双柱式桥墩受火损伤后受力性能评估及加固

陈 云

(广东省高速公路发展股份有限公司佛开分公司，广东 佛山 528000)

0 引言

佛开高速公路龙山跨线桥运营桩号为K74+092，桥长927.28m，原为双向四车道，扩建完成后为双向八车道，左右幅分离设置，各55跨。上部结构形式有钢筋混凝土简支T梁、预应力混凝土连续箱梁以及预应力混凝土简支空心板；下部结构为单柱或双柱式桥墩，座板式桥台；桥面铺装为混凝土桥面铺装，支座为板式橡胶支座。旧桥于1996年12月建成通车，扩建桥于2012年12月通车。旧桥设计荷载等级为：汽-超20，挂-120；扩建桥荷载等级为：公路-I级。

2018年1月1日20:50，龙山跨线桥旧桥L14-1#立柱底部及附近区域发生火烧事故，产生火灾的燃烧物为生活垃圾和部分废弃家私(含有海绵)，火灾持续时间不明确，墩柱受到了一定程度的损伤。桥墩构造如图1所示。

图1 龙山跨线桥旧桥L14#桥墩构造 (单位:cm)

1 桥墩受火损伤后的病害

1.1 外观状况

从现场状况来看，火灾主要影响范围为L14-1#立柱内侧、广州侧自地面起约2m高的区域，混凝土表面局部剥落、空鼓。具体表现：

(1)L14-1#立柱内侧面混凝土剥落露筋，A=0.75m×1.90m，深度9～16cm，其中广州侧边缘混凝土剥落约16cm且露筋，开平侧边缘混凝土剥落约9cm。局部混凝土烧伤后呈浅灰白色，敲击受影响区域无异响。根据混凝土表面颜色、破损剥落、锤击反应等推断：剥落前混凝土表面温度约900℃；剥落后混凝土表面温度约300℃，剥落后混凝土面损伤深度约1～2cm。

(2)L14-1#立柱广州侧局部混凝土剥落，A=0.16m×1.9m，深度约1～2cm，局部混凝土烧伤后呈浅灰白色。敲击未剥落区有异响，面积为A=0.68m×1.9m。根据混凝土表面颜色、裂损剥落、锤击反应等推断：剥落前混凝土表面温度约900℃；剥落后表面温度约300℃，剥落后混凝土面损伤深度约1～2cm。

(3)L14-1#立柱开平侧受影响面积较小，仅靠近内侧面边缘混凝土剥落，A=0.3m×1.9m，其它位置敲击后无异响。

(4)根据火烧后混凝土剥落的面积推断，剥落处截面折减后约为86%。

病害情况如图2～图4所示。

图2 病害情况

图3 L14-1#立柱病害

图4 L14-1#立柱横截面病害

1.2 碳化深度检测结果

对旧桥L14-1#墩柱烧伤区域和非烧伤区域进行碳化深度检测，检测结果见表1。表明：

(1)烧伤区域混凝土剥落后混凝土表面无碳化；

(2)表面正常区域、表面熏黑但混凝土未剥落区域、敲击异响区域的碳化深度为13～20mm。

通过数据对比分析，该次火烧事故对L14-1#墩柱混凝土碳化影响较小。

表1 碳化深度检测结果

1.3 混凝土强度检测结果

对L14-1#、L14-2#立柱抽芯，进行混凝土抗压强度测试。立柱混凝土强度设计标号为25#，测试结果见表2。

(1)L14-1#立柱烧伤区域混凝土抗压强度推定值为38.1MPa；

(2)L14-2#立柱无烧伤区域混凝土抗压强度推定值为39.3MPa。

结果表明，墩柱受火后烧伤区域的混凝土的抗压强度相对于损伤前变化不大。

表2 钻芯法混凝土抗压强度试验结果

2 桥墩受火损伤后的受力性能计算评估

2.1 计算评估思路及依据[1-2]

通过对比受火损伤前后墩柱的偏压承载能力及偏压裂缝宽度的方式，评估桥墩受火损伤后的受力性能。计算评估过程中的常规计算参数按原设计进行取值，但受火损伤后桥墩主要材料及截面特性的变化按以下考虑。

2.1.1 混凝土材料特性的变化

根据钻芯法混凝土强度测试结果，L14-1#墩柱烧伤区混凝土测试强度为38.1MPa，L14-2#墩柱无烧伤区为39.3MPa，均大于设计强度，可按原设计25#混凝土的强度进行验算。

2.1.2 普通钢筋材料特性的变化

根据检测结果，L14-1#墩柱广州侧混凝土剥落2cm后表面温度达到300℃，推断主受力钢筋处温度达300℃。

依据《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS 252：2009)附录F.0.1-2[3]，按照温度300℃高温冷却后对普通钢筋取强度折减系数0.95。

2.1.3 墩柱截面特性的变化

L14-1#墩柱横桥向内侧混凝土最大剥落厚度为16cm，顺桥向广州侧最大剥落厚度为2cm，且剥落后混凝土面均损伤约2cm。按以上对墩柱截面进行折减，折减后横桥向为77cm，顺桥向为71cm。

2.2 计算评估对比结果

建立墩桩计算模型，下部约束为模拟土弹簧。结构计算模型如图5所示。

图5 结构计算模型

2.2.1 承载能力极限状态

墩柱关键截面的抗弯承载力验算结果见表3。验算结果表明，墩柱抗弯承载力满足规范要求。L41-1#墩柱受火损伤后，损伤截面处抗弯承载力较大降低，富余度仅为2.5%。

表3 墩柱关键截面抗弯承载力验算结果

2.2.2 正常使用极限状态

墩柱关键截面裂缝的验算结果见表4。验算结果表明，L41-1#墩柱受火损伤后，损伤截面处计算裂缝宽度有所增大，但依然满足规范要求。

表4 墩柱关键截面裂缝验算结果

3 加固方案及效果分析

3.1 加固方案

受火损伤后L14-1#墩柱混凝土最大剥落深度为16cm，部分位置露筋，且受火损伤后抗弯承载力出现较明显下降，富余度仅为2.5%。针对结构病害，常规的做法是采用增大截面的方式进行处理，提高墩柱承载能力，增大墩柱刚度。具体方法为：凿除墩柱烧伤部位表面松散的混凝土，直至露出新鲜坚硬的混凝土骨料；对墩柱相应位置植筋，并绑扎钢筋笼，支模浇筑C40混凝土。对L14-1#墩柱截面增大15cm厚，加固后墩柱截面尺寸为135cm×105cm。

图6 墩柱加大截面构造(单位：cm)

3.2 加固效果分析[4-5]

3.2.1 承载能力极限状态

墩柱关键截面抗弯承载力验算结果见表5。验算结果表明，加固完成后，承载能力极限状态下，墩柱抗弯强度满足规范要求。原截面损伤处抗弯承载力富余度达220.8%。

表5 墩柱关键截面抗弯承载力验算结果

3.2.2 正常使用极限状态

墩柱关键截面裂缝验算结果见表6。验算结果表明，L41-1#墩柱加固完成后，正常使用极限状态下，墩柱裂缝验算宽度满足规范要求。

表6 墩柱关键截面裂缝验算结果

3.2.3 验算结论

加固后的验算结果表明，采用加大截面法对墩柱进行加固后，墩柱的偏压承载能力和偏压裂缝计算宽度相对于受火损伤后均有较大的改善，结果均能满足规范要求。

4 结语

钢筋混凝土结构受火损伤可导致混凝土强度、钢筋强度及截面有所损失，采用加大截面法进行加固，能有效地提高截面的承载能力。