火災(zāi)后鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁運營性能評定

蘇永華

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室,北京 100081)

火災(zāi)是混凝土建筑物發(fā)生概率較大、損失較嚴(yán)重的一種災(zāi)害，混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的檢測和加固修復(fù)技術(shù)極為重要[1]。隨著鐵路建設(shè)規(guī)模的增大，橋梁保有量逐年增多，橋下空間狀態(tài)日趨復(fù)雜，經(jīng)常發(fā)生火災(zāi)、撞擊等意外情況，對橋梁造成了損傷，甚至影響線路正常運營。鐵路橋梁的梁部結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土簡支梁和預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁為主，橋墩以混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，支座以橡膠支座和鋼支座為主，火災(zāi)極易對橋梁結(jié)構(gòu)造成損傷。

火災(zāi)對于鐵路混凝土橋梁屬于偶發(fā)特殊事件，除特殊設(shè)計防火結(jié)構(gòu)外，混凝土結(jié)構(gòu)物在設(shè)計時并未考慮火災(zāi)影響?；炷两Y(jié)構(gòu)自身具有一定的抗火特性，通常情況下遭受火災(zāi)損傷后可通過修復(fù)加固達到繼續(xù)使用的目的。

本文以1孔鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁受火災(zāi)損傷為例，介紹了火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的損傷情況和檢測評估結(jié)果，并對運營性能進行了評定。

1 梁體火災(zāi)情況調(diào)查

本橋跨越鄉(xiāng)村道路，梁底距地面高度5.0 m，采用32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。受意外因素影響，農(nóng)用車裝載秸稈通過橋下時發(fā)生火災(zāi)，對1孔箱梁造成了損傷，主要表現(xiàn)為梁體跨中區(qū)域左側(cè)腹板下緣混凝土剝落，局部鋼筋外露，梁體腹板和底板熏黑?；馂?zāi)情況調(diào)查結(jié)果如下：火情最大時發(fā)生于橋跨中附近左側(cè)翼緣板下；火災(zāi)燒及梁體的時間約15 min，過程中明火未觸及梁底，距離約0.5 m；消防人員到達現(xiàn)場時已無明火，火災(zāi)后梁體表面未澆水，梁體混凝土自然降溫。

2 火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)物評估方法

2.1 火災(zāi)對結(jié)構(gòu)物材料性能影響

火災(zāi)高溫作用下，混凝土結(jié)構(gòu)物的材料性能會發(fā)生變化，混凝土的抗壓強度和彈性模量均下降，鋼筋的力學(xué)性能也發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形和內(nèi)力重分布，受力性能降低。高溫混凝土在自然冷卻后抗壓強度有一定的恢復(fù)，但較火災(zāi)前也會出現(xiàn)不同程度的降低。

2.2 火災(zāi)后結(jié)構(gòu)物評估工作內(nèi)容

火災(zāi)后建筑物的評估工作主要包括：火災(zāi)溫度的判定;結(jié)構(gòu)損傷程度的檢測;提出結(jié)構(gòu)修復(fù)處理意見[2]。

1)火災(zāi)溫度判定。根據(jù)結(jié)構(gòu)物基本情況和火災(zāi)情況對火災(zāi)溫度進行綜合判定，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、燃燒物、火災(zāi)時間、滅火措施、混凝土構(gòu)件表面顏色及外觀特征、混凝土燒傷深度等。

2)結(jié)構(gòu)損傷程度檢測?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)構(gòu)物損傷情況，包括裂縫數(shù)量與分布情況、混凝土剝落范圍、鋼筋外露情況、結(jié)構(gòu)變形情況、混凝土強度、碳化深度等，鐵路橋梁還應(yīng)測試梁體撓度、自振頻率等指標(biāo)。

3)結(jié)構(gòu)修復(fù)處理。火災(zāi)損傷部位修復(fù)處理應(yīng)盡量保證修補后的結(jié)構(gòu)部位能與原結(jié)構(gòu)共同工作，輕度受損構(gòu)件進行表層耐久性處理，中度和嚴(yán)重受損構(gòu)件應(yīng)進行結(jié)構(gòu)加固。

2.3 火災(zāi)后結(jié)構(gòu)物鑒定評級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)CECS 252:2009 《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[3]規(guī)定，火災(zāi)后結(jié)構(gòu)物的鑒定評估分初步鑒定評級和詳細(xì)鑒定評級2類。

火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初步鑒定評級根據(jù)燒灼損傷、變形、開裂程度進行，具體內(nèi)容[3]：輕微或未直接遭受燒灼作用為Ⅱa級；輕度燒灼為Ⅱb級；中度燒灼尚未破壞為Ⅲ級；破壞為Ⅳ級。

火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的詳細(xì)鑒定評級根據(jù)檢測分析結(jié)果進行，具體如下[3]：

1)b級?；痉蠂椰F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下限水平要求，不影響安全，尚可正常使用，宜采取適當(dāng)措施。

2)c級。不符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，在目標(biāo)使用年限內(nèi)影響安全和正常使用，應(yīng)采取措施。

3)d級。嚴(yán)重不符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)重影響安全，必須及時或立即加固或拆除。

3 火災(zāi)后梁體損傷狀況調(diào)查

3.1 火災(zāi)后梁體外觀檢查

對火災(zāi)損傷的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁進行梁體外觀檢查，梁體混凝土剝落情況見圖1。

圖1 梁體混凝土剝落情況

1)梁體左右腹板和底板表面大面積被熏黑，總面積約80 m2。梁體熏黑部位擦拭后，混凝土表面基本為原狀青灰色，局部輕微泛白。梁體混凝土剝落部位表面的水泥石和骨料主要呈原狀青灰色，表面局部輕微熏黑，說明混凝土剝落時火災(zāi)已接近熄滅或已經(jīng)熄滅，混凝土剝落后梁體未再承受長期高溫?zé)谱饔谩?/p>

2)梁體燒灼熏黑區(qū)混凝土表面經(jīng)小錘敲擊，聲音清脆、響亮，混凝土表面無脫層、起皮現(xiàn)象。

3)梁體混凝土剝落區(qū)域周邊底板左側(cè)0.6 m范圍和腹板下部0.3 m范圍內(nèi)，混凝土表面有細(xì)微網(wǎng)狀紋，裂紋寬度肉眼不可見。

4)火災(zāi)后梁體跨中附近腹板下緣倒角部位混凝土有開裂、脫層現(xiàn)象，表層混凝土剝落，范圍為5.0 m×0.5 m(長度×寬度)，大部分區(qū)域混凝土的剝落深度在2.0～3.0 cm，局部最大深度約8.0 cm(該處保護層厚度偏大)。鑿除松散混凝土后有普通鋼筋外露，未見預(yù)應(yīng)力鋼絞線外露，混凝土剝落的最大深度為普通鋼筋所在層面。經(jīng)檢查，除跨中混凝土剝落區(qū)域外，梁體表面其余部位未發(fā)現(xiàn)混凝土脫落、鋼筋外露現(xiàn)象。

5)箱梁內(nèi)部檢查未發(fā)現(xiàn)因火災(zāi)引起的異?，F(xiàn)象。

綜上，根據(jù)構(gòu)件燒灼損傷、開裂程度等情況，梁體火災(zāi)損傷初步鑒定等級為Ⅱb級(輕度燒灼)。

3.2 火災(zāi)溫度判定及影響

對于火災(zāi)溫度的判定主要從火焰溫度、混凝土表面顏色、混凝土開裂和剝落情況、混凝土表面錘擊反應(yīng)情況、噴灑酚酞溶液后的顏色5方面開展[4]，判別依據(jù)見表1[3]。

表1 混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應(yīng)與溫度的關(guān)系

調(diào)查判定情況如下：

1)農(nóng)作物秸稈直接燃燒的火焰溫度一般在600～700 ℃?；馂?zāi)發(fā)生在野外，四周空曠并有風(fēng)，散溫較快，且火災(zāi)時火焰尚未燒及梁體底板，因此推測梁體表面溫度在500 ℃以下。

2)混凝土熏黑部位擦拭后表面近似呈原狀青灰色，崩裂部位骨料和水泥石的表面顏色也近乎為原狀青灰色，說明梁體表面溫度應(yīng)在300～500 ℃。

3)除混凝土剝落部位外，其余區(qū)域混凝土表面局部有細(xì)微裂紋，無明顯裂縫，未發(fā)現(xiàn)混凝土脫落和鋼筋外露現(xiàn)象，說明梁體表面溫度應(yīng)在300～500 ℃。

4)小錘敲擊梁體聲音清脆、響亮，混凝土表面無明顯痕跡，說明梁體表面溫度應(yīng)在300～500 ℃。

5)混凝土燒灼部位鑿除2 mm左右的表層水泥石后，噴灑酚酞溶液呈紅色，說明梁體表面溫度在500 ℃以下。

根據(jù)以上條件綜合推測，本橋第15孔橋下發(fā)生火災(zāi)時梁體表面局部最高溫度在400 ℃左右，大部分燒灼區(qū)的表面溫度在300 ℃以下。

混凝土結(jié)構(gòu)在燒灼作用下的溫度場分布跟結(jié)構(gòu)形式、表面溫度、燒灼時間等因素有關(guān)，同條件下結(jié)構(gòu)溫度場分布主要與結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。梁體跨中部位腹板厚度為450 mm，底板厚度為280 mm，預(yù)應(yīng)力管道邊緣距梁體表面的最小距離為80 mm。對于箱梁結(jié)構(gòu)，底板和腹板在燒灼條件下的受熱情況與混凝土實心板接近。箱梁跨中底板厚H=280 mm，火災(zāi)時梁體表面溫度在400 ℃左右，燒灼時間在15 min左右，預(yù)應(yīng)力管道邊緣距梁體表面的最小距離為80 mm。根據(jù)混凝土實心板溫度曲線推測火災(zāi)時預(yù)應(yīng)力管道邊緣的溫度在100 ℃以下，火災(zāi)時至梁體表面50 mm距離的位置溫度在100 ℃以下。

對于鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土的性能是保證結(jié)構(gòu)正常受力的主要因素。根據(jù)CECS 252：2009中混凝土高溫時抗壓強度折減系數(shù)、高溫混凝土自然冷卻后抗壓強度折減系數(shù)、HRB335鋼筋高溫冷卻后強度折減系數(shù)、高溫自然冷卻后混凝土與鋼筋黏結(jié)強度折減系數(shù)變化情況推測，當(dāng)受火溫度在200 ℃以下時，混凝土力學(xué)性能、鋼筋力學(xué)性能、鋼筋與混凝土的黏結(jié)強度沒有明顯變化。

根據(jù)火災(zāi)時溫度判定結(jié)果，火災(zāi)對梁體結(jié)構(gòu)的影響分析如下：

1)火災(zāi)時至梁體表面距離大于50 mm位置的溫度在100 ℃以下，除梁體燒灼部位表層混凝土外，預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土的性能沒有受到明顯影響。

2)跨中左側(cè)腹板下緣混凝土崩裂、剝落主要是由于火災(zāi)時梁體表面溫度較高，結(jié)構(gòu)溫差應(yīng)力超過高溫時混凝土的極限抗壓強度，同時鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生溫度變形差，導(dǎo)致混凝土沿普通鋼筋所在的層面崩裂、剝落。

4 梁體運營性能檢測評估

為掌握火災(zāi)后梁體燒灼損傷部位混凝土的強度和碳化深度情況，對梁體混凝土崩裂、剝落區(qū)域附近腹板和底板的混凝土強度、碳化深度進行了測試。為掌握梁體剛度和整體受力性能情況，對火災(zāi)梁體和相鄰正常梁體的動撓度和自振頻率進行了測試，測試工況為列車正常過橋。

4.1 梁體混凝土強度測試

梁體混凝土燒灼崩裂區(qū)附近腹板、底板混凝土強度回彈法測試結(jié)果見表2、表3，正常部位腹板、底板混凝土強度測試結(jié)果見表4、表5[5]。測試結(jié)果表明：

1)各測區(qū)混凝土強度推定值均大于60 MPa，滿足梁體混凝土設(shè)計標(biāo)號C50要求。

表2 梁體燒灼部位腹板混凝土強度檢測結(jié)果

表3 梁體燒灼部位底板混凝土強度檢測結(jié)果

表4 梁體正常區(qū)域腹板混凝土強度檢測結(jié)果

表5 梁體正常區(qū)域底板混凝土強度檢測結(jié)果

2)各測試部位測區(qū)回彈平均值的平均值接近，標(biāo)準(zhǔn)差均較小，說明各測試部位混凝土強度分布均勻，梁體燒灼部位的混凝土強度與正常區(qū)域的混凝土強度接近，火災(zāi)對梁體燒灼部位混凝土強度影響很小。

4.2 梁體混凝土碳化深度測試

梁體混凝土燒灼崩裂區(qū)和正常部位附近腹板、底板混凝土碳化深度測試結(jié)果見表6。測試結(jié)果表明：梁體燒灼區(qū)和正常部位的混凝土碳化深度無明顯差異，說明火災(zāi)對梁體混凝土性能的影響深度較淺。

4.3 梁體豎向動撓度測試

正常運營列車通過工況火災(zāi)受損梁和鄰跨正常梁的動撓度測試結(jié)果見圖2。

根據(jù)測試結(jié)果和對比分析情況可知：

1)相同測試工況下，火災(zāi)受損梁與鄰跨正常梁的跨中豎向動撓度分布在同一范圍內(nèi)，且箱梁受損側(cè)和正常側(cè)的豎向撓度接近。

2)在類似測試工況下，其他線路同型號梁跨中豎向動撓度為0.62 mm，本線同型號梁跨中豎向動撓度為0.57，0.64 mm，火災(zāi)受損梁與正常梁的豎向動撓度接近。

表6 梁體混凝土碳化深度測試結(jié)果 mm

3)火災(zāi)后，梁體豎向撓度沒有明顯變化，整體豎向剛度未出現(xiàn)明顯異常。

4.4 梁體自振頻率測試

梁體自振頻率測試采用余振法，通過測試過車后的豎向加速度，分析得到梁體豎向自振頻率[6]。實測火災(zāi)受損梁和鄰跨正常梁的豎向一階自振頻率分別為7.08，7.15 Hz[7]，均滿足箱梁設(shè)計要求(5.20 Hz)，兩者相比未出現(xiàn)明顯差異。

其他線路同型號梁的豎向一階自振頻率實測值為6.74，6.80 Hz，本線同型號梁的豎向一階自振頻率實測值為7.14，6.83 Hz。對比可知，火災(zāi)受損梁與同型號正常梁的豎向一階自振頻率無明顯差異，處于正常范圍內(nèi)[8]。從梁體自振頻率測試結(jié)果來看，梁體整體性能基本正常[9]。

綜合各項檢測結(jié)果來看，火災(zāi)受損梁的整體狀態(tài)基本滿足正常使用要求[10]。

5 結(jié)論與建議

1)火災(zāi)時，距梁體表面50 mm以上部位的溫度在100 ℃以下，預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土的性能沒有受到明顯影響。火災(zāi)損傷梁的初步鑒定等級為Ⅱb級。

2)梁體燒灼區(qū)和正常部位混凝土強度分布均勻、數(shù)值接近，混凝土強度滿足設(shè)計要求，碳化深度也無明顯差異，火災(zāi)對梁體混凝土強度的影響很小，影響深度較淺。

3)火災(zāi)受損梁的自振頻率滿足設(shè)計值要求；與同型號正常梁相比，跨中動撓度、自振頻率均未出現(xiàn)明顯差異，實測值處于正常范圍內(nèi)，梁體整體性能基本正常。

綜上所述，本橋預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁火災(zāi)受損后的整體受力性能基本正常，詳細(xì)鑒定評級為b級，能夠滿足正常運營要求。為保證結(jié)構(gòu)的耐久性，對梁體混凝土崩裂、剝落的部位進行了修補，并對梁體表面進行涂裝防護。

本文中鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁火災(zāi)后的評估方法可為今后類似結(jié)構(gòu)的評估提供借鑒。鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和運營要求具有一定的特殊性，目前尚無火災(zāi)后檢測、評估、修補等方面的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，可借鑒國內(nèi)外土建行業(yè)的成熟做法，完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，如編制鐵路橋梁火災(zāi)后評定標(biāo)準(zhǔn)、鐵路橋梁火災(zāi)后維修加固標(biāo)準(zhǔn)等。