基于火災(zāi)后靜載試驗(yàn)結(jié)果修正預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁有限元模型及其承載能力評(píng)價(jià)

■林建凡

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州　350004）

基于火災(zāi)后靜載試驗(yàn)結(jié)果修正預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁有限元模型及其承載能力評(píng)價(jià)

■林建凡1，2

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350004）

通過(guò)某橋梁火災(zāi)后的專(zhuān)項(xiàng)檢查和靜載試驗(yàn)結(jié)果，指導(dǎo)有限元模型修正，使修正后的有限元模型盡可能模擬現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)后的實(shí)際受損情況，并在修正有限元模型上進(jìn)行基于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)前后橋梁抗彎承載能力分析比較，鑒定火災(zāi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響程度，為加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

橋梁火災(zāi)靜載試驗(yàn)修正有限元模型承載能力

1　橋梁概況

某大橋位于國(guó)道G324線，橋梁總長(zhǎng)608.66m，橋?qū)捊M合為：1.50m（人行道）+12.00m（車(chē)行道）+1.50m（人行道），設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-20級(jí)，掛車(chē)-100級(jí)，人群3.50kN/m2。該橋上部結(jié)構(gòu)采用40m等跨、等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱型梁，箱梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，頂板寬14.0m，底板寬6.0m，箱梁高2.50m，跨中截面底板厚度為0.22m。上部結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)度等級(jí)為40#混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束采用12Φ15mm和4Φ15mm兩種規(guī)格高強(qiáng)鋼絞線，縱向普通鋼筋主筋為HRB335熱軋帶肋鋼筋。橋墩采用鋼筋混凝土雙柱式墩身直接對(duì)接鉆孔樁基礎(chǔ)，墩柱、樁身直徑均為1.5m。橋臺(tái)采用混凝土耳墻式，鉆孔樁基礎(chǔ)。該橋由于橋下堆積的廢舊塑料制品起火燃燒，大火持續(xù)燃燒約2個(gè)小時(shí)左右后被撲滅。

2　橋梁火災(zāi)受損情況

火災(zāi)后，立即對(duì)橋梁的受損情況進(jìn)行詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)：

（1）墩柱墩身受火災(zāi)影響，混凝土沿環(huán)向發(fā)生剝落，露筋，混凝土受損深度最大達(dá)78.42mm，混凝土表面呈土黃色、局部呈灰白色，裸露的混凝土呈顆粒狀；同時(shí)用錘子敲擊完好區(qū)域有空鼓沉悶聲，推斷內(nèi)部混凝土已經(jīng)出現(xiàn)分層。

（2）蓋梁底部被大火烘烤，混凝土保護(hù)層剝落，底部混凝土分層，敲擊聲音較沉悶且部分混凝土脫落，深度達(dá)20.20mm。

（3）支座（盆式固定）鋼板防銹油漆表面被熏黑，且有脫皮現(xiàn)象。

（4）箱梁梁底過(guò)火位置混凝土剝落，混凝土表面網(wǎng)狀龜裂，其中1處大面積露筋，面積S=3.50×8.50m2，出露縱向主筋、橫向鋼筋，混凝土受損最大深度45.00mm；其它位置梁底混凝土保護(hù)層剝落，梁底混凝土表面呈淺灰色，角部出現(xiàn)裂縫，錘擊聲音較沉悶，且混凝土表面留下錘擊痕跡。

（5）參考上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)后混凝土構(gòu)件評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ08-219-96）對(duì)火災(zāi)后混凝土回彈強(qiáng)度進(jìn)行修正，檢測(cè)結(jié)果表明箱梁第12跨直接受火區(qū)域腹板砼強(qiáng)度由原設(shè)計(jì)40#砼降低至接近于C30砼強(qiáng)度。

（6）根據(jù)外觀檢測(cè)結(jié)果，參照《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（CECTS252-2009）對(duì)該橋受火災(zāi)影響的梁體和墩柱進(jìn)行初步鑒定評(píng)級(jí)。結(jié)果表明箱梁第12跨梁體、墩柱、蓋梁均評(píng)定為III級(jí)（III級(jí)：中度灼傷尚未破壞，顯著影響結(jié)構(gòu)材料或結(jié)構(gòu)性能，明顯變形或開(kāi)裂，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性或正常使用產(chǎn)生不利影響，應(yīng)采取加固或局部更換措施）。

3　火災(zāi)后靜載試驗(yàn)和修正有限元模型建立

3.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本次靜載試驗(yàn)基于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：汽車(chē)－20、掛車(chē)－100級(jí)。由于該橋火災(zāi)后結(jié)構(gòu)中度灼傷，試驗(yàn)采用分級(jí)加載，并盡量使用輕荷載試驗(yàn)。修正有限元模型根據(jù)前期專(zhuān)項(xiàng)外觀檢查火災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)橋梁的損傷情況和靜載試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)材料及箱梁截面、預(yù)應(yīng)力進(jìn)行削減，使其盡可能接近于現(xiàn)場(chǎng)受損情況。最終通過(guò)火災(zāi)受損前后箱梁有限元模型計(jì)算結(jié)果的比較，鑒定火災(zāi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響程度，為加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.2靜載試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前期對(duì)橋梁外觀專(zhuān)項(xiàng)檢查，針對(duì)受損情況，對(duì)第12跨跨中截面、距11#墩11.50m梁底受損最深截面、11#墩支點(diǎn)負(fù)彎矩截面進(jìn)行靜載試驗(yàn)檢測(cè)。測(cè)試內(nèi)容包括控制截面的撓度及應(yīng)力應(yīng)變等。

3.2.1撓度測(cè)試結(jié)果

在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，橋梁第12跨各撓度控制截面分級(jí)荷載與撓度關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1　橋梁第12跨控制截面荷載-撓度關(guān)系曲線

3.2.2應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，橋梁第12跨各控制截面荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2　橋梁第12跨控制截面荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

3.2.3中性軸位置測(cè)試結(jié)果

各控制截面應(yīng)變值沿梁高變化情況如圖3所示。

圖3　應(yīng)變沿梁高變化圖

3.2.4靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

從圖1～圖3可以看出，在分級(jí)荷載作用下，橋梁第12跨各控制截面荷載與撓度、應(yīng)變基本保持線性關(guān)系；實(shí)測(cè)各控制截面中性軸位置與理論計(jì)算的截面中性軸位置基本相同，且應(yīng)變沿梁高呈線性變化，表明在試驗(yàn)荷載作用下梁體處于彈性范圍之內(nèi)。

在分級(jí)荷載作用下，各控制截面撓度、應(yīng)變實(shí)測(cè)值與修正有限元模型計(jì)算結(jié)果較為接近，各測(cè)試截面校驗(yàn)系數(shù)均接近于1.00，表明修正有限元模型假設(shè)條件與現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)后情況較為接近，修正有限元模型的計(jì)算結(jié)果可反映橋梁的實(shí)際受損情況。

4　修正有限元模型的承載能力評(píng)定

承載能力評(píng)定是檢算橋梁第12跨上部主體結(jié)構(gòu)火災(zāi)后承載能力是否滿足汽車(chē)-20、掛-100級(jí)、人群3.5kN/m2設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)通過(guò)比較火災(zāi)前后橋梁抗彎承載能力，判定此次火災(zāi)對(duì)橋梁的影響程度。

4.1.1火災(zāi)后修正有限元模型承載力驗(yàn)算條件

根據(jù)前期對(duì)橋梁受損情況的專(zhuān)項(xiàng)檢查結(jié)果以及靜載試驗(yàn)的結(jié)果分析，對(duì)火災(zāi)后的橋梁有限元模型進(jìn)行以下條件的修正：

（1）火災(zāi)對(duì)橋梁第12跨的混凝土強(qiáng)度造成一定的影響，降低至接近于C30砼的強(qiáng)度，彈性模量Ec=3.00× 104MPa，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcd=20.1MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftd=2.01MPa；

（2）橋梁第12跨距11#墩22.00m～6.00m范圍內(nèi)梁底0mm～45mm高度范圍內(nèi)的混凝土退出了整體受力工作；

表1　第12跨控制截面受災(zāi)前后抗彎承載能力檢算結(jié)果表

（3）根據(jù)火場(chǎng)推定溫度以及火災(zāi)后的外觀檢查結(jié)果，推定火災(zāi)對(duì)橋梁第12跨范圍內(nèi)的預(yù)應(yīng)力造成20%損失。

4.1.2基于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)前后橋梁抗彎承載能力分析比較

在原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下橋梁火災(zāi)前后承載能力極限狀態(tài)受彎荷載效應(yīng)基本組合計(jì)算結(jié)果如圖4所示，第12跨控制截面抗彎承載能力檢算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4　橋梁承載能力極限狀態(tài)受彎荷載效應(yīng)圖

由表1可知，橋梁控制截面在承載能力極限狀態(tài)下經(jīng)抗彎承載力驗(yàn)算得到火災(zāi)后以上兩處驗(yàn)算截面的正截面抗彎承載力能夠滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，火災(zāi)后截面抗力效應(yīng)較火災(zāi)前降低最大幅度為5%。

5　結(jié)論及建議

（1）橋梁受災(zāi)破壞后，由于損傷程度的不確定性，筆者提出通過(guò)橋梁靜載試驗(yàn)結(jié)果修正有限元模型，其實(shí)測(cè)值與修正理論值較為接近，表明修正有限元模型假設(shè)條件與現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)后情況較為接近，修正有限元模型的計(jì)算結(jié)果可反映橋梁的實(shí)際受損情況，在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中可更加確切地獲得橋梁的現(xiàn)有承載力。

（2）經(jīng)抗彎承載力驗(yàn)算得到火災(zāi)后橋梁驗(yàn)算截面的正截面抗彎承載力能夠滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，火災(zāi)后截面抗力效應(yīng)較火災(zāi)前降低最大幅度為5%。

（3）以恢復(fù)至原設(shè)計(jì)抗彎承載力為目的，立即對(duì)火災(zāi)受損部位進(jìn)行加固修復(fù)。

［1］JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程［S］.

［2］CECTS252-2009，火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］DBJ08-219-96，火災(zāi)后混凝土構(gòu)件評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.