某高速公路通道中橋火災(zāi)后檢測評估及加固設(shè)計(jì)

寇新陽（四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院）

某高速公路通道中橋火災(zāi)后檢測評估及加固設(shè)計(jì)

寇新陽
（四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院）

近年來隨著公路建設(shè)快速發(fā)展，橋梁數(shù)量迅速增加，由火災(zāi)導(dǎo)致橋梁受損的事件也常有發(fā)生。文章以某高速公路通道中橋?yàn)槔?，介紹了火災(zāi)發(fā)生后橋梁結(jié)構(gòu)檢測評估及加固處治設(shè)計(jì)，為今后同類型橋梁火災(zāi)病害處治提供了借鑒。

橋梁；火災(zāi)；檢測評估；加固設(shè)計(jì)

1　概述

該通道中橋位于四川省某高速公路上，跨越水溝及人行道。該橋全長26.04m，全寬24.5m，整幅樁柱式橋臺；橋梁上部結(jié)構(gòu)分左右兩幅，每幅8片空心板，均為1-20m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板，梁高90cm，中板寬145cm，邊板寬169cm。橋梁支座均為圓板橡膠支座。2014年某個深夜，該通道中橋兩側(cè)竹林不明原因發(fā)生燃燒，引燃橋下堆積的柴草，造成橋梁結(jié)構(gòu)受損，因此對該橋進(jìn)行了檢測評估及加固處治設(shè)計(jì)。

2　檢測情況

2.1病害描述

⑴該橋橋下大面積過火，梁板大部分被火灼燒，現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)所有梁板板底均出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫，大部分板底有沿箍筋方向的橫向貫通裂縫，裂縫寬度多在0.2～0.5mm之間。部分梁板在火災(zāi)前存在縱向滲水泛堿現(xiàn)象，檢測中發(fā)現(xiàn)這些部位均存在縱向裂縫，且滲水現(xiàn)象加??；部分以前無病害的梁板也出現(xiàn)了滲水現(xiàn)象。

⑵部分梁板板底的混凝土有剝落現(xiàn)象，鋼筋外露，剝落厚度多在3～5cm之間；左幅橋4#梁板混凝土剝落現(xiàn)象最為嚴(yán)重，剝落最深處達(dá)到8cm，且主筋和箍筋均外露，部分箍筋彎曲。梁板底部混凝土有明顯松動現(xiàn)象，錘擊時混凝土表層脫落。

⑶全橋鉸縫大部分脫落，局部未脫落處填料疏松，輕微敲擊可造成脫落。

⑷全橋支座均被火灼燒，大部分支座存在開裂、鼓包、變形、表面焦裂等病害。

⑸兩岸橋臺混凝土表面均存在網(wǎng)狀裂縫，部分區(qū)域混凝土剝落，鋼筋外露。橋臺錐坡砂漿開裂嚴(yán)重、破損明顯。

圖1

2.2火場溫度推定及對橋梁的影響

《公安消防大隊(duì)對于某高速通道中橋火災(zāi)情況的說明》中推測的火場溫度為300～600℃。國內(nèi)外有關(guān)資料表明，混凝土表面顏色和外觀與受火溫度的關(guān)系大致如表1所示：

表1　混凝土表面顏色與受火溫度的關(guān)系

從現(xiàn)場檢測情況看，該橋梁板底部混凝土表面普遍存在網(wǎng)狀裂縫，部分梁板出現(xiàn)貫通性橫向和縱向裂縫，混凝土剝落最嚴(yán)重部分混凝土表面為灰白色偏黃。結(jié)合表1，初步判斷火場溫度高于500℃，混凝土構(gòu)件局部受火溫度可能達(dá)到800～900℃。

該橋火災(zāi)發(fā)生期間因用水撲滅火災(zāi)，灼熱的混凝土表面遇水急速冷卻，造成混凝土構(gòu)件內(nèi)外應(yīng)力差，加重了混凝土表面的開裂和剝落情況?；馂?zāi)對該橋混凝土構(gòu)件受力和耐久性的影響主要體現(xiàn)在以下方面：

⑴由于混凝土爆裂及剝落，混凝土結(jié)構(gòu)有效凈面積將減小，使結(jié)構(gòu)承載能力降低。

⑵混凝土強(qiáng)度遇火災(zāi)高溫后降低。

⑶混凝土的彈性模量對溫度相當(dāng)敏感，當(dāng)溫度達(dá)到200～700℃時，混凝土的彈性模量線性降低。該橋過火時間較長，過火溫度在500℃以上，混凝土彈性模量有所降低。

⑷該橋混凝土在高溫作用下，水化物脫水分解，其內(nèi)部微空隙增加，結(jié)構(gòu)疏松，混凝土與鋼筋在高溫下熱變形不協(xié)調(diào).形成大量界面裂縫，導(dǎo)致混凝土與鋼筋之間粘結(jié)力降低。

⑸根據(jù)現(xiàn)場碳化深度檢測結(jié)果，該橋梁底混凝土的游離氧氧化鈣在高溫下產(chǎn)生熱分解，混凝土呈中性。使其保護(hù)鋼筋的作用大為降低，從而影響混凝土構(gòu)件的耐久性。

在影響混凝土性能的同時，火災(zāi)對鋼筋性能也有很大的影響。普通鋼筋屬于低碳鋼，當(dāng)受火溫度大于200℃時鋼筋極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量、延伸率等指標(biāo)均開始下降，材料脆性增加。

針對該橋的實(shí)際情況，由于火災(zāi)溫度較高，且混凝土表面普遍開裂剝落，因此混凝土內(nèi)部鋼筋的力學(xué)性能不可避免有所下降，且與混凝土之間粘結(jié)力降低，從而影響橋梁整體承載能力。

2.3檢測結(jié)論

目前國外有關(guān)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的安全評估，主要以英國混凝土學(xué)會所提出的評估程序與方法為主，可以作為一種初步判別火災(zāi)損傷的方法。

本橋梁底和橋臺混凝土表面呈大面積網(wǎng)狀裂縫，裂縫寬度多在0.2～0.5mm之間，混凝土剝落深度大部分在30mm左右，且混凝土強(qiáng)度明顯降低，根據(jù)火災(zāi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受損綜合評定指標(biāo)表中分類，該橋受損程度判斷為2級（中度損傷），結(jié)構(gòu)承載能力下降10%～30%。

由于火災(zāi)溫度較高，且混凝土表面普遍開裂剝落，因此混凝土內(nèi)部鋼筋的力學(xué)性能不可避免有所下降，同時與混凝土（砂漿）粘結(jié)力也有較大的下降。即使預(yù)應(yīng)力筋未直接受損，但其正常的工作狀態(tài)由于高溫松弛和應(yīng)力重分布影響而無法恢復(fù)。而混凝土彈性模量降低，使結(jié)構(gòu)變形加大，預(yù)應(yīng)力由于彈性壓縮而發(fā)生損失，也使結(jié)構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力發(fā)生明顯損失。

表2　結(jié)構(gòu)構(gòu)件受損程度綜合評定指標(biāo)

圖2　橋梁加固設(shè)計(jì)示意圖

3　加固處治設(shè)計(jì)

3.1加固設(shè)計(jì)原則

原橋結(jié)構(gòu)受損較為嚴(yán)重，其混凝土表面普遍開裂剝落，結(jié)構(gòu)承載能力發(fā)生明顯損失。該橋橋下凈高較小，設(shè)計(jì)時考慮在橋下修筑橫墻對原橋梁板進(jìn)行支撐，改變橋梁結(jié)構(gòu)形式，減小跨中正彎矩；因該橋原結(jié)構(gòu)為簡支體系，頂板配筋較為薄弱，設(shè)計(jì)時考慮多增加支點(diǎn)減小頂板負(fù)彎矩，在原橋結(jié)構(gòu)下，增設(shè)4道橫墻對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。因火災(zāi)過程中結(jié)構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力明顯損失，且無法定量評估其下降的程度，為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠，設(shè)計(jì)計(jì)算時將預(yù)應(yīng)力鋼束考慮為普通鋼筋進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)作為普通鋼筋混凝土構(gòu)件。

3.2計(jì)算結(jié)果

3.2.1計(jì)算參數(shù)

梁體采用C40混凝土，普通鋼筋采用Ⅱ級鋼筋，預(yù)應(yīng)力采用φ15.24高強(qiáng)度低松弛鋼絞線（不考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)）。計(jì)算時考慮設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級，車行道數(shù)量為3車道。10cm厚鋼筋混凝土調(diào)平層參與結(jié)構(gòu)受力。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時，驗(yàn)算荷載為：組合Ⅰ（基本組合）；正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時，驗(yàn)算組合為組合Ⅱ（荷載長期效應(yīng)組合），組合Ⅲ（荷載短期效應(yīng)組合）。計(jì)算模式如圖3所示：

圖3

3.2.2計(jì)算結(jié)果

⑴承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

①正截面抗彎承載能力驗(yàn)算

荷載組合Ⅰ作用下梁板抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果見表3。由表可知，5-5截面最大彎矩為1324kN·m，小于截面抗力1369kN·m。計(jì)算結(jié)果表明，承載能力極限狀態(tài)正截面抗彎強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

②斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，選取距橋臺支座中心h/2（h為板高）處的截面與距1#墩支座中心h/2處截面驗(yàn)算梁體斜截面抗剪承載能力，驗(yàn)算結(jié)果見表4。從表中可以看出，簡支板斜截面剪力均小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗力?？招陌蹇辜舫休d能力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

表3　正截面抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果

表4　斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果

⑵正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

①變形驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第 6.5.3條，簡支板跨中最大撓度限值為L/600=3900/600=6.5mm。

梁板的撓度值見表5。由表可知，梁板正常使用極限狀態(tài)的變形滿足規(guī)范要求。

表5　梁板正常使用極限狀態(tài)撓度驗(yàn)算

②裂縫寬度計(jì)算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.4.2條，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在荷載短期效應(yīng)并考慮長期效應(yīng)影響下，最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.2mm。

裂縫寬度計(jì)算結(jié)果見表6。從表中可以看出，組合Ⅲ作用下梁體5-5截面裂縫寬度最大，為0.20mm，滿足規(guī)范要求。

表6　裂縫寬度計(jì)算結(jié)果

3.3加固設(shè)計(jì)內(nèi)容

⑴對原橋梁板及橋臺混凝土破損處鑿除，然后進(jìn)行修補(bǔ)，對裂縫進(jìn)行封閉。

⑵在橋臺上設(shè)置千斤頂，同步頂升半幅梁板，更換原橋橋臺上的支座。

⑶改移原橋下水溝及水管。

⑷設(shè)置橫墻對原橋梁板進(jìn)行支撐。

3.4加固處治施工重點(diǎn)

本橋加固處治要改變橋梁受力體系，因此，新設(shè)置的支座與梁體結(jié)合好壞成為影響加固施工效果的關(guān)鍵。加固處治完成后，支座應(yīng)與原橋緊密接觸，保證在受力狀態(tài)下，新設(shè)支墩與原橋臺共同承擔(dān)豎向荷載。

加固施工中支座安裝步驟及注意事項(xiàng)如下：

⑴同時頂升半幅梁板更換原橋支座（更換支座后將梁板放置在新支座上）；

⑵對梁板底部高程（支座處）進(jìn)行放樣。因新更換支座和原橋受損支座彈性模量變化，更換支座后對梁板高程進(jìn)行測量能保證高程的準(zhǔn)確性。測量時注意測量精度；

⑶根據(jù)測量結(jié)果確定橫墻頂面高程（預(yù)留支座墊石、鋼板及支座高度），然后澆筑基礎(chǔ)、澆筑橫墻并預(yù)埋支座墊石鋼筋；

⑷再次頂升梁板（不超過2cm），因考慮千斤頂無法長期承受荷載，采用枕木或型鋼對梁板進(jìn)行臨時支撐，立模澆筑支座墊石，澆筑時注意墊石頂面高程，澆筑完成后將墊石頂面抹平，安裝鋼板（根據(jù)之前梁板高程數(shù)據(jù)，調(diào)整支座墊石高度，墊石含鋼板最低高度20cm），鋼板安裝后用砂漿將鋼板周邊封閉，保證鋼板固定；

⑸安裝支座，待墊石混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，取消臨時支撐，將梁板放下，保證梁板和橫墻新設(shè)支座接觸緊密，原橋臺支座與新設(shè)支座共同受力。

在橫墻施工之前，應(yīng)對橋梁受損混凝土進(jìn)行修復(fù)，新老混凝土的結(jié)合也是影響該橋加固效果的關(guān)鍵點(diǎn)，要求：

⑴原砼結(jié)構(gòu)表面的處理：澆筑新混凝土前，應(yīng)將原砼結(jié)構(gòu)表面打毛、糙化，同時應(yīng)除去浮漿、塵土，并用高壓水沖洗干凈。

②原砼結(jié)構(gòu)缺陷的處理：施工時應(yīng)對橋梁各個部位進(jìn)行仔細(xì)檢查，凡有砼缺損、蜂窩、麻面和鋼筋外露、銹蝕等現(xiàn)象均應(yīng)進(jìn)行處理，處理原則為：鑿除缺陷砼，去除浮漿、雜質(zhì)至密實(shí)部位，并對鋼筋進(jìn)行除銹，然后用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)；修補(bǔ)后應(yīng)采用臨時支撐將修補(bǔ)處頂緊，保證環(huán)氧砂漿和原梁板混凝土結(jié)合緊密；梁底裂縫的寬度在0.15mm以下時，采用改性環(huán)氧樹脂膠封閉的方法處理；對裂縫的寬度在0.15～1.5mm，應(yīng)采用自動低壓壓注改性環(huán)氧化學(xué)漿液的方法進(jìn)行處理。修補(bǔ)破損和裂縫后，在梁板底部涂刷涂料進(jìn)行防護(hù)。

4　結(jié)論

橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)受火災(zāi)后，混凝土強(qiáng)度與鋼筋有效應(yīng)力降低，原結(jié)構(gòu)體系大多不能滿足正常通行。本文提出對受損上部結(jié)構(gòu)增加支撐，改變橋梁結(jié)構(gòu)體系，增加超靜定約束進(jìn)行加固，這樣既保留受火災(zāi)橋梁的主體結(jié)構(gòu)，又使該橋能夠正常通行，是一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方案，對受火災(zāi)損毀橋梁的加固方法具有借鑒意義。●

［1］許宏元，候旭，劉士林.火災(zāi)后混凝土橋梁的損傷識別與狀態(tài)評估［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2009，2.

［2］陳建夫，曹建洋.火災(zāi)后橋梁技術(shù)狀況的評定［J］.浙江交通科技，2002，3.

［3］李毅，項(xiàng)貽強(qiáng)，王建江.火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)的損傷檢測及安全性評估，中國市政工程，2006，10.

［4］四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.某高速公路通道中橋火災(zāi)后應(yīng)急檢測報(bào)告，2014，3.

［5］四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.某高速公路通道中橋病害維修處治一階段施工圖設(shè)計(jì)，2014，4.