预应力小箱梁火灾后检测评估与加固设计

王 凯，程永黎

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081；2.朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350)

近年来，桥梁结构遭受火灾的事故逐年增加，不仅对桥梁结构造成不同程度的损伤甚至破坏，而且危及正常的交通运营，其后果严重，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。桥梁火灾是偶然发生的，当前国内对其研究起步较晚，远不如对其它偶然作用(地震、船舶或汽车撞击、风等)所作的研究。目前对于桥梁火灾后的检测评估与加固设计的研究资料较少，因此，了解火灾对桥梁的损伤机理，结合现有检测手段对火灾后桥梁损伤程度及时检测评估很必要，可为桥梁的维修加固提供可靠的理论支撑[1-3]。

1 火灾后桥梁检测评估内容

①桥梁历史现状调查；②火灾现场情况调查；③结构表观受损检测；④混凝土强度检测；⑤钢筋力学性能检测；⑥桥梁预应力损伤，可通过静载试验得到，试验宜分6～8级进行加载，第1级荷载效率宜从0.25左右开始；⑦支座烧损情况调查；⑧桥梁的线形及动力特性测试；⑨通过混凝土构件的微观分析，确定相应的火灾温度和构件表面的灼烧温度[4]；⑩通过对损伤后的桥梁结构按规范[5]进行检算，综合判断火灾后桥梁承载能力。

2 某高架桥火灾后检测评估

2.1 工程背景

某高架桥北行33#—36#墩桥跨上部结构采用30 m 预应力混凝土简支箱梁，单幅桥横向布置6片梁，梁体采用50号混凝土。下部结构采用双柱式桥墩，桩基础。支座采用矩形板式橡胶支座。桥面宽16.5 m，车道布置为：(0.50+2×3.75+2×3.50+0.50)m。单幅桥梁横断面布置见图1所示。设计及验算荷载：城-A级。

图1 桥梁横断面布置(单位：cm)

2015年9月1日上午，高架桥北行33#—35#墩桥下仓库失火，导致上部结构梁底出现烧伤。桥下仓库内主要燃烧物为绘画用颜料、木材及纸张。现场调查结果表明南北行34#—36#跨梁体均存在不同程度被油烟覆盖的现象，北行第35跨结构受火较为严重，受火影响范围见图2所示。

图2 结构物受火影响范围

2.2 结构烧灼损伤状况调查

1)上部结构调查。①北行35跨2#至6#梁体腹板表面存在被油烟覆盖的现象，目前油烟覆盖的腹板表面未发现存在裂缝网络，混凝土锤击声音清脆，未见酥松或脱落现象。②2#至6#梁火源正上方底板、腹板、翼缘板表面存在大面积混凝土剥落现象。通过对剥落区域内残留混凝土或剥落区域边缘进行敲击，声音发闷，混凝土进一步出现塌落现象，剥落边缘混凝土呈灰白色。腹板混凝土平均剥落厚度在2 cm左右，最大剥落厚度为4 cm。③敲掉梁体表面松散层后未见有网状裂缝，2#至6#梁底板混凝土保护层均已出现不同程度的剥落现象，两根纵向钢筋已悬空外露，见图3。3#梁、4#梁底板混凝土剥落区域箍筋底面外露。

图3 底板混凝土剥落露筋

2)支座调查。位于主火源影响区的第35跨34#，35#墩支座及位于次生火源影响区的第34跨33#墩支座棱角均已呈粉状，部分支座棱角处已烧焦碳化，但支座未见整体鼓包或软化现象。

3)下部结构调查。检查发现33#—36#墩表明均覆有不同程度的油烟，盖梁表面原涂装层已卷曲并同混凝土剥离，但未见混凝土网格状开裂，敲击声音清脆，未见酥松剥落。

2.3 材料强度测试

选取受火烧灼损伤较为严重的第35#跨3#—5#梁沿纵向对梁端、近火区、混凝土剥落边缘、剥落区域分别进行了强度测试，测试结果表明受火区混凝土强度较周边混凝土强度有所下降。

在距34#墩侧14 m处选择受火灼伤较为严重的4#梁及5#梁底板及腹板进行抽芯，抽取芯样较为完整，芯样沿长度方向色泽层次不明显。4#梁底板及腹板抽芯处混凝土抗压强度为38.4，44.3 MPa，5#梁底板及腹板抽芯处混凝土抗压强度为44.9，50.1 MPa。实测结果表明混凝土抗压强度已不满足50号混凝土对抗压强度要求。

选择3#梁及5#梁悬空的底板纵向钢筋进行取样，钢筋强度测试结果表明钢筋拉伸后断口有明显颈缩，钢筋在过火后屈服强度、极限强度、屈强比及伸长率均满足规范要求。

2.4 桥面线形测试

图4 桥面恒载3#—6#梁线形测量结果

桥面线形的变化在一定程度上能够反映出结构的内力变化。选择火烧跨及正常跨就各梁的桥面线形进行测试，各片梁纵向按四分点布设测点。桥面恒载3#—6#梁线形测试结果见图4。可知，该桥火烧跨4#—6#梁梁体线形均存在一定下挠。

2.5 静载试验

选择烧灼严重的第35跨(火烧跨)3#—6#梁开展荷载试验工作，同时选取第31跨(正常跨)相同梁体开展对比测试。测试结构在试验荷载作用下的截面的抗裂性、刚度状况、截面沿结构高度分布及中性轴状况。

采用4辆42 t三轴泥头车进行加载。对正常跨采用4级加载、1级卸载的方法进行；对火烧跨，为确保试验过程中的安全，详细把握结构响应随荷载效率的变化关系，采用6级加载、1级卸载的方式进行。静载试验结果见表1。

表1 静载试验结果

3 加固设计

3.1 结构受力检算

采用桥梁博士3.03建立模型对北行第35跨上部结构进行计算分析。受火损伤后，梁体主要材料及截面特性的变化按以下要点考虑：①混凝土材料特性的变化。根据钻取芯样混凝土抗压测试强度，3#—6#梁梁体下缘混凝土强度按36号混凝土进行折减。根据荷载试验的结果进行推算，3#—6#梁梁体底板混凝土弹性模量为50号混凝土的0.5倍。②梁体截面特性的变化。根据梁体烧伤的实际状况，对1#梁、2#梁体的断面尺寸不进行改变；对3#梁、5#梁、6#梁单侧腹板厚度折减2 cm，底板厚度折减3 cm；对4#梁双侧腹板厚度折减2 cm，底板厚度折减3 cm。③普通钢筋材料特性的变化。根据标准[6]附录F.0.1-3混凝土水冷却后抗压强度折减系数表格进行推算，底板混凝土内部的实际温度已达到270 ℃,根据文献[6]附录G.0.1-2，按照温度270 ℃高温冷却后对普通钢筋取强度折减系数0.95。④预应力钢筋材料特性的变化。高温后预应力钢筋条件屈服强度折减建议值为0.946(在300 ℃)，弹性模量可不进行折减。

火灾后桥梁检算结果见图5。可知，火损后开放交通状态下各梁承载能力有所下降，各梁正常使用极限状态下跨中下缘有约0.5 MPa的压应力储备。虽能满足规范要求，但富余度较低，建议维持目前限行状态并及时进行加固处理。

图5 各梁跨中截面检算结果

3.2 维修加固内容

1)对烧伤相对较为严重的北行第35#跨梁体混凝土烧伤部位，凿除表面松散混凝土，清洗干净后，灌注环氧灌浆料进行修复。

2)对火烧严重的第35跨3#—6#梁片烧伤部分16.2 m范围内粘贴U型钢板加固，钢板采用8 mm Q345B级钢板，采用灌注法粘贴。

3)对35跨34#, 35#墩支座及34跨33#墩被火烧伤支座顶升更换。

4)对第34—36跨范围内被烟熏黑部位采用高压水冲洗的方式进行表面清洁，处理范围包括梁体、横隔板、盖梁及墩柱。

3.3 加固后计算分析

对3#—6#梁进行粘贴钢板加固，3#—6#梁正截面抗弯承载力和弯矩组合值见表2。计算结果表明，加固后3#—6#梁正截面抗弯承载力均有较大的提升，抗弯承载能力相对于火损后承载力提升21.13%左右，梁体承载力有较大的改善。

表2 跨中截面承载能力极限状态正截面抗弯强度kN·m

4 结语

1)受火后结构材料强度均有所下降，混凝土强度下降最为明显。

2)火灾损伤后桥梁的实际承载能力会有所降低，静载试验宜分6～8级进行加载，第1级荷载效率宜从0.25左右开始。

3)在试验荷载作用下火烧跨关键截面底缘受力及跨中梁体挠度较正常跨均有明显增加，推断与结构受火灼伤后截面削弱及混凝土弹性模量下降有关。

4)梁体受火灼伤后，结构实际受力已偏离初始设计状态，结构实际受力接近于按同时考虑截面损伤和底板混凝土弹性模量的降低(降幅50%)的状态。

5)结合检测评估结论，在结构预应力损伤不大的情况下采用粘贴钢板法对火灾后桥梁进行加固可有效提高梁体承载能力。

[1]奚勇.火灾受损桥梁的检测与评估[J]．世界桥梁，2007(4)：62-65.

[2]周成才,伍建强,程功.预应力混凝土梁桥受火灾后快速评定及修复技术研究[J].铁道建筑，2017,57(2):38-41.

[3]冯明扬，刘世忠，黄俊豪，等.某PC梁桥火灾后损伤评估及加固设计[J].铁道建筑，2015,55(11):27-29.

[4]蔡正东，彭旭昆，黄清.混凝土梁桥火灾后检测评估研究[J]．世界桥梁，2014(6)：74-78.

[5]交通运输部公路科学研究院.JTG/T J21—2011 公路桥梁承载能力检测评定规程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[6]中冶建筑研究总院有限公司.CECS 252：2009 火灾后建筑结构鉴定标准[S].北京：中国计划出版社，2009.