预应力空心板火损结构分析与评估

2017-10-12项宏

湖南交通科技 2017年3期

关键词：板梁温度场空心

，项宏

( 1.东南大学成贤学院，江苏南京 210088; 2.南通大学交通学院，江苏南通 226019)

预应力空心板火损结构分析与评估

陈亮1，项宏亮2

( 1.东南大学成贤学院，江苏南京 210088; 2.南通大学交通学院，江苏南通 226019)

某桥为6跨25 m预应力混凝土简支空心板梁桥，发生火灾后，经现场检测，发现板梁梁底火灾影响范围内混凝土剥落缺陷较为严重。依据现场检测结果及消防记录，对火灾导致的空心板温度场进行模拟分析，对火场温度及空心板表面最高温度进行了估计，分析了火灾对混凝土结构及预应力钢筋的损伤影响，对结构受火后的承载能力极限状态与正常使用极限状态进行了评估，从而对结构的火灾受损程度进行了综合评定，研究方法及成果可为类似火损桥梁结构评估分析提供参考。

桥梁工程；空心板；火灾；剥落缺陷；温度场；分析评估

1 工程概况

某桥为6跨25 m预应力混凝土简支空心板梁桥，设计荷载为城-A级。上部结构由27块1 m宽中板及2块1.25 m宽边板组成，梁高1.15 m。下部结构采用桩柱式盖梁桥墩及桥台，见图1。

图1 横截面及桥面布置示意(单位： cm)

2011年1月6号下午14:20左右桥下发生火灾，当日15:35消防大队接到火灾报警，并立即出警，约15:50到达现场，并于16:07将大火扑灭。据现场调研，引起火灾的可燃物为农作物秸秆与木料，火源与板梁底部有2.5 m左右高度。

火灾后，从现场燃烧后残留物及板梁梁底局部混凝土剥落及松散情况，判定此次火灾的中心位于2#墩～3#墩之间(第3孔)西侧，距3#墩约8 m、距西侧桥边缘约4.2 m。

经外观检测，发现板梁梁底火灾影响范围内混凝土剥落缺陷较为严重，剥落深度范围在0.5～3.4 cm，见图2、图3。

2 温度场分析

2.1 标准升温曲线

影响火灾的因素众多，导致不同情况下的火灾温度-时间曲线相差较大。国际标准化组织(ISO)就此制定了ISO834标准升温曲线[1,2]。其计算公式如下:

(1)

式中：T0为环境初始温度,℃；t为时间，min；T为t时刻的温度。

图2 板梁梁底混凝土剥落分布示意图

对于本桥，火灾时间的大气环境温度在0 ℃左右，如火灾进行2 h，则ISO834标准升温曲线计算如图4所示。

图4 标准升温曲线(ISO834)

依据该曲线，当桥下火场的燃烧进行到30 min、1 h、90 min和2 h时，火场温度将分别达到820 、925 、990 和1030 ℃。

2.2 空心板温度场分析

根据现场调查火灾后的桥梁受损情况，火源位于桥下，空心板梁的下表面距离燃烧物约2.5 m。

2.2.1 分析假定及应用条件

1)对火灾的升温过程采用ISO标准温度-时间曲线；火灾时间考虑为2 h。

2) 假设构件截面由匀质的、连续的混凝土材料组成，既不考虑截面上钢筋面积的影响，也不计及混凝土开裂或表层脱落后的截面局部变化引起的温度重分布。

3) 混凝土材料的热工参数主要包括热传导系数、热容与质量密度。其中，热传导系数与比热容随温度而变化[3]，分别按式(2)与式(3)计算，质量密度取与温度无关的常数2500 kg/m3。

(2)

(3)

式(2)与式(3)为欧洲规范建议的对于硅质骨料混凝土的热工参数计算公式，式中T为混凝土温度，℃。

2.2.2 温度场分布

混凝土材料具有热惰性，在火灾高温作用下，随着距离空心板梁底缘的深度增加，混凝土内部受火温度逐渐降低，从而在空心板梁内部形成一定的温度梯度[4,5]。借助有限元方法分析空心板在受火状态下的温度梯度分布，对应不同受火时刻的空心板温度场分布如图5所示。

a) 受火30 min

b)受火1 h

c) 受火90 min

d) 受火2 h

选取空心板底板在中线和外侧边缘沿高度方向分布的各位置，其升温变化时程曲线如图6所示。

a)空心板中心线b) 空心板侧面边缘

2.2.3 温度场特点

依据温度场分布结果，得知温度场特点如下：

1)就火灾发生的持续时间看，在受火1 h以内，空心板的下表面温度相对增长较快；受火1 h之后，相对缓慢。

2)受火过程中，距离底板下缘5 cm以上部分基本呈线性增长，且增长速率较为缓慢。

3)空心板底板沿高度方向的温度梯度分布呈急剧下降趋势，如受火60 min时，距离底板下表面0、1、2、3、5、8、12 cm(底板顶缘)的位置，最高温度分别为809、627、489、384、239、122、75 ℃。

2.3 火灾对预应力筋的影响

在受火过程中，预应力筋位置处的截面温度梯度分布如图7所示。3根钢束位置在受火2 h的过程中的温度增长曲线如图8所示。

a) 受火1 h

b) 受火2 h

图8 预应力筋升温曲线

经分析，此次火灾即使充分燃烧并持续2 h，预应力筋最高温度仅在200 ℃。而预应力筋受热温度低于400 ℃时，只进行了低温回复，组织无变化，力学性能指标衰减较小，仍可以满足使用要求[6-9]。因此，空心板的预应力筋不会受损，火灾对预应力筋的力学性能没有影响。

2.4 温度估计

2.4.1 火场温度估计

依据火灾的现场调查和消防记录，估计火灾自起火至被扑灭的持续时间约80～100 min。受火空心板梁距离地面火源的高度仅2.5 m左右，在火灾后检查现场，仍有未燃烧尽的木质材料，故认为空心板直接受火时间与火源持续的时间基本相当；此外，略去火苗发展过程和灭火时间，推算空心板梁底在经历大火高温燃烧时间约70～90 min。

据此按照国际标准升温曲线(图4)计算，火场高温约950～1000 ℃。

2.4.2 空心板表面最高温度估计

从两个方面预计空心板表面最高温度：

1) 根据温度场分析。

根据前述的火场温度预计，空心板下表面直接受高温约70～90 min；据此按照温度场分析结果，空心板表面最高温度约850～900 ℃。

2) 根据外观特征判断。

混凝土构件在过火后，材质及其外观会出现变化。通过检查混凝土构件在过火后的外观及材质，能够帮助判断受火区域及温度，从而推断混凝土构件表面在火灾期间达到的最高温度范围，如表1所示。

表1 火灾温度作用后混凝土表面外观特征[10]温度/℃表面颜色外观受损≤300灰青，近似正常色/300～500浅灰，略显粉红色局部粉刷开裂，出现微细裂缝500～700浅灰白，显浅红角部剥落，出现开裂700～850灰白、显浅黄色混凝土剥落，较多裂缝850～1000浅黄色较多裂缝严重剥落呈疏松状>1000浅黄、现白色表面疏散成片剥落

经现场检测得知，直接受火的空心板下表面呈现特征如下：

① 表面颜色呈灰白色和浅黄色。

② 混凝土保护层有较大面积剥落，角隅处较为显著；剥落厚度一般在2 cm左右，最大厚度有3.4 cm。

③ 受火严重区域的混凝土呈现疏松状，在敲击时有小块混凝土剥落。

④ 受火严重区域有露筋，主要是横向的构造箍筋。

依据上述外观特征，结合表1可知，判断空心板受火严重区域的表面温度在850～1000 ℃。

综上，预计空心板在受火过程中的表面最高温度在900 ℃左右。

3 火损结构分析

3.1 分析方法

1) 首先进行温度场分析，并结合现场调研检测和参数分析结果，确定结构物表面最高温度或火灾高温持续时间。

2) 建立空心板空间模型，施加恒载下的各种作用(自重、预加力、二期恒载等)。

3) 在判定桥梁结构受高温的区域，将温度场分布作为温度梯度作用进行施加，不考虑温度梯度随时间和结构物受损而带来的变化，见图9。

4) 对应于不同温度处的材料，施加不同的材料性质，如强度、弹性模量、线膨胀系数、本构关系。

5) 考虑混凝土压碎和开裂特性带来的非线性及材料在高温下的非线性均在计算收敛上提出极高条件。

a)外表面局部b)剖面局部

3.2 混凝土受损分析结果

1) 空心板底板在受火区域的混凝土，自身被压碎；在压碎崩落之后新露出来的混凝土部分，因受到高温作用，其强度也会下降。

2) 混凝土强度在高温作用后难以恢复，该桥跨受火区域的空心板底板下缘4 cm厚度范围的混凝土强度受到较大影响。

3) 在火灾过程中，空心板内部(底板及腹板)极有可能出现裂缝。但该裂缝对结构安全性影响较小，一方面，在火灾结束后，会因梁体的冷却而封闭；另一方面，裂缝走向为纵桥向，非横向影响结构受力的裂缝。

4 承载能力极限状态评估

计算板梁火灾前后的极限承载能力，包括跨中截面的抗弯承载能力和支点附近截面的抗剪承载能力。依据现场检测结果及温度场分析结果，火灾前后结构承载能力的影响因素考虑如图10所示。

图10 火灾前后影响承载能力相关因素变化示意图(单位：cm)

由计算结果可知: 灾后空心板梁的抗弯和抗剪承载力均为灾前相应值的99%，可以认为火灾前后结构的极限承载能力基本没有变化。

5 正常使用极限状态评估

5.1 评估概要

选择受损严重的5#板(图2)，考虑受火损的结构情况如下：

1) 受火区域的底板纵桥向13 m下缘高4 cm范围的混凝土剥落，其区域不计抗力作用。

2) 受火区域的底板纵桥向13 m的底板(不计剥落的4 cm部分)，弹性模量折减为0.5，强度方面在下缘折减为0.69，上缘折减为0.9。

3) 荷载作用包括结构自重、预加力、二期恒载、混凝土徐变、车辆及人群荷载等。

4) 计算工况考虑：分析受火前与受火后2种状态。

5.2 受火后应力评定

统计火灾前后空心板的应力极值，并与容许应力比较，如表2所示。

由表2可得出以下结论：

1)受火后相比于受火前纵桥向正应力极值有较大的变化，受火之前全梁处于受压状态，应力范围为-10.9～-2.40 MPa；受火之后，顶板局部出现拉应力，底板压应力增加较大，应力范围为-14.2～0.40 MPa。

表2 空心板受火前后应力极值及评定MPa位置包络正应力极值混凝土强度受火前受火后标准值设计值顶板上缘上限-240040265183下限-779-667-324-224距底板下缘4cm上限-676-519183126下限-109-142-224-155注：正值表示拉应力；负值表示压应力。

2)受火之后，顶板出现0.4 MPa拉应力，未超过混凝土强度值。

3)受火之后，底板压应力最大可达到14.2 MPa，较为接近混凝土强度设计值15.5 MPa(受火后强度折减)。

5.3 受火后变形分析

空心板受火后，部分混凝土剥落和受火区混凝土弹性模量降低，会导致其刚度降低。图11为火灾对空心板变形的影响。

a)绝对变形

b)相对变形

由上图可知，受火后空心板的变形相比受火之前将上拱6～12 mm。由于空心板在横桥向是通过铰缝进行连接，实际空心板的上拱量将低于分析值，但是空心板的上拱将导致铰缝处的剪力增加。

6 结构火损综合评定

6.1 评定标准

在我国，关于火灾后结构物评估至今还没有相关的国家标准或规范。上海市1996年颁布了《火灾后混凝土构件评定标准》(DBJ08-219-96)，规定从承载力、裂缝、变形三方面对火灾后混凝土构件进行综合评定，并制定了相应的评定等级和标准，如表3所示。

表3 结构构件火损程度综合评定指标[11]受损程度评定指标①构件基本无受热挠度；②受损深度在10～15mm；一级(轻度损伤)③结构表面存在少量温度收缩裂缝，但不形成裂缝网；④表面混凝土颜色基本无变化；⑤混凝土强度在原强度的90%以上；⑥构件剩余承载能力在原承载力的90%以上①结构永久挠度未超过极限允许挠度；二级(中度损伤)②受损深度在15～30mm；③结构裂缝在03～10mm；④混凝土强度为原强度的70%～90%；⑤构件剩余承载能力为原承载力的70%～90%①结构永久挠度在极限允许挠度的2～4倍；②有小于1mm穿过构件受压区的垂直裂缝；三级(重度损伤)③受压区局部受损；④形成剪切斜裂缝；⑤混凝土强度为原强度的50%～70%；⑥构件剩余承载能力为原承载力的50%～70%①结构永久挠度在极限允许挠度4倍以上；四级(严重损伤)②受拉区有宽度达15mm的贯通裂缝或受压区有明显的破坏特征；③混凝土强度小于原强度的50%；④构件剩余承载能力小于原承载力的50%