铁路框架桥火灾后的试验研究与损伤评估

殷 涛

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)

高速铁路桥梁结构物安全至关重要，但在桥梁穿(跨)越车辆密集的城市道路交叉处，安全隐患较多，火灾就是发生概率最大、危害最严重的隐患之一。一旦发生火灾，将会造成铁路停运，损失巨大。因此，研究如何对发生火灾后的桥梁结构进行损伤评估，制定修复方案具有重要意义。本文以哈尔滨市长江路上一座2-18 m长度440 m的铁路框架桥火灾事故为案例，对火灾后的桥梁结构进行试验检测和损伤评估，并提出桥梁快速修复方案，供同类事故桥梁参考借鉴[1]。

1 火灾现场勘察

本次火灾事故发生于铁路框架桥第5～7节位置，造成第1～13节，共计273.45 m长桥梁过火，如图1所示。第5～7节烧损严重，桥梁顶板、边墙钢筋保护层和分布钢筋脱落，钢筋外露，混凝土脱落面积约630 m2。其中，第6节烧损最严重，顶板混凝土脱落面积超过70%，有一半钢筋下挠，顶板底脱落后露出的混凝土呈浅灰色，略显粉红，表面呈微细裂缝，锤击声音发闷，混凝土表面未留下锤击痕迹。在过火严重区域，桥内装修大理石板脱落，人行道栏杆严重扭曲变形。

图1 桥梁烧损范围平面示意图(m)

根据火灾后损坏严重程度，将烧损桥梁划分为3个区域，如图2所示。

图2 桥梁烧损程度区域平面示意图(m)

(1)受损严重区

分布钢筋 80 根下挠，有5%钢筋烧断，下挠范围为250～1 800 mm，下挠幅值大部分在50～1 000 mm，约40%纵向主筋严重弯曲。混凝土下缘保护层全部脱落。

(2)受损较重区

分布钢筋有38根下挠，下挠范围为150～400 mm，约15%纵向主筋弯曲。混凝土下缘保护层全部脱落。

(3)表面无损区

肉眼观察钢筋和混凝土表面，无明显损坏[2]。

2 火灾后桥梁试验研究

为探明火灾后桥梁结构性能的变化程度，确定能否修复使用，并制定修复方案，根据火灾现场勘查状况、结构损伤程度、火灾燃烧过程，确定火灾后桥梁试验内容包括：①混凝土强度检测(钻芯法、回弹法)；②碳化深度检测；③混凝土损伤厚度检测；④钢筋力学性能试验；⑤桥梁动载试验。

2.1 混凝土强度检测

2.1.1 钻芯法强度检测

在受损严重区域的第6节框架桥顶板混凝土上，用长200 mm膨胀螺栓固定仪器(固定不住仪器的部位进行植筋固定)。取芯位置选在结构受力小、混凝土烧损严重脱落区[3]。取芯前，先测量取样点位置，然后用钻芯机钻孔取样，芯样取出后应马上干燥，并迅速送至试验室进行抗压强度试验。试验过程如图3～图5所示，芯样检测值，如表1所示[4]。

图3 取出芯样

图4 芯样加压

图5 芯样试验后

在第5节、第7节框架桥顶板混凝土上，选取受损较重区进行取芯，试验方法与第6节框架桥相同，芯样检测值，如表2所示[5]。

表1 第6节框架桥钻芯法检测值

表2 第5节、第7节框架桥钻芯法检测值

从表1、表2可以看出，火灾后，混凝土强度明显降低，多处低于设计强度(设计混凝土标号为C40)，其原因在于火灾中，高温使混凝土骨料体积膨胀，而胶凝体受热发生分子脱水化学反应后收缩，两者变形的不协调造成混凝土开裂、酥碎、脱落，未脱落混凝土强度降低。

2.1.2 回弹法强度检测[6]

对第5～7节框架桥混凝土脱落区、影响区及未受影响区域的混凝土采用回弹法检测强度，以此推断火灾引起的混凝土质量衰退区。用ZC3-A型混凝土回弹仪选取300个测点进行检测，结果显示测量强度均低于混凝土强度设计值，且较取芯强度更低，其原因在于回弹仪仅能测量距表面15～20 mm 厚度范围内的混凝土强度，而火灾致使混凝土外侧强度值低于内侧。表明火灾后混凝土强度不合格。

2.1.3 碳化深度检测

对第6节框架桥，在烧损严重区、较严重区和未受影响区选取回弹测区的30%进行碳化深度检测，检测结果如表3所示。

表3 第6节框架桥碳化深度检测值

从表3可以看出，烧损严重区的混凝土保护层碳化深度均值已达8.5 mm。

对第5节、第7节框架桥，选取取芯后的芯样进行碳化深度检测，检测结果如表4所示。

表4 第5节、第7节框架桥碳化深度检测值

从表4可以看出，其碳化深度均值在5.0～5.5 mm之间。

2.1.4 损伤厚度检测

采用超声法检测混凝土损伤强度。在火灾受损严重和较严重区混凝土脱落处选取若干测位，将表面打磨平整，将发射探头固定不动， 将接收探头沿一直线，按两探头内侧边缘间距分别为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm、40 cm布置，每个测位取6个测点，读取两探头在混凝土中的声时值进行计算，以此确定混凝土表面损伤层厚度。对测试数据进行分析，得出火灾主要影响区混凝土表面损伤层厚度为10～20 mm。

2.2 钢筋拉伸试验

火灾使钢筋的性能发生变化，其结果直接影响到桥梁结构的承载能力，因此，确定钢筋的材料性能是试验研究的一项重要工作。从第6节框架桥顶板底抽取烧损后的6组φ20钢筋，选取2组弯曲钢筋进行拉伸试验。试验结果如表5、表6所示。选1组钢筋进行接头试验(断裂位置在非焊接段)，试验结果如表7所示。

表5 受损严重区钢筋拉伸试验结果

表6 受损较重区钢筋拉伸试验结果

表7 受损较重区焊接钢筋拉伸试验结果

从表5可以看出，烧损严重区的钢筋屈服强度小于标准强度335 MPa,钢筋强度不合格。其原因在于钢筋外层混凝土在烈焰的灼烧下脱落，裸露的钢筋在高温下分子晶格结构发生变化，造成了屈服强度的降低。从表6、表7可以看出，受损较重区的钢筋强度虽合格，但火灾已使钢筋性能明显降低。

2.3 桥梁动载试验[7]

为确定火灾后桥梁结构的整体性能，选取烧损严重的第5节、6节框架桥进行动载试验。试验列车2列，试验加载机车车辆编组每列按DF7调车机(轴重22.5 t)+2辆C70重车(自重+载重93.8 t)+2辆C70空车(空重23.8 t)，编组试验列车速度等级分别为5 km/h、10 km/h、15 km/h。先进行5 km/h准静载试验，再进行10 km/h、15 km/h动载试验。在编组试验列车作用下，对烧损后桥梁顶板主筋受力、顶板挠度进行测试，以评价桥梁承载能力。

对理论分析和试验检测的桥梁应力和挠度值进行分析，得出试验结果：(1)火灾导致桥梁顶板受力状态发生改变，钢筋变脆、韧性变差，保护层大面积脱落，顶板钢筋与混凝土粘接破坏，分布钢筋脱落悬空，混凝土表面强度降低，但主筋没有失去作用，桥梁整体结构的性能尚好。(2)桥梁顶板主筋的静载总应力满足设计容许应力和检定容许应力限值的要求。(3)桥梁顶板主筋的挠跨比满足《铁路桥梁检定规范》第10.0.3条通常值和设计规范1/800的要求。应力和挠度的检测波形，如图6、图7所示。

图6 应力测点时域波形图

图7 挠度测点时域波形图

3 火灾后桥梁结构分析

对第6节框架桥，建立空间有限元分析模型进行研究，边界条件为桥梁顶板主筋两端锚固，X轴方向节段长25 m，Y轴方向单孔跨度为22.202 m，火灾前顶板厚1.25 m，火灾后板厚为1.15 m(支撑平行于X轴)，对比分析结构跨中截面主要受力钢筋的应力变化。火灾后顶板结构内力，如图8、图9所示。

图8 桥梁火灾后Mxx 弯矩

图9 桥梁火灾后Xx面应力

从对比分析结果可以看出，桥梁结构受损后，钢筋应力发生了较大变化，但顶板主筋两端锚固程度良好，主筋仍发挥抗拉作用，说明火灾后桥梁结构仍有使用价值，因此，可对第5～7节框架桥烧损的混凝土和钢筋进行修复加固处理。

4 火灾后桥梁损坏评估及修复方案[8-11]

4.1 桥梁损坏等级评定

根据混凝土损伤检测和钢筋拉伸试验、桥梁动载试验等结果，结合现场勘察的混凝土颜色变化、灼烧损伤、变形开裂、脱落程度等情况以及桥梁结构建模分析结果，最终评定桥梁混凝土损坏等级为Ⅲ级，按照《铁路桥隧建筑物状态评定标准》，梁体碳化等级为AA级。

4.2 修复方案

火灾后，桥梁结构整体性能尚好，可继续使用，但顶板、边墙局部受损严重，从安全性和耐久性方面考虑，须进行修复加固。

为确保烧损桥梁快速修复，建议方案是凿除混凝土受损严重区和受损较重区20 cm，表面无损区10 cm(具体深度根据现场实际情况略有调整)进行加固处理，加固范围适当外延。对受损严重区和受损较重区烧损的横向分布钢筋，进行拆除后补筋，按照检算后的设计位置绑扎钢筋，同时辅以植筋技术相配合，植筋锚固到混凝土中的深度、间距，需经检算确定。为保证钢筋与混凝土的充分粘结，采用高强无收缩灌浆料修复混凝土。对混凝土表面无损区，建议先采用粘贴碳纤维布补强，再涂刷表面防火涂料。

5 结论

本文通过对火灾烧损的铁路框架桥进行现场勘察、试验检测、结构建模分析研究等，得出以下研究结论：

(1)查清火灾后桥梁结构的过火长度和烧损范围，划分损伤区域，探明各区的破坏程度，是进行损伤评估的基础。

(2)开展混凝土损伤检测、钢筋拉伸试验、桥梁动载试验和结构建模分析，对桥梁结构碳化等级(AA级)、混凝土损坏等级(Ⅲ级)和桥梁整体性能进行评定，是合理制定桥梁修复方案的依据。

(3)采用灌浆料、碳纤维布和防火涂料等新材料，是被损伤桥梁快速、安全修复的保证。

该桥重新投入使用至今，桥梁结构使用正常。本文研究成果可为我国同类型烧损桥梁的检测和修复设计提供借鉴。