高寒地區(qū)鐵路地道橋火災(zāi)燒損后性能研究與加固技術(shù)

殷 濤

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司東北分院，黑龍江哈爾濱 150006)

2011年11月17日22時50分，哈爾濱市香坊區(qū)長江路鐵路地道橋內(nèi)，發(fā)生一起重大交通事故。一輛大貨車在長江路上由禧龍?zhí)沾墒袌鐾ぢ贩较蛐旭偅惠v小型汽車追尾直接沖撞、鉆進(jìn)前方正在行駛并滿載百余桶油漆、萬能膠、木門的大貨車，使大貨車所載物品燃燒爆炸(見圖1)。位置在距地道橋出口約120 m處，造成2幅18 m寬的長江路單幅封閉，交通停用。

圖1 地道橋內(nèi)火災(zāi)現(xiàn)場

長江路穿越煉油廠化工專用線地道橋中心里程為K0+977.4，凈寬2幅18 m，凈空5 m，雙向8車道，地道橋總長度440 m，是黑龍江省最長的地道橋，軸線與熱電2道鐵路線交角為54°10'。長江路為城市主干道Ⅰ級，設(shè)計行車速度60 km/h。地道橋上有熱電1道、2道、3道、化工走行線、煉油廠7道、農(nóng)墾1，2道、液化氣1，2，3道等共計10條鐵路專用線和廠內(nèi)消防通道。本次事故造成地道橋第1～13節(jié)計273.45 m長橋梁過火，其中，第5，6，7節(jié)地道橋頂板、邊墻鋼筋保護(hù)層和分布鋼筋脫落，內(nèi)部裝修大理石板材受損嚴(yán)重，見圖2和圖3。該項(xiàng)目性質(zhì)屬于專項(xiàng)搶險加固且需進(jìn)行特殊設(shè)計［1-4］。

圖2 燒損混凝土脫落后外觀

圖3 地道橋受損及過火范圍(單位:m)

1 地道橋損壞等級評定

1.1 荷載試驗(yàn)

試驗(yàn)列車為兩列，試驗(yàn)加載機(jī)車車輛編組:每列按DF7調(diào)車機(jī)(軸重22.5 t)+2輛C70重車(自重+載重93.8 t)+2輛C70空車(空重23.8 t)。編組試驗(yàn)列車的計劃速度等級為5，10，15 km/h。由于本橋上兩條線路距終點(diǎn)較近，按照實(shí)際情況確定試驗(yàn)列車在橋上的最高運(yùn)行速度為15 km/h。在編組試驗(yàn)列車作用下，對火災(zāi)燒損后橋頂板主筋受力以及頂板撓度進(jìn)行測試，以評價橋梁承載能力，見圖4。

圖4 熱電2道加載

經(jīng)試驗(yàn)檢測，地道橋頂板主筋的靜載總應(yīng)力滿足設(shè)計容許應(yīng)力和檢定容許應(yīng)力限值的要求;撓跨比滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》第10.0.3條的通常值以及設(shè)計規(guī)范1/800的要求。地道橋火災(zāi)后梁體保護(hù)層大面積脫落，主筋普遍裸露，分布筋脫落懸吊在半空失去作用，混凝土表面強(qiáng)度大大降低。碳化按照《鐵路橋隧建筑物狀態(tài)評定標(biāo)準(zhǔn)》，梁體劣化等級達(dá)到AA級，需盡快加固。

1.2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對第5，6，7節(jié)地道橋頂板底面燒損嚴(yán)重的部位取芯，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和碳化深度試驗(yàn)。取芯前，先測量取樣點(diǎn)位置，然后用混凝土鉆芯機(jī)鉆取芯樣，取樣后馬上干燥并迅速送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(見圖5)。試驗(yàn)結(jié)果表明:小直徑的芯樣離散性大，芯樣強(qiáng)度代表值均小于C40混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值40 MPa。碳化深度在5.0 mm左右，必須對第5，6，7節(jié)地道橋進(jìn)行加固處理。

圖5 鉆芯取樣編號

1.3 地道橋損壞等級評定

經(jīng)試驗(yàn)檢測:本次火災(zāi)使地道橋第5孔部分、第6孔整孔、第7孔部分嚴(yán)重?zé)龘p，第1～4節(jié)及第8～13節(jié)過火，累計長度達(dá)到273.45 m。地道橋部分分布鋼筋破壞脫落，受力主鋼筋外露，鋼筋損壞嚴(yán)重。混凝土保護(hù)層脫落，面積約630 m2，混凝土表面因過火煙熏，表面碳化，呈黑色。混凝土評定結(jié)果為Ⅲ級，梁體劣化等級達(dá)到AA級。

2 總體加固設(shè)計方案

總體加固方案分為兩部分:第一部分是對第5，6，7孔受損嚴(yán)重區(qū)的加固設(shè)計，包括分布鋼筋修復(fù)、植筋、MSN-6型高強(qiáng)無收縮灌漿料、碳纖維補(bǔ)強(qiáng)、涂刷表面防火涂料。第二部分是過火區(qū)段碳化加固設(shè)計，包括碳纖維補(bǔ)強(qiáng)、涂刷表面防火涂料［5-8］。

2.1 鋼筋加固設(shè)計

2.1.1 分布鋼筋加固設(shè)計

鑒于既有分布鋼筋火災(zāi)后已經(jīng)脫落，需對分布鋼筋采取加固。設(shè)計方案:需在頂板底按照原設(shè)計的長度、間距重新彎制分布鋼筋，按照檢算后的設(shè)計位置綁扎鋼筋。同時，還需配合以植筋技術(shù)。

2.1.2 頂板植筋加固設(shè)計

植筋技術(shù)是一項(xiàng)新型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，是利用化學(xué)粘合劑快速反應(yīng)并固化與鋼筋混凝土結(jié)合成強(qiáng)度很大的硬化體，從而固定鋼筋。特點(diǎn)是承載力高，可以達(dá)到與預(yù)埋鋼筋一樣的效果。在植筋加固設(shè)計中，植筋的承載力及植筋的基本錨固長度是決定加固構(gòu)件承載能力取值的兩個重要因素。

植筋的承載力:植筋構(gòu)件之所以能與混凝土共同工作受力，其基本原理是在鋼筋、粘結(jié)膠與混凝土之間存在粘結(jié)強(qiáng)度，能夠承受由于三者的相對變形(滑移)在界面上產(chǎn)生的作用力。通過鋼筋與粘結(jié)膠、粘結(jié)膠與混凝土接觸面上的粘結(jié)剪應(yīng)力來傳遞鋼筋與混凝土之間的力。為使鋼筋的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，在植筋加固設(shè)計中，需準(zhǔn)確計算控制基本錨固長度。

2.1.3 植筋間距設(shè)計

經(jīng)檢算，第6節(jié)整節(jié)地道橋頂板植筋采用直徑16 HRB400鋼筋，植筋間距200 mm。第5，7節(jié)受損較重區(qū)地道橋頂板植筋采用直徑12 HRB400鋼筋，錨固到混凝土中的深度不得＜270 mm，植筋間距200 mm，見圖6。

2.1.4 植筋錨固深度設(shè)計值確定

植筋錨固深度設(shè)計值按下式確定

式中:ld為植筋錨固深度設(shè)計值;ls為植筋的基本錨固深度，按文獻(xiàn)［9］第12.2.3條確定;ψN為考慮各種因素對植筋受拉承載力影響而需加大錨固深度的修正系數(shù)，按文獻(xiàn)［9］第12.2.5條確定;ψae為考慮植筋位移延性要求的修正系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級低于C30時，對6度區(qū)及7度區(qū)一、二類場地，取ψae=1.1;對7度區(qū)三、四類場地及8度區(qū)，取ψae=1.25;當(dāng)混凝土強(qiáng)度高于C30時，取ψae=1.0。

圖6 頂板植筋平面布置示意(圖中d為植筋間距)

對于直徑16 mm HRB400鋼筋:查表取ψbr為1.0，ψw為1.1，ψT為1.0，因此 ψN=ψbrψwψT=1.0 ×1.1 ×1.0=1.1。

查表取 aspt=1.0，fbd=3.6 N/mm2，已知 d=16 mm，fy=300 N/mm2，因此 ls=0.2 asptd fy/fbd=0.2×1.0×16×300÷3.6=267 mm;

代入上述數(shù)據(jù)到ld=ψNψaels中，得ld=1.1×1.0×267=294 mm。

綜合考慮植入鋼筋的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)強(qiáng)度、混凝土的強(qiáng)度、鋼筋的直徑和間距及施工環(huán)境等各種影響因素后，錨固到混凝土中的深度ld取360 mm。

對于直徑12 mm HRB400鋼筋，同理計算，錨固到混凝土中的深度ld取270 mm。

2.1.5 單根植筋錨固的承載力確定

鋼筋被充分利用時的設(shè)計拉力，即單根植筋錨固的承載力采用下式計算

對于直徑16 mm HRB400鋼筋:fy=300 N/mm2;As=200.96 mm2，=300×200.96=60 288 N=60.3 kN。

對于直徑12 mm HRB400鋼筋:fy=300 N/mm2;As=113.04 mm2，=300×113.04=33 912 N=33.9 kN。頂板植筋長度大樣圖見圖7。

2.2 混凝土加固設(shè)計方案

圖7 頂板植筋長度大樣圖(單位:mm)

高強(qiáng)度無收縮灌漿料廠制成品的優(yōu)點(diǎn)是早強(qiáng)、高強(qiáng)，1～3 d抗壓強(qiáng)度30～50 MPa以上。具有抗離析性能，該材料克服了現(xiàn)場使用中因加水量偏多所導(dǎo)致的離析現(xiàn)象。綠色環(huán)保，不含有苯系物、鹵代烴、甲醛、重金屬等成分，無毒、無味、無污染、不燃不爆，可按一般貨物運(yùn)輸。具有微膨脹性，可保證設(shè)備與基礎(chǔ)之間緊密接觸，二次灌漿后無收縮。自流性高，可填充全部空隙，滿足設(shè)備二次灌漿的要求?？梢远臼┕ぃ试S在－10℃氣溫下進(jìn)行室外施工。耐久性強(qiáng)，經(jīng)上百萬次疲勞試驗(yàn)、50次凍融循環(huán)試驗(yàn)強(qiáng)度無明顯變化。在機(jī)油中浸泡30 d后強(qiáng)度明顯提高。抗開裂能力強(qiáng)，現(xiàn)場使用中因加水量不確定、環(huán)境溫度不確定以及養(yǎng)護(hù)條件限制等因素易產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象。經(jīng)過多方案技術(shù)比選論證，最終確定本橋加固設(shè)計方案為:采用MSN-6高強(qiáng)度無收縮灌漿料修復(fù)技術(shù)，灌漿料密度為 2.4 t/m3［10-11］。

2.3 結(jié)構(gòu)表面碳化加固設(shè)計方案

混凝土碳化是混凝土受到的一種化學(xué)破壞，碳化會使混凝土的堿度降低，使混凝土失去對鋼筋的保護(hù)作用及粘結(jié)作用，鋼筋開始生銹。經(jīng)多種材料比選論證，采用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，在新灌注的高強(qiáng)無收縮灌漿料頂板底面粘貼碳纖維布加固，并涂刷防火涂料。

對于第5，6，7孔燒損嚴(yán)重段，粘貼2層碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)。對于第1～4節(jié)、第8～9節(jié)及A節(jié)，粘貼1層碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)。碳纖維施工前，必須先對過火混凝土表面打磨后修復(fù)處理，然后再粘貼碳纖維布，并在其表面涂刷防火涂料。

3 加固工藝流程

對于第5，6，7孔燒損嚴(yán)重段，施工工藝為:搭設(shè)施工腳手架支承平臺→搭設(shè)八三式輕型橋墩作為地道橋頂板的支承墩→清理火災(zāi)失效鋼筋→鑿除火災(zāi)后強(qiáng)度不足的混凝土→植筋前鉆孔、清孔→涂刷植筋劑→植筋→綁扎頂板底分布鋼筋→涂刷界面劑→噴射高強(qiáng)無收縮灌漿料→混凝土養(yǎng)生→粘貼碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)→涂刷3層防火涂料。對于第1～4節(jié)、第8～9節(jié)及A節(jié)，施工工藝為:搭設(shè)施工腳手架支承平臺→打磨碳化的混凝土表面→作業(yè)空間升溫→粘貼碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)→涂刷3層防火涂料。

4 冬季施工防寒方法

根據(jù)混凝土養(yǎng)生及安裝碳纖維布的溫度要求，地道橋內(nèi)溫度須在+20℃以上。經(jīng)熱工檢算，采用8臺鍋爐，兩側(cè)各設(shè)置4臺，同時在地道邊墻立面兩側(cè)設(shè)8根熱水管及回水管。鍋爐設(shè)在地道口外側(cè)，每個地道口設(shè)1臺3 t鍋爐和3臺2 t鍋爐。2個地道口分別用3層材料封閉，即1層五彩布，1層棉苫布及1層單苫布，以減少地道內(nèi)熱量流失。8臺鍋爐均采用彩鋼板房做鍋爐房。安排24人燒鍋爐，每班8人，三班倒，24 h不間斷供熱，以保證地道內(nèi)施工溫度滿足灌注混凝土養(yǎng)生及粘貼碳纖維布要求。

地道橋頂面保溫措施:砂漿攪拌機(jī)設(shè)置在地道橋燒損頂面處，作業(yè)環(huán)境溫度要求在+20℃以上。為了保證施工溫度，利用鋼管搭設(shè)防寒暖棚，暖棚長30 m，寬20 m，高5 m，表面用2層棉苫布覆蓋，棚內(nèi)布置24個焦炭爐加熱，灌漿機(jī)械及材料均儲備在暖棚內(nèi)。

5 施工注意事項(xiàng)

加固施工前必須對照原設(shè)計圖紙，仔細(xì)測量核對加固部分的地道橋各部位標(biāo)高、尺寸等。對于頂板燒損處強(qiáng)度不足的混凝土，須鑿除至設(shè)計深度，并清除表面殘留浮渣，保證表面干凈。地道橋頂板修復(fù)時，注意對原混凝土內(nèi)的主筋、輔助鋼筋、架立鋼筋加強(qiáng)保護(hù)。在鑿除頂板火災(zāi)受損混凝土?xí)r，須對頂板支護(hù)，以確保橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，避免混凝土出現(xiàn)裂縫。頂板支護(hù)須達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的95%以上方可撤除。灌漿料施工時，須保證新舊接茬面的混凝土銜接牢固，不得松動。頂板植筋后，鋼筋彎鉤端部不得露出頂板灌漿料底面。界面劑涂刷前，須保證把粘附于混凝土表面的灰塵徹底清除干凈。由于加固施工處于嚴(yán)寒季節(jié)，須嚴(yán)格按照設(shè)計要求采取冬季防寒與養(yǎng)護(hù)措施。

對受損嚴(yán)重區(qū)加固期間，地道橋上部的鐵路線必須停運(yùn)。施工期間應(yīng)加強(qiáng)對線路、路基等狀況的監(jiān)護(hù)，確保鐵路運(yùn)營的安全。

地道橋頂板底加固施工前，必須提前探測鋼筋的位置。仔細(xì)檢查分布鋼筋是否脫落，若脫落必須補(bǔ)充鋼筋。植筋鉆孔時要避開鋼筋，如遇到頂板既有鋼筋，不得截斷，植筋間距可適當(dāng)調(diào)整，但總數(shù)量不得減少。植筋長度根據(jù)頂板不同位置處鑿除混凝土的深度來確定，但按照設(shè)計圖錨固到混凝土中的深度不得減少。鉆孔直徑的大小直接影響注膠和連接的施工質(zhì)量，通常鋼筋直徑d≤12 mm時，鉆孔直徑D=d+4 mm;12 mm＜d≤20 mm 時，D=d+6 mm;d＞20 mm 時，D=d+8 mm。

地道橋頂板修復(fù)后，必須保證凈空滿足原設(shè)計的各部凈空和尺寸要求，并要進(jìn)行復(fù)測。

混凝土結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計使用年限，加固部分按照30年考慮。本修復(fù)工程完成后，定期檢測等事宜詳見《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50367—2006)有關(guān)規(guī)定。

6 結(jié)語

哈爾濱市長江路是城市東部路網(wǎng)骨架，也是連接哈爾濱市中心城區(qū)與阿城區(qū)的重要市政交通干線。在加固設(shè)計與施工過程中，克服了冬季難度大，控制因素多，質(zhì)量要求高，外界溫度低，道路通車工期要求特別急等諸多不利狀況。在邊設(shè)計、邊檢測、邊施工的情況下，逐一克服了各種困難。特別是新材料、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，保證了橋梁結(jié)構(gòu)整體安全。經(jīng)專家組全面檢測、試驗(yàn)、驗(yàn)收，確認(rèn)各項(xiàng)設(shè)計指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。該橋于2012年1月20日竣工通車，經(jīng)多年運(yùn)營觀測，沒有出現(xiàn)任何問題。證明加固技術(shù)是成功的，確保了哈爾濱市長江路的暢通無阻，取得了良好的社會聲譽(yù)。鑒于橋梁火災(zāi)后的加固設(shè)計與施工具有特殊性，因此，研究高寒地區(qū)火災(zāi)后橋梁加固的設(shè)計思路、施工工藝等技術(shù)問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］長江路延伸工程——長江路穿越煉油廠專用線火災(zāi)后檢測報告［R］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通實(shí)驗(yàn)中心，2011.

［2］長江路延伸工程——長江路穿越煉油廠專用線火災(zāi)后第二次取芯檢測報告［R］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通實(shí)驗(yàn)中心，2011.

［3］長江路延伸工程穿越煉油廠專用線火災(zāi)后涉及位置范圍及深度檢測報告［R］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通實(shí)驗(yàn)中心，2011.

［4］哈爾濱市長江路三標(biāo)地道橋火災(zāi)后承載力試驗(yàn)評估報告［R］.吉林:吉林鐵路線橋檢測設(shè)計所，2011.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.4—2005 鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［7］周慶華，吳建平.碳纖維加固鋼筋混凝土板的試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2010(8):137-141.

［8］中華人民共和國鐵道部.TB 10005—2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［9］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50367—2006 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［10］中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 145—2004 混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［11］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.