设计要求。对同一个盖梁而言，受火区域比未受火混凝土测得的数值离散性要大，且温度升高时有明显的下降趋势，说明受火混凝土强度下降，但下降后的混凝土强度仍能满足C30混凝土设计要求。同样，墩柱混凝土强度亦能满足设计要求，但其回弹数值在温度升高时，变化趋势不明显［4］。

图1 55#孔箱梁表面温度分布图

图2 56#孔箱梁表面温度分布图

图3 55#墩北侧面温度分布图

图4 55#墩南侧面温度分布图

根据碳化深度测试数据分析可知，平均碳化深度箱梁为0～1 mm，盖梁为4～4.5 mm，墩柱为2～5.5 mm。由上述数据可见，箱梁碳化深度较小，盖梁、墩柱碳化深度较大，火损后时间较短，受火后结构碳化深度无明显增加迹象。

（2）钻芯取样检测

对受损较严重的55#孔1#箱梁及55#墩盖梁，选择火损较严重的区域进行了混凝土钻芯取样检测，并对芯样进行了抗压试验。由芯样长度可见，1#箱梁内侧腹板混凝土表面最大剥落深度约10 cm，外侧腹板混凝土剥落深度约为6～8 cm，内部混凝土无明显劣化。除2#芯样长度不够，未能进行抗压试验外，其余芯样均进行室内抗压强度试验［5］。

由结果可见，箱梁混凝土钻芯取样抗压强度为51.5～60.2 MPa，满足C50混凝土的设计要求，盖梁混凝土钻芯取样抗压强度为54.9 MPa，满足C30混凝土的设计要求。

（3）钢筋强度测定

现场截取55#孔1#箱梁内外侧腹板的纵向钢筋及箍筋各一根进行室内拉伸试验，测试火损后钢筋的屈服强度、抗拉强度和伸长率等性能。对钢筋试验进行室内拉伸试验，各试样检测结果如表1所示。

由上述结果可知，外侧腹板纵向钢筋及竖向钢筋的屈服强度及抗拉强度均符合规范要求，内侧腹板纵向钢筋的屈服强度及抗拉强度均符合规范要求，内侧腹板竖向钢筋的屈服强度低于规范要求约6%。

表1 钢筋试样拉伸试验检测结果

（4）钢筋保护层厚度检测

对箱梁底板箍筋和纵向钢筋、盖梁和墩柱侧面箍筋进行了保护层厚度检测。根据检测结果可知，箱梁、盖梁、墩柱钢筋保护层厚度普遍大于设计保护层厚度，其中箱梁底面纵筋平均保护层厚度大于设计值约4～5 mm，箱梁底面箍筋平均保护层厚度小于设计值5～6 mm；盖梁横筋平均保护层厚度大于设计值9～12 mm，盖梁箍筋平均保护层厚度大于设计值26～28 mm；墩柱竖筋平均保护层厚度小于设计值2～3 mm，墩柱箍筋平均保护层厚度小于设计值18～19 mm。

2.3 火灾后结构损伤的综合鉴定

根据《火灾后建筑结构鉴定标准》（CECS252：2009），针对钢筋混凝土结构受火的损伤特点，根据本桥检测结果和此类桥梁的工程经验分析，对火损构件进行鉴定评级，如表2所示。

表2 构件火损分类

Ⅱa级构件表面混凝土强度损失很小，损伤深度在0.5 cm以下，内部钢筋或钢绞线性能和锚固力不受影响，构件极限承载力和正常使用状态抗裂性、刚度均能满足原设计要求。Ⅱb级构件表面混凝土强度迅速下降，损伤深度约为2～3 cm，极限承载力、刚度、抗裂性受影响较小，混凝土保护层在500 ℃以上时发生热分解反应或局部剥落，导致耐久性不足。Ⅲ级构件受损表面混凝土强度迅速下降，受损深度可达剥落层以下3 cm以上。本桥采用浇水灭火，表层损伤混凝土均发生爆裂剥落，剥落深度最大达10 cm。极限承载能力、耐久性、刚度和抗裂性均下降。具体受损状况需通过评估分析。

3 火灾后钢筋混凝土结构剩余承载力评估

3.1 中梁承载能力极限状态抗剪验算

0～4 m范围内构件尺寸扣除厚度，即翼缘板厚度按设计值扣除3 cm，外侧腹板按设计值扣除8 cm,底板厚度按设计值扣除2 cm，内侧腹板按设计值扣除3 cm。

钢筋设计强度为280 MPa,预应力钢束设计强度为1 260 MPa。根据《火灾后建筑结构鉴定标准》（CECS252—2009）附录E混凝土构件在标准升温条件下温度场实用曲线图，2#梁剥落区域外侧腹板钢筋和钢绞线受火温度为450～500 ℃，火损后强度折减系数取0.9；底板及内侧腹板钢筋和钢绞线受火温度为300～350 ℃，火损后强度折减系数取0.95；梁体混凝土受损严重，但内部和上部混凝土不受影响，回弹测试结果表明，混凝土强度均大于设计值，故计算中混凝土强度取设计值。

55#孔箱梁损伤区域位于近边支点0～10 m范围，较严重的集中在近边支点0～5 m范围，该区段箱梁荷载作用下弯矩较小，剪力较大，故抗弯承载能力富余较多，仅对极限抗剪承载能力进行验算。对右幅12联组合箱梁中梁进行极限抗剪承载能力验算，该区段内箱梁最大、最小剪力及对应抗力图如图5、图6所示。

右幅第12联边孔2#梁距55#墩梁端0.5～2 m范围极限抗剪承载力不满足规范要求，抗剪极限承载力下降，较设计值差20%。

3.2 边梁承载能力极限状态抗剪验算

0～10 m范围内构件尺寸扣除厚度如表3所示。

55#孔1#梁，剥落区域外侧腹板及底板钢筋和钢绞线受火温度为500～550 ℃，火损后强度折减系数取0.85；内侧腹板钢筋和钢绞线受火温度为550～600 ℃，火损后强度折减系数取0.8；梁体混凝土受损严重，但内部和上部混凝土不受影响。

右幅12联组合箱梁边梁损伤区域位于近边支点0～10 m范围，较严重的集中在近边支点0～5 m范围，故对火损后边梁近边支点段进行极限抗剪承载能力验算，该区段内箱梁最大、最小剪力及对应抗力图如图7、图8所示。

图5 设计最大剪力及对应抗力图

图6 火损前后抗力对比

表3 构件尺寸扣除厚度

图7 设计最大剪力及对应抗力图

图8 火损前后抗力对比

右幅第12联边孔1#梁距55#墩梁端0.5～5 m范围抗剪极限承载力不满足规范要求，抗剪极限承载力下降，较设计值差31.3%。

3.3 评估结果

（1）中河特大桥右幅55#孔1#梁、2#梁完好状态极限抗弯及抗剪承载能力均满足85规范要求，抗裂性能满足部分预应力A类构件要求，刚度验算满足规范要求；

（2）火损状态下55#孔1#梁距55#墩梁端0.5～5 m范围抗剪极限承载力不满足规范要求，抗剪极限承载力降低，较设计值差31.3%；

（3）火损状态下55#孔2#梁距55#墩梁端0.5～2 m范围极限抗剪承载力不满足规范要求，抗剪极限承载力降低，较设计值差20%。

4 增大截面法加固设计与施工

4.1 火损结构修复加固方案的确定

由于该桥火损较严重，55#孔1#、2#箱梁评定为Ⅲ级构件，近边支点0～10 m范围，较严重的集中在近边支点0～5 m，腹板及底板混凝土大面积剥落露筋。该区段箱梁在荷载的作用下弯矩较小，剪力较大，虽然梁体抗弯承载能力富余较多，但抗剪承载能力富余相对较少，局部区段抗剪承载能力不满足规范要求。针对该桥梁结构主要病害，加固设计的重点为提高55#孔1#、2#箱梁近边支点受损区域的抗剪承载能力。

受损构件的抗剪承载能力不足，按照实际情况，结构首先承受施工时增大截面钢筋混凝土的重力，在接下来的施工阶段中考虑增大截面对提高结构抗弯和抗剪承载能力的作用；受损区域剥落的混凝土需事先修复，才可进行下道工序。为此采用增大截面加固法可以精简施工工艺，且加固后整体效果较好。基于上述考虑，决定对该桥受损严重的55#孔1#、2#箱梁区域采用增大截面法加固修复。

4.2 方案设计

55#孔1#、2#箱梁评定为Ⅲ级构件，较严重的集中在近边支点0～5 m，腹板及底板混凝土大面积剥落露筋。由于破损部位集中于梁端，该处剪力较大，仅需进行抗剪加固设计即可。凿除1#、2#箱梁近边支点0.5～5.5 m范围内底板、腹板疏松层混凝土至坚硬基层，对外露钢筋进行除锈阻锈处理后加挂钢筋网，并外包C55高性能聚合物砂浆，加固后构件尺寸较原构件尺寸加厚5 cm。加固方案如图9和10所示。

图9 钢筋布置图（单位：cm）

图10 增大截面法加固总体方案（单位：m）

4.3 加固效果

对采用增大截面法加固后箱梁的抗剪极限承载能力进行验算，验算结果均满足要求，加固前后1#梁抗剪承载能力对比如图11所示；加固前后2#梁抗剪承载能力对比如图12所示。

图11 1#梁剪力设计值及抗力对比

图12 2#梁剪力设计值及抗力对比

5 结论

正常运营的桥梁，一旦遭到火灾，就会对道路的安全运行产生影响。要想尽可能地降低由此带来的影响，最大限度地保护好桥梁的结构安全，及时对火损的桥梁结构进行加固维修是非常重要的。本文结合以往实践经验和具体的工程实例，对火灾后桥梁的现场检测、损伤鉴定、承载能力评估以及对工程实例中桥梁火灾后的增大截面加固进行了研究，可为增大截面法加固类似遭受火灾桥梁提供借鉴。

［1］俞博，叶见曙，温天宇.火灾后混凝土桥梁结构的工程对策研究［C］∥全国既有桥梁加固、改造与评价学术会议论文集.北京：人民交通出版社，2008.

［2］陆洲导.钢筋混凝土梁对火灾反应的研究［D］.上海：同济大学，1989.

［3］吴波，袁杰，王光远.高温后高强混凝土力学性能的试验研究［J］.土木工程学报，2000，33（2）：8-12.

［4］杨彦克.火灾后混凝土结构损伤评估现状与发展［C］∥结构工程科学青年专家研讨会论文集，北京：科学出版社，1992：250-259.

［5］杜红秀.混凝土结构火灾损伤评估方法研究进展［J］.工程质量，2006（4）：8-14.

Application of Section Enlargement Method in Fire-Damaged Bridge Reinforcement

Deng Xiaoduo1, Wang Liang2
（1. Jiangsu SunDian Highway Engineering Company, Nanjing 210049, China; 2. Jiangsu Ningchangzhenli Expressway Co., Ltd., Changzhou 213245, China）

High temperature of fire-damaged bridge would cause reduction of the reinforced concrete strength and elastic modulus and other mechanical properties. Bond strength of concrete and steel decreased. And bridge bearing capacity declined, which would ultimately affect the safe operation of the road. Combining with the engineering case, this paper introduced the field investigation and detection of the fire-damaged bridge and the assessment of the residual bearing capacity, and finally section enlargment method was used for reinforcement and maintenance of the bridge, which provided reference for the reinforcement and maintenance of the fire-damaged bridge.

fire; detection and evaluation; reinforcement and maintenance; section enlargement method

U445.7+2

A

1672-9889（2016）06-0067-05

2016-02-18）

邓晓多（1984-），男，安徽滁州人，助理工程师，主要从事高速公路工程养护工作。