預(yù)應(yīng)力小箱梁火災(zāi)后檢測(cè)評(píng)估與加固設(shè)計(jì)

王 凱，程永黎

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

近年來(lái)，橋梁結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)的事故逐年增加，不僅對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷甚至破壞，而且危及正常的交通運(yùn)營(yíng)，其后果嚴(yán)重，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。橋梁火災(zāi)是偶然發(fā)生的，當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)其研究起步較晚，遠(yuǎn)不如對(duì)其它偶然作用(地震、船舶或汽車撞擊、風(fēng)等)所作的研究。目前對(duì)于橋梁火災(zāi)后的檢測(cè)評(píng)估與加固設(shè)計(jì)的研究資料較少，因此，了解火災(zāi)對(duì)橋梁的損傷機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)有檢測(cè)手段對(duì)火災(zāi)后橋梁損傷程度及時(shí)檢測(cè)評(píng)估很必要，可為橋梁的維修加固提供可靠的理論支撐[1-3]。

1 火災(zāi)后橋梁檢測(cè)評(píng)估內(nèi)容

①橋梁歷史現(xiàn)狀調(diào)查；②火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查；③結(jié)構(gòu)表觀受損檢測(cè)；④混凝土強(qiáng)度檢測(cè)；⑤鋼筋力學(xué)性能檢測(cè)；⑥橋梁預(yù)應(yīng)力損傷，可通過(guò)靜載試驗(yàn)得到，試驗(yàn)宜分6～8級(jí)進(jìn)行加載，第1級(jí)荷載效率宜從0.25左右開(kāi)始；⑦支座燒損情況調(diào)查；⑧橋梁的線形及動(dòng)力特性測(cè)試；⑨通過(guò)混凝土構(gòu)件的微觀分析，確定相應(yīng)的火災(zāi)溫度和構(gòu)件表面的灼燒溫度[4]；⑩通過(guò)對(duì)損傷后的橋梁結(jié)構(gòu)按規(guī)范[5]進(jìn)行檢算，綜合判斷火災(zāi)后橋梁承載能力。

2 某高架橋火災(zāi)后檢測(cè)評(píng)估

2.1 工程背景

某高架橋北行33#—36#墩橋跨上部結(jié)構(gòu)采用30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，單幅橋橫向布置6片梁，梁體采用50號(hào)混凝土。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，樁基礎(chǔ)。支座采用矩形板式橡膠支座。橋面寬16.5 m，車道布置為：(0.50+2×3.75+2×3.50+0.50)m。單幅橋梁橫斷面布置見(jiàn)圖1所示。設(shè)計(jì)及驗(yàn)算荷載：城-A級(jí)。

圖1 橋梁橫斷面布置(單位：cm)

2015年9月1日上午，高架橋北行33#—35#墩橋下倉(cāng)庫(kù)失火，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)梁底出現(xiàn)燒傷。橋下倉(cāng)庫(kù)內(nèi)主要燃燒物為繪畫(huà)用顏料、木材及紙張?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明南北行34#—36#跨梁體均存在不同程度被油煙覆蓋的現(xiàn)象，北行第35跨結(jié)構(gòu)受火較為嚴(yán)重，受火影響范圍見(jiàn)圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)物受火影響范圍

2.2 結(jié)構(gòu)燒灼損傷狀況調(diào)查

1)上部結(jié)構(gòu)調(diào)查。①北行35跨2#至6#梁體腹板表面存在被油煙覆蓋的現(xiàn)象，目前油煙覆蓋的腹板表面未發(fā)現(xiàn)存在裂縫網(wǎng)絡(luò)，混凝土錘擊聲音清脆，未見(jiàn)酥松或脫落現(xiàn)象。②2#至6#梁火源正上方底板、腹板、翼緣板表面存在大面積混凝土剝落現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)剝落區(qū)域內(nèi)殘留混凝土或剝落區(qū)域邊緣進(jìn)行敲擊，聲音發(fā)悶，混凝土進(jìn)一步出現(xiàn)塌落現(xiàn)象，剝落邊緣混凝土呈灰白色。腹板混凝土平均剝落厚度在2 cm左右，最大剝落厚度為4 cm。③敲掉梁體表面松散層后未見(jiàn)有網(wǎng)狀裂縫，2#至6#梁底板混凝土保護(hù)層均已出現(xiàn)不同程度的剝落現(xiàn)象，兩根縱向鋼筋已懸空外露，見(jiàn)圖3。3#梁、4#梁底板混凝土剝落區(qū)域箍筋底面外露。

圖3 底板混凝土剝落露筋

2)支座調(diào)查。位于主火源影響區(qū)的第35跨34#，35#墩支座及位于次生火源影響區(qū)的第34跨33#墩支座棱角均已呈粉狀，部分支座棱角處已燒焦碳化，但支座未見(jiàn)整體鼓包或軟化現(xiàn)象。

3)下部結(jié)構(gòu)調(diào)查。檢查發(fā)現(xiàn)33#—36#墩表明均覆有不同程度的油煙，蓋梁表面原涂裝層已卷曲并同混凝土剝離，但未見(jiàn)混凝土網(wǎng)格狀開(kāi)裂，敲擊聲音清脆，未見(jiàn)酥松剝落。

2.3 材料強(qiáng)度測(cè)試

選取受火燒灼損傷較為嚴(yán)重的第35#跨3#—5#梁沿縱向?qū)α憾?、近火區(qū)、混凝土剝落邊緣、剝落區(qū)域分別進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明受火區(qū)混凝土強(qiáng)度較周邊混凝土強(qiáng)度有所下降。

在距34#墩側(cè)14 m處選擇受火灼傷較為嚴(yán)重的4#梁及5#梁底板及腹板進(jìn)行抽芯，抽取芯樣較為完整，芯樣沿長(zhǎng)度方向色澤層次不明顯。4#梁底板及腹板抽芯處混凝土抗壓強(qiáng)度為38.4，44.3 MPa，5#梁底板及腹板抽芯處混凝土抗壓強(qiáng)度為44.9，50.1 MPa。實(shí)測(cè)結(jié)果表明混凝土抗壓強(qiáng)度已不滿足50號(hào)混凝土對(duì)抗壓強(qiáng)度要求。

選擇3#梁及5#梁懸空的底板縱向鋼筋進(jìn)行取樣，鋼筋強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明鋼筋拉伸后斷口有明顯頸縮，鋼筋在過(guò)火后屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、屈強(qiáng)比及伸長(zhǎng)率均滿足規(guī)范要求。

2.4 橋面線形測(cè)試

圖4 橋面恒載3#—6#梁線形測(cè)量結(jié)果

橋面線形的變化在一定程度上能夠反映出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化。選擇火燒跨及正常跨就各梁的橋面線形進(jìn)行測(cè)試，各片梁縱向按四分點(diǎn)布設(shè)測(cè)點(diǎn)。橋面恒載3#—6#梁線形測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4?？芍?，該橋火燒跨4#—6#梁梁體線形均存在一定下?lián)稀?/p>

2.5 靜載試驗(yàn)

選擇燒灼嚴(yán)重的第35跨(火燒跨)3#—6#梁開(kāi)展荷載試驗(yàn)工作，同時(shí)選取第31跨(正常跨)相同梁體開(kāi)展對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的截面的抗裂性、剛度狀況、截面沿結(jié)構(gòu)高度分布及中性軸狀況。

采用4輛42 t三軸泥頭車進(jìn)行加載。對(duì)正?？绮捎?級(jí)加載、1級(jí)卸載的方法進(jìn)行；對(duì)火燒跨，為確保試驗(yàn)過(guò)程中的安全，詳細(xì)把握結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨荷載效率的變化關(guān)系，采用6級(jí)加載、1級(jí)卸載的方式進(jìn)行。靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 靜載試驗(yàn)結(jié)果

3 加固設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)受力檢算

采用橋梁博士3.03建立模型對(duì)北行第35跨上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。受火損傷后，梁體主要材料及截面特性的變化按以下要點(diǎn)考慮：①混凝土材料特性的變化。根據(jù)鉆取芯樣混凝土抗壓測(cè)試強(qiáng)度，3#—6#梁梁體下緣混凝土強(qiáng)度按36號(hào)混凝土進(jìn)行折減。根據(jù)荷載試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行推算，3#—6#梁梁體底板混凝土彈性模量為50號(hào)混凝土的0.5倍。②梁體截面特性的變化。根據(jù)梁體燒傷的實(shí)際狀況，對(duì)1#梁、2#梁體的斷面尺寸不進(jìn)行改變；對(duì)3#梁、5#梁、6#梁?jiǎn)蝹?cè)腹板厚度折減2 cm，底板厚度折減3 cm；對(duì)4#梁雙側(cè)腹板厚度折減2 cm，底板厚度折減3 cm。③普通鋼筋材料特性的變化。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[6]附錄F.0.1-3混凝土水冷卻后抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)表格進(jìn)行推算，底板混凝土內(nèi)部的實(shí)際溫度已達(dá)到270 ℃,根據(jù)文獻(xiàn)[6]附錄G.0.1-2，按照溫度270 ℃高溫冷卻后對(duì)普通鋼筋取強(qiáng)度折減系數(shù)0.95。④預(yù)應(yīng)力鋼筋材料特性的變化。高溫后預(yù)應(yīng)力鋼筋條件屈服強(qiáng)度折減建議值為0.946(在300 ℃)，彈性模量可不進(jìn)行折減。

火災(zāi)后橋梁檢算結(jié)果見(jiàn)圖5?？芍?，火損后開(kāi)放交通狀態(tài)下各梁承載能力有所下降，各梁正常使用極限狀態(tài)下跨中下緣有約0.5 MPa的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。雖能滿足規(guī)范要求，但富余度較低，建議維持目前限行狀態(tài)并及時(shí)進(jìn)行加固處理。

圖5 各梁跨中截面檢算結(jié)果

3.2 維修加固內(nèi)容

1)對(duì)燒傷相對(duì)較為嚴(yán)重的北行第35#跨梁體混凝土燒傷部位，鑿除表面松散混凝土，清洗干凈后，灌注環(huán)氧灌漿料進(jìn)行修復(fù)。

2)對(duì)火燒嚴(yán)重的第35跨3#—6#梁片燒傷部分16.2 m范圍內(nèi)粘貼U型鋼板加固，鋼板采用8 mm Q345B級(jí)鋼板，采用灌注法粘貼。

3)對(duì)35跨34#, 35#墩支座及34跨33#墩被火燒傷支座頂升更換。

4)對(duì)第34—36跨范圍內(nèi)被煙熏黑部位采用高壓水沖洗的方式進(jìn)行表面清潔，處理范圍包括梁體、橫隔板、蓋梁及墩柱。

3.3 加固后計(jì)算分析

對(duì)3#—6#梁進(jìn)行粘貼鋼板加固，3#—6#梁正截面抗彎承載力和彎矩組合值見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果表明，加固后3#—6#梁正截面抗彎承載力均有較大的提升，抗彎承載能力相對(duì)于火損后承載力提升21.13%左右，梁體承載力有較大的改善。

表2 跨中截面承載能力極限狀態(tài)正截面抗彎強(qiáng)度kN·m

4 結(jié)語(yǔ)

1)受火后結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度均有所下降，混凝土強(qiáng)度下降最為明顯。

2)火災(zāi)損傷后橋梁的實(shí)際承載能力會(huì)有所降低，靜載試驗(yàn)宜分6～8級(jí)進(jìn)行加載，第1級(jí)荷載效率宜從0.25左右開(kāi)始。

3)在試驗(yàn)荷載作用下火燒跨關(guān)鍵截面底緣受力及跨中梁體撓度較正常跨均有明顯增加，推斷與結(jié)構(gòu)受火灼傷后截面削弱及混凝土彈性模量下降有關(guān)。

4)梁體受火灼傷后，結(jié)構(gòu)實(shí)際受力已偏離初始設(shè)計(jì)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)實(shí)際受力接近于按同時(shí)考慮截面損傷和底板混凝土彈性模量的降低(降幅50%)的狀態(tài)。

5)結(jié)合檢測(cè)評(píng)估結(jié)論，在結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損傷不大的情況下采用粘貼鋼板法對(duì)火災(zāi)后橋梁進(jìn)行加固可有效提高梁體承載能力。

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