火灾后桥梁受损状态及结构性能评估

2018-03-21杜含辰

福建交通科技 2018年1期

■杜含辰

（新疆交通科学研究院，乌鲁木齐 830000）

0 引言

高速公路是区域经济发展的命脉，而桥梁作为高速公路跨越江河峡谷的重要连接线，在缩短交通运输距离中发挥着巨大作用[1-4]。由于高速公路交通量以及油气资源的运输量的激增，一旦发生交通事故引发火灾，将给桥梁结构安全带来极大地危害[5-6]。桥梁结构大多为钢筋混凝土结构，在火灾高温影响下，材料性能迅速退化，结构损伤严重，直接降低了桥梁结构安全可靠性和稳定性[7-8]。

本文以新疆吐和高速公路无名沟8号中桥火灾事故为例，通过现场调查方法，分析桥梁结构在发生火灾事故后的结构受损状态，并给出相应的建议措施。结合有限元分析模型，对火灾后桥梁结构的正截面抗弯承载能力、裂缝宽度及扰度进行评估，为该桥梁的维修加固提供指导意见。

1 桥梁火灾事故

无名沟8号中桥是位于新疆吐和高速G3012线下行线K79+926处的一座钢筋混凝土连续板梁桥，如图1所示，跨径组合为3×16m。桥梁全宽12.75m，桥梁横向布置：11.75m（行车道）+2×0.5m（防撞护栏）。上部结构为整体现浇钢筋混凝土实心连续板梁，板厚70cm，高跨比约1/22.9，下部结构采用双/柱式墩，U型桥台，基础均采用扩大基础。桥梁各部位主要材料：现浇箱梁为40号混凝土，桥墩盖梁、桥台台帽、盖梁采用30号混凝土，墩身、防撞护栏、侧墙帽采用25号混凝土，基础采用20号混凝土，本桥基础为扩大基础。钢筋采用R235和HRB335型钢筋，设计荷载为：汽车-超20，挂-120级。本桥中心点桩号K205+694m，全桥位于弯曲半径125m的圆曲线上，桥面纵坡2.98%。

2016年4月15日20:30分左右，一辆原油运输罐车经连续下坡，车辆失控，随后撞击库米什岸桥头引道处左侧防撞墙，并发生侧翻，随即车辆滑入到该桥第三孔，同时车辆起火，原油泄漏并燃烧，致使桥下墩台、板梁底板等多处受到不同程度损伤。

图1 桥梁侧面图

2 桥梁受损状态分析

2.1 桥面铺装

全桥桥面受火灾影响，沥青铺装层出现不同程度松散化和变色现象，其中第3跨烧灼程度最深，沥青料松散、无粘结力、呈灰白色，并伴有网状裂缝，如图2所示。用钢钎对该跨油罐车附近沥青混凝土桥面（厚度10cm）进行凿击，沥青混凝土酥松、易碎、易凿除。凿除沥青铺装层后，对板梁顶板进行敲击，发现顶板混凝土质地坚硬，强度并未受到大的影响。此外，受事故车辆原油泄漏的影响，经检查桥面大部分面积污染严重。桥梁铺装需要凿出，重新进行铺装。

图2 沥青铺装层受损

2.2 主梁

经检查发现，3跨连续板梁均存在不同程度的损伤，板梁边角部分混凝土松脆，个别板底混凝土脱落，板底混凝土被熏黑，受大火高温影响，部分区域的混凝土表面颜色发生改变，且混凝土表面存在网状裂纹，如图3所示，受损状况监测结果见表1。

图3 主梁受损

对于主梁受火灾温度影响下的结构变形，用精密水准仪进行测量，各跨跨中实测平均变形值：第一孔为8.98mm、第二孔6.90mm、第三孔7.65mm，均小于规范值（L/1000），说明桥跨结构没有明显下挠变形现象，桥梁线形未发生明显改变。

表1 桥梁板底混凝土受损情况表

检测结果可知，受高温影响，板梁底板表皮混凝土受损较大，局部区域混凝土有剥落现象。但因为混凝土为热传导率较小，板底内部混凝土的劣化并不大。

2.3 桥墩

受泄漏原油燃烧的影响，两个主桥墩受损程度较大，其中1#墩受损最为严重，也是整个桥梁里面受损最严重的地方，墩身表皮混凝土大面积脱落，内部钢筋露出（如图4所示），受损状况监测结果见表2。

图4 1#、2#主桥墩受损

表2 桥墩受损检查结果表

根据桥墩混凝土大面积剥落等现象，预计桥墩混凝土的过火温度超过800℃，对桥墩造成了严重的损伤，承载能力大幅度降低，急需加固以恢复其使用功能。

2.4 桥台

1#桥台距离起火地点较远，受到的影响相对较小，受损较轻。但2#桥台离起火地点较近，受损比较严重，特别是靠棱角的地方，混凝土都比较疏松、破碎，此外，受燃烧高温影响，挡块混凝土也受到严重烧伤，棱角混凝土破碎，需要重新更换，如图5所示。

图5 2#桥台受损

2.5 支座

受燃烧高温影响，本桥的橡胶支座受损也特别严重，存在橡胶熔化、位移等现象，部分支座垫石也发生高温爆裂现象，如图6所示。

图6 桥梁支座受损

2.6 其他附属结构

受燃烧高温影响，2#桥台上的橡胶伸缩缝破坏严重，橡胶被烧毁，伸缩缝内填满杂物，受肇事车辆的撞击，本桥3#桥台及引道防撞护栏被撞坏，部分管扶手经受高温及撞击造成表面灼伤、熏黑、脱落等，如图7所示。

图7 桥梁附属设施受损

3 结构性能评估

3.1 有限元分析

对无名沟桥桥梁检算采用手算结合有限元程序Midas Civil2015建立模型进行，在有限元建模过程中，纵向静力计算按平面杆系理论，主梁采用梁单元进行模拟，为了比较准确反映结构的受力情况，各个构件截面特性按照结构实际尺寸进行取值，并且结合截面特性进行结构离散。

结构计算分别对承载力极限状态和正常使用极限状态进行了全面的分析，得到了各个状态下的结构内力，其中荷载组合按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）进行。

结构计算模型反映了结构分阶段形成的特点、各重要工况下的结构特性及荷载状况。将全桥划分为68个节点，61个梁单元，28个弹性连接，28个边界条件，模型如图8所示。

图8 桥梁桥面有限元模型

3.2 正截面抗弯承载能力

由有限元计算模型得出全桥各跨加固前正截面抗弯承载能力计算结果如图9所示。火灾事故后对混凝土强度进行折减并按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第5.1.5条验算全桥各跨跨中截面各单元承载力抗弯极限状态基本组合强度计算结果如图10所示。

图10 各跨跨中各单元承载力弯矩抵抗图

从图7、图8可知，两边跨跨中位置截面本验算结构所有单元结构重要性系数×作用效应的组合设计最大值略大于构件承载力设计值，不满足规范要求。为保证桥梁的安全及耐久性，建议对部分构件采用预应力CFRP板进行加固以提高抗承载能力。

图9 正截面抗弯承载能力计算结果

3.3 裂缝宽度

在短期效应组合并考虑长期效应影响，第一跨控制截面的最大裂缝宽度0.2632mm，第三跨控制截面的最大裂缝宽度0.2612mm，结果见表3。按《公路桥涵设计通用规范》第6.4.1、6.4.2、6.4.3条，钢筋混凝土构件，在短期效应组合并考虑长期效应影响，裂缝宽度应满足Wfk≤0.2mm，因此，该桥的裂缝宽度不满足正常使用阶段的裂缝宽度限值。

表3 裂缝宽度验算结果表

3.4 挠度

按《公路桥涵设计通用规范》第6.5.5条，钢筋混凝土受弯构件在消除结构自重产生的挠度不应超过计算跨径的1/600（本桥允许最大挠度26.67mm）。第一跨自重作用下跨中最大挠度7.655mm，第三跨自重作用下跨中最大挠度7.645mm。全桥在荷载作用下最大挠度变形计算结果如图11所示，从图11可知，第一跨和第三跨的在荷载作用下的最大挠度分别为30.969mm、30.945mm。综合上述结果表明，该桥在自重作用下产生的扰度满足规范要求，但在全桥荷载作用下，扰度会显著增大，建议可采取加固措施，以提高结构刚度。