北京市南三環(huán)東鐵營橋火災(zāi)后橋梁加固研究

謝大川

（北京中領(lǐng)工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京市100000）

北京市南三環(huán)東鐵營橋火災(zāi)后橋梁加固研究

謝大川

（北京中領(lǐng)工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京市100000）

橋梁在火災(zāi)高溫下，構(gòu)件混凝土局部爆裂、露筋,使混凝土和鋼筋的強(qiáng)度及變形性能劣化,結(jié)構(gòu)承載力降低。現(xiàn)結(jié)合北京市南三環(huán)東鐵營橋火災(zāi)后檢測評估實(shí)例，運(yùn)用火災(zāi)中混凝土橋梁破壞機(jī)理，研究過火構(gòu)件設(shè)計(jì)加固方案。其方法和思路可為處理類似混凝土橋梁火災(zāi)受損評定與加固提供有益的參考。

東鐵營橋；檢測；混凝土橋梁破壞機(jī)理；過火構(gòu)件加固；設(shè)計(jì)方案

1 東鐵營橋概況

1.1 原橋概況

東鐵營橋位于南三環(huán)東路（見圖1），該橋橋面系由東向西分別為4跨連續(xù)、3跨連續(xù)和4跨連續(xù)，橋面鋪裝為瀝青混凝土。該立交橋橋梁上部結(jié)構(gòu)為11跨安裝鋼筋混凝土T梁簡支結(jié)構(gòu)，在T梁端部處設(shè)有橫向聯(lián)系。橋梁墩臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橋梁下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土矩型獨(dú)立墩，橋梁全長為168.0 m，橋面寬29.0 m，雙向車道，由東向西跨徑組合為：5×15 m＋18 m＋5×15 m。橋梁橫橋方向布置為：（由南向北）1.5 m（步道）+12.0 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（中央隔離帶）+12.0 m（機(jī)動(dòng)車道）+1.5 m（步道），設(shè)計(jì)荷載等級為城-A級汽車荷載。

圖1 橋梁位置圖

1.2 火災(zāi)情況

2016年5月24日中午，東鐵營橋橋梁北半幅東側(cè)第二跨下方一輛果皮車起火并引燃臨近的另一輛果皮車?；馂?zāi)使著火車輛上方橋梁結(jié)構(gòu)受到灼燒，并對其周邊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生煙熏（見圖2、圖3）。為保證橋梁安全,對東營橋橋梁進(jìn)行檢測并對火災(zāi)后橋梁進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)加固研究。

圖2 火災(zāi)后橋梁實(shí)景（1）

圖3 火災(zāi)后橋梁實(shí)景（2）

2 橋梁火災(zāi)后檢測數(shù)據(jù)

2.1 監(jiān)測依據(jù)

根據(jù) 《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003），《回彈法評定混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T23-2011），《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50107-2010），《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 152-2008），《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（CECS252：2009），《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)技術(shù)規(guī)程》（JTJ041-2000）對東鐵營橋過火區(qū)域進(jìn)行檢測。即：檢測和評定橋梁結(jié)構(gòu)材料缺陷狀況、結(jié)構(gòu)性能；對橋梁受力和結(jié)構(gòu)狀態(tài)等方面進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算驗(yàn)證；分析橋梁結(jié)構(gòu)損傷、缺損的可能原因并提出相關(guān)處理建議。

2.2 外觀檢查

火災(zāi)影響范圍為橋梁北半幅著火點(diǎn)所在橋跨及相鄰兩跨橋梁，影響范圍內(nèi)橋梁長度為45 m、寬度為29 m、總面積為1 305 m2。圖4為過火區(qū)域橋梁主要構(gòu)件編號圖示；表1為構(gòu)件編號表。

圖4 過火區(qū)域橋梁主要構(gòu)件編號圖示

表1 構(gòu)件編號表

東鐵營橋橋面系體整體狀況一般，橋面存在網(wǎng)裂1處，橋面北側(cè)護(hù)欄存在煙熏火燒1處。上部結(jié)構(gòu)整體狀況較差，著火點(diǎn)附近K2-1、K2-2、K2-3、K2-4等4片主梁局部受燒變?yōu)榛野咨?，且周邊多片主梁受煙熏變黑（見圖5、圖6）。檢測發(fā)現(xiàn)K2-2、K2-3、K2-4等3片受火區(qū)梁類構(gòu)件最大裂縫寬度均大于0.2 mm（0.22 mm～0.26 mm），最大裂縫深度136 mm～138 mm（見圖7、圖8）；而未受火主梁K3-6最大裂縫寬度為0.17 mm。下部結(jié)構(gòu)整體狀況良好，檢測未見存在結(jié)構(gòu)性損傷及開裂。梁與蓋梁搭接嚴(yán)密，導(dǎo)致支座情況不可見。東橋臺(tái)及G3蓋梁整體狀況良好，G1、G2蓋梁煙熏變黑。

圖5 梁混凝土受火變?yōu)榛野咨畬?shí)景

圖6 G1煙熏變黑之實(shí)景

圖7 K2-3梁南側(cè)面豎向裂縫之實(shí)景

圖8 K2-3梁裂縫示意圖（單位：cm）

2.3 無損檢測結(jié)果

采用回彈法對該橋主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測。經(jīng)檢測橋主梁混凝土強(qiáng)度推定值介于38.8MPa～43.5 MPa，蓋梁混凝土強(qiáng)度推定值介于51.1 MPa～51.6 MPa。混凝土碳化深度檢測主要是對結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行評價(jià)，并間接評價(jià)鋼筋的銹蝕狀況。經(jīng)檢測，受火后發(fā)白的區(qū)域混凝土碳化深度介于20 mm～30 mm，受火點(diǎn)外被熏黑的區(qū)域混凝土碳化深度介于12 mm～20 mm，未受火區(qū)域混凝土碳化深度介于10 mm～15 mm。按相關(guān)規(guī)范要求對其保護(hù)層厚度進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)檢測，主梁保護(hù)層厚度特征值介于31 mm～34 mm。

2.4 橋梁BCI檢測結(jié)果（見表2）

表2 橋梁BCI檢測結(jié)果一覽表

BCI為城市橋梁狀況指數(shù)，以表征橋梁結(jié)構(gòu)的完好程度，由好到差，評為A至E級。

2.5 小結(jié)

經(jīng)檢測，該橋梁過火后：上部結(jié)構(gòu)損傷比較嚴(yán)重，有不同類型裂縫；下部與橋面系局部被煙熏黑；受火發(fā)白區(qū)域混凝土碳化深度值接近鋼筋保護(hù)層厚度（30 mm），混凝土碳化導(dǎo)致鋼筋失去堿性環(huán)境的保護(hù)，易發(fā)生銹蝕，影響結(jié)構(gòu)耐久性；橋梁整體仍在可使用范圍之內(nèi)，但需進(jìn)行相應(yīng)加固措施。

3 火災(zāi)中混凝土橋梁破壞機(jī)理

3.1 火災(zāi)時(shí)間溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線

火災(zāi)場所從開始燃燒、發(fā)展、猛烈燃燒、減弱到熄滅全過程中，溫度的變化與時(shí)間歷程息息相關(guān)。目前中國工程建設(shè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)CECS252：2009規(guī)定火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間——溫度表達(dá)式如下：

式中：T為標(biāo)準(zhǔn)溫度，℃；T0為環(huán)境溫度，℃；t為火災(zāi)經(jīng)歷時(shí)間，min。

通過環(huán)境溫度和火災(zāi)經(jīng)歷的時(shí)間，可以判斷火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)溫度，對混凝土與鋼筋的破壞研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 混凝土破壞原理

國內(nèi)外大量資料表明，混凝土在高溫下及高溫冷卻后力學(xué)性能基本上隨溫度的升高而降低?；炷翉?qiáng)度隨溫度的變化與混凝土的強(qiáng)度等級、骨料品種、溫度的持續(xù)時(shí)間和冷卻方式等因素有關(guān)。但隨著溫度的升高，這些因素的影響并不明顯。從不同的試驗(yàn)條件對高溫下及高溫冷卻后混凝土抗壓強(qiáng)度影響來看，總的趨向是隨著溫度的升高而下降并趨于一致。

3.3 鋼筋破壞機(jī)理

火災(zāi)后鋼筋結(jié)構(gòu)詳細(xì)鑒定應(yīng)包括受火鋼構(gòu)件的材料特性及承載力。其中，材料特性包括屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性、彈性模量，承載力包括截面抗彎承載力、截面抗剪承載力、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定承載力、連接強(qiáng)度。

鋼筋在高溫下的抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，由于各種鋼筋所含成分和制造工藝的不同，其抗拉強(qiáng)度的變化也略微有不同，普通熱軋低碳鋼筋在溫度大于200℃時(shí)屈服消失，出現(xiàn)強(qiáng)化現(xiàn)象。各種鋼筋在溫度小于400℃后強(qiáng)度下降不明顯，當(dāng)溫度大于400℃后強(qiáng)度下降顯著。但溫度達(dá)到600℃后各種鋼筋抗拉強(qiáng)度下降趨于相同，說明鋼筋此時(shí)均以達(dá)到了變態(tài)點(diǎn)溫度。而鋼筋在高溫冷卻后其屈服點(diǎn)及抗拉強(qiáng)度與常溫下相等，降低有限。另外，鋼筋在高溫下的延伸率與鋼筋在高溫冷卻后的抗拉強(qiáng)度相同，基本能恢復(fù)到原來的塑性狀態(tài)。

3.4 混凝土與鋼筋的黏結(jié)

火災(zāi)后混凝土經(jīng)高溫作用后，其彈性模量及混凝土與鋼筋間黏結(jié)強(qiáng)度隨溫度的升高而降低。當(dāng)溫度達(dá)到500℃以后，混凝土的彈性模量下降的速度比混凝土抗壓強(qiáng)度降低的速率更為迅速，下降約60%左右，在此溫度下，由于混凝土與鋼筋間的變形差異增大，使得混凝土與鋼筋間黏結(jié)強(qiáng)度也大為降低。但不同級別的鋼筋的自身的摩阻力和合力是不同的，因而在高溫作用后的粘結(jié)強(qiáng)度下降程度也有所不同。例如：HPB235級鋼筋在500℃后黏結(jié)強(qiáng)度下降約50%，而HRB335級鋼筋下降不到20%。當(dāng)溫度達(dá)到700℃ ～800℃以后，混凝土的彈性模量已經(jīng)完全喪失。HPB235級鋼筋已經(jīng)全部喪失，HRB335級鋼筋也喪失60%，可以看出火災(zāi)對HPB235級鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度影響較大。

3.5 小結(jié)

火災(zāi)發(fā)生后，溫度隨時(shí)間變化，溫度的升高使混凝土與鋼筋不能良好地黏結(jié)，導(dǎo)致橋梁承載力下降，故需及時(shí)對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)加固。

4 受火構(gòu)件加固方案

4.1 受火構(gòu)件的損傷狀態(tài)等級評定

依據(jù)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（CECS252：2009）中的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)構(gòu)件燒灼損傷、變形、開裂（或斷裂）程度，并結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)，對橋梁主要受火構(gòu)件的損傷狀態(tài)等級進(jìn)行評定，東鐵營橋受火構(gòu)件評定損傷狀態(tài)等級分類如表3所列。

東鐵營橋受火構(gòu)件經(jīng)過損傷狀態(tài)等級評定，可知大面積輕度灼傷，局部中度灼傷，但尚未破壞，需進(jìn)行相應(yīng)加固設(shè)計(jì)。

表3 東鐵營橋火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷狀態(tài)評定等級表

4.2 受火構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算方案

火災(zāi)后構(gòu)件承載力的損失主要由鋼筋抗拉強(qiáng)度損失和混凝土燒酥引起構(gòu)件截面減小所致,因此可采用檢測所得的鋼筋強(qiáng)度和扣除燒傷深度之后的縮小截面進(jìn)行構(gòu)件承載力計(jì)算。

當(dāng)混凝土溫度低于300℃時(shí)，其強(qiáng)度與常溫強(qiáng)度相同；在300℃～800℃時(shí)，混凝土的強(qiáng)度取常溫一半；當(dāng)混凝土的溫度高于800℃時(shí)，其強(qiáng)度為零（見圖9），即：

式中：fTc為混凝土的高溫強(qiáng)度；fc為混凝土的常溫強(qiáng)度。

圖9 高溫混凝土的簡化設(shè)計(jì)強(qiáng)度曲線圖

高溫下鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度呈三折線（見圖10）。

圖10 高溫鋼筋的簡化設(shè)計(jì)強(qiáng)度三折曲線圖

式中：fTy為鋼筋的高溫強(qiáng)度；fy為鋼筋的常溫強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算，東鐵營橋，混凝土與鋼筋強(qiáng)度略微下降，需進(jìn)行相應(yīng)加固措施。

4.3 受火構(gòu)件加固原則

結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)，以構(gòu)造為主，計(jì)算為輔，計(jì)算與構(gòu)造兩者相輔相成。各種結(jié)構(gòu)加固方法的原則是：（1）鏟除損壞的混凝土，必要時(shí)加鋼筋來保證結(jié)構(gòu)具有完全的承載力，按照需要的尺寸用相應(yīng)的混凝土給截面復(fù)原，加固可采用置換、繞絲、粘鋼和粘玻纖等方式。（2）對于不影響結(jié)構(gòu)部件的承載能力的輕度損害，只要鏟除松弛的混凝土部分再進(jìn)行填補(bǔ)，作好混凝土表面，以保證鋼筋不受銹蝕。（3）對于能夠造成結(jié)構(gòu)能力降低的中度損害，應(yīng)小心地鏟去損害的混凝土層。如果鋼筋強(qiáng)度降低，需要置放附加鋼筋，然后用相應(yīng)強(qiáng)度的新混凝土給截面復(fù)原。新、舊混凝土之間及鋼筋與混凝土之間的結(jié)合必須良好，粘結(jié)力要強(qiáng)。（4）對于嚴(yán)重?fù)p害，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況個(gè)別處理，常常需要局部加固或拆掉重建。

4.4 東鐵營橋設(shè)計(jì)加固方案

東鐵營橋受火構(gòu)件主要有以下兩點(diǎn)病害：（1）欄桿地袱、T梁、蓋梁、墩柱均有被熏黑處；（2）T梁不同類型裂縫。對受火構(gòu)件熏黑處進(jìn)行混凝土表面清洗，涂刷刷滲透型硅烷混凝土防腐涂料，對T梁不同類型裂縫，進(jìn)行涂刷封閉或灌注封閉。

4.4.1 滲透型硅烷混凝土防腐涂料（見圖11、圖12）

4.4.2 裂縫處理（見圖13、圖14）

對所有可見裂縫均需進(jìn)行封閉處理：（1）裂縫寬度小于0.15 mm的進(jìn)行表面封閉處理。（2）裂縫寬度在0.15 mm至0.3 mm的進(jìn)行灌注封閉處理。（3）裂縫寬度大于0.3 mm或裂縫深度較深的裂縫應(yīng)采用鑿槽欠補(bǔ)法進(jìn)行裂縫處理。（4）裂縫處理前應(yīng)先將裂縫周圍約5 cm范圍混凝土表面清理干凈，以免影響封閉效果。裂縫表面封閉處理時(shí)直接將封閉膠涂刷在裂縫處混凝土表面，應(yīng)做到連續(xù)無間隔，確保封閉密實(shí)。對需要灌注封閉的裂縫，應(yīng)先在裂縫周圍涂刷封閉膠，在局部留出灌注空隙。（5）注入座沿縫的走向，每米約布置3個(gè)，裂縫分叉處的交叉點(diǎn)應(yīng)布置注入座，選混凝土表面平整處設(shè)置，避開剝落部位；對貫通縫，可在一側(cè)布置注入座，另一側(cè)完全封閉，縫寬較大且內(nèi)部暢通時(shí)，可以按每米2個(gè)的密度來布置。

5 結(jié)論

現(xiàn)行國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和規(guī)程中均未提供火災(zāi)后結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)具體方法，通過對東鐵營橋火災(zāi)后橋梁檢測，加固設(shè)計(jì)研究，提出以下幾點(diǎn)建議：

圖11 蓋梁墩柱加固措施詳圖（單位：cm）

圖12 T梁加固措施詳圖（單位：cm）

圖13 裂縫涂刷封閉示意圖

圖14 裂縫灌注封閉示意圖

（1）在監(jiān)控措施上，全方位監(jiān)控橋梁附近街道，監(jiān)控范圍覆蓋橋梁主體。易燃物品遠(yuǎn)離橋梁，在源頭杜絕火災(zāi)發(fā)生。

（2）火災(zāi)發(fā)生后，及時(shí)滅火并中斷交通，對橋梁進(jìn)行檢測加固。若火災(zāi)程度小，可恢復(fù)少量交通；若火災(zāi)程度大，橋下設(shè)置臨時(shí)支承架，并臨時(shí)導(dǎo)流交通。

（3）火災(zāi)后及時(shí)確定混凝土橋梁構(gòu)件的受火溫度，溫度升高破壞混凝土與鋼筋的表面粘結(jié)及承載力，采取相應(yīng)加固措施，將火災(zāi)損失降至最小程度。

（4）在新橋建設(shè)中建議加入新型防火材料，加強(qiáng)混凝土與鋼筋的粘結(jié)性，減小火災(zāi)發(fā)生時(shí)兩者粘結(jié)脫離程度。在老橋加固改造中建議涂抹防火材料。

（5）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，可進(jìn)行火災(zāi)仿真分析。仿真分析內(nèi)容包括火災(zāi)的發(fā)生與發(fā)展、構(gòu)件內(nèi)溫度分布、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)響應(yīng)等全過程。

U445.7+2

B

1009-7716（2017）04-0091-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.027

2017-01-09

謝大川（1984-）男，北京人，工程師，從事道路與橋梁工程設(shè)計(jì)工作。