预应力混凝土梁桥过火后破坏模式

甘亮丁 王力波 郝朝伟

(1.广东梅平高速公路有限公司 广东梅州 514700; 2.吉林省交通科学研究所吉林长春 130021; 3.交通运输部公路科学研究院 北京 100088)

预应力混凝土梁桥是国内最广泛使用的桥梁类型之一，因其卓越的力学性能和便捷的建造工艺而在江、河、峡谷等各种地形中得到广泛应用。近几十年来，我国交通行业迅速发展，桥梁作为交通网络不可或缺的组成部分，一旦受到损害，会导致整个交通系统瘫痪，尤其是在城市交通系统中，造成的损失是不可估量的。火灾通常被定义为由不可控制的时间和空间内的燃烧所引发的灾害或损害[1]。随着社会生产力的提高，社会财富的不断增加，火灾损失的上升和火灾威胁范围的扩大是一个客观趋势。现实表明：火灾是当今世界上发生频率较高的多发性灾害之一[2-3]，也是时间和空间跨度最广泛的灾害之一。美国纽约和加利福尼亚州的交通运输部于2008 年进行了一项桥梁坍塌事故的调查，汇总了1 746起桥梁事故垮塌的案例。研究结果揭示了一个显而易见的事实：火灾是导致桥梁坍塌事件发生的原因之一，其发生率是地震导致桥梁坍塌事件的3倍多。这一高比例迫切凸显了对桥梁结构火灾研究的重要性和必要性。

随着科技进步和生产技术提升，我国公路和铁路建设中，预应力混凝土梁桥的质量和数量持续提高。另一方面，随着生活水平的改善，截至2019年6月，全国机动车总数已达3.4亿辆[4]，并保持7%左右的年增长率，燃料和危险品运输也日益频繁。另外，近年来我国大力发展新能源汽车，新能源汽车的产业发展成为汽车行业的新向导。到2019 年6 月，我国新能源汽车存量已达344万辆，占总数的1.37%。与此同时，新能源汽车的事故率也不断上升，仅2019年前8个月，我国新能源汽车就发生40多起燃烧事故。此外，某些地区居民常在公路桥洞下堆积易燃物，或从事较危险的社会活动（如市场等）。由于这些不利因素，桥梁火灾发生率逐年上升，对桥梁结构造成不可忽视的损害，甚至导致部分或完全坍塌，给桥梁管理和运营带来巨大压力。根据国内2012—2015年部分桥梁火灾案例统计[2]，混凝土梁桥占事故总数90%以上，主要是预应力混凝土桥。

近年来，国内外学者专注于研究预应力混凝土结构的独特特性，开展了较多的抗火研究，多集中于材料性能热工性能，有效预应力损失机理、缩尺后构件抗火试验及整桥数值模拟分析。本文结合在役桥梁真实过火后的材料性能试验和数值模拟研究过火后预应力混凝土梁破坏机理，以期为此类桥梁的抗火实用设计方法及其维修加固等后续养护提供决策依据。

1 工程概况

空心板半平面图及配筋示意图如图1和图2所示，混凝土强度C50，底板14根钢束，有效长度详如表1所示，每根预应力钢束型号为6ΦJ15.2，净保护层厚度为49.4 mm。根据外观检测结果，空心板梁腹板损伤较轻，火灾过程中未受火源直接灼烧，抗剪承载能力几乎未受影响。

图1 空心板半平面图和半立面图

图2 空心板配筋图

2 材料参数

利用频率法测试过火后空心板有效预应力。频率法测钢绞线（索）永存应力的主要因素是边界和抗弯刚度。为减小这些影响，对选取的钢绞线进行两次现场测试。测试时，钢绞线长度L为1.1 m，然后从梁板上取下并用拉力试验机测试，以修正现场测试结果。测试结果如表2所示。

表2 有效预应力测试结果 （单位：MPa）

按照相关文献的要求，进行桥梁上部结构混凝土强度和弹性模量试件的现场取样工作。芯样尺寸为直径70 mm、高度70 mm的圆柱形试样，长径比为1.0。测试结果如表3所示。

表3 混凝土强度试验结果 （单位：MPa）

钢绞线力学性能的试验按照《预应力混凝土用钢材试验方法》（GB/T 21839-2019）[5]的有关规定进行，取样长度l=0.5 m。测试结果如表4所示。

表4 钢绞线屈服强度试验结果（单位：MPa）

钢筋的屈服强度、抗拉强度和弹性模量等性能都可以通过拉伸试验获得，拉伸试验按照《金属材料拉伸试验 第1 部分:室温试验方法》（GB/T 228.1-2021）[6]进行。试验现场取样长度l=400 mm，测试结果如表5 所示。由表5可知，光圆钢筋（箍筋）强度略有提高，2#梁光圆钢筋强度相对于1#梁略有提高。

表5 光圆钢筋拉伸强度试验结果（单位：MPa）

通过材质试验知，因1#、2#梁箍筋强度变化很小，导致破坏模式不同的原因主要是以下4 个方面：有效预应力、受拉区混凝土强度、钢绞线强度及钢筋（钢绞线）与混凝土黏结力。拟通过数值模拟深入分析。

3 有限元模型

利用大型通用有限元软件ANSYS 10.0 建立过火后空心板模型，采用SOLID65 单元模拟过火后混凝土力学行为，LINK8单元模拟过火后的钢筋及钢绞线（与混凝土的黏结滑移未考虑，预应力通过降温施加）的力学行为。混凝土应力-应变模型采用随动硬化法，用于非线性分析。张开裂缝剪切传递系数为0.7，闭合裂缝系数为0.95，均基于经验和试算。单轴应力-应变综合了Hognestad 和GB 50010-2010 标准。过火后钢绞线采用BISO 模型考虑强化效应。普通钢筋以固定配筋率分布到混凝土单元中，避免应力集中。加载点和支座处弹性模量为混凝土的100倍。六面体映射网格划分，总计5 918个单元和8 266个节点，有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

根据相关标准和研究[7-9]可知：预应力钢绞线的弹性模量小于700 ℃时，变化不大，当达800 ℃以后，有所下降，试验梁保护层厚度3 cm，能够对钢绞线起到较好保护作用，确保在1 000 ℃温度场中，钢绞线温度低于800 ℃，即高温冷却后钢绞线弹性模量基本不降低，实测高温后的弹性模量同样也证明钢绞线弹性模量基本不变。有研究表明：钢绞线高温后有限预应力、抗拉强度均与过火温度呈正相关，均随着过火温度升高而降低或减少[10-11]。综合以上因素，采用计算工况如表6 所示，表中混凝土抗拉强度采用与立方体抗压强度回归公式换算而来。

表6 计算工况 （单位：MPa）

4 机理分析

提取各工况接近破坏时的主拉应力及钢绞线应力结果分别如图4、图5所示。

接近破坏时，工况A 和工况D 在四分之一跨的主拉应力小于跨中；工况B 和C 四分之一跨处的主拉应力与跨中基本接近，尤以工况C 四分之一跨处应力梯度更为明显，极易导致裂缝宽度加大。对比工况A 和D 知，受拉区混凝土强度降低不是造成空心板过火后抗弯承载能力破坏机理改变的主要原因；接近破坏时，工况A 和工况B 的钢绞线均已屈服，但工况B 钢绞线屈服强度仅为工况A 的76.3%，所提供于弯剪区的轴压力降低明显，严重降低抗剪承载力。对比工况A、B、C 可知，造成破坏机理改变的主要原因是有效预应力减少和钢绞线强度降低。有效预应力降低或钢绞线提前屈服，导致能阻滞斜裂出现和开展的轴压力降低，减少了混凝土剪压区高度，从而降低混凝土所承担的抗剪能力；混凝土的斜裂缝长度有所缩短，也降低了斜裂缝内箍筋的抗剪能力。

5 结语

以在役高速公路桥梁真实受火后拆除的预应力混凝土空心梁为样本，对其进行材质试验、数值模拟和理论分析，研究了先张法预应力空心板过火后破坏模式，结论如下：（1）随着火灾灼烧程度的加重，预应力空心板梁发生剪切破坏的概率较纯弯破坏逐渐增大；（2）有效预应力及钢绞线强度的降低是造成过火后空心板破坏模式改变的主要原因；（3）先张法预应力空心板过火后评估应采取有效手段测试有效预应力，以便准确计算剩余承载能力。