鐵路框架橋火災(zāi)后的試驗研究與損傷評估

殷 濤

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司， 北京 102600)

高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)物安全至關(guān)重要，但在橋梁穿(跨)越車輛密集的城市道路交叉處，安全隱患較多，火災(zāi)就是發(fā)生概率最大、危害最嚴重的隱患之一。一旦發(fā)生火災(zāi)，將會造成鐵路停運，損失巨大。因此，研究如何對發(fā)生火災(zāi)后的橋梁結(jié)構(gòu)進行損傷評估，制定修復方案具有重要意義。本文以哈爾濱市長江路上一座2-18 m長度440 m的鐵路框架橋火災(zāi)事故為案例，對火災(zāi)后的橋梁結(jié)構(gòu)進行試驗檢測和損傷評估，并提出橋梁快速修復方案，供同類事故橋梁參考借鑒[1]。

1 火災(zāi)現(xiàn)場勘察

本次火災(zāi)事故發(fā)生于鐵路框架橋第5～7節(jié)位置，造成第1～13節(jié)，共計273.45 m長橋梁過火，如圖1所示。第5～7節(jié)燒損嚴重，橋梁頂板、邊墻鋼筋保護層和分布鋼筋脫落，鋼筋外露，混凝土脫落面積約630 m2。其中，第6節(jié)燒損最嚴重，頂板混凝土脫落面積超過70%，有一半鋼筋下?lián)?，頂板底脫落后露出的混凝土呈淺灰色，略顯粉紅，表面呈微細裂縫，錘擊聲音發(fā)悶，混凝土表面未留下錘擊痕跡。在過火嚴重區(qū)域，橋內(nèi)裝修大理石板脫落，人行道欄桿嚴重扭曲變形。

圖1 橋梁燒損范圍平面示意圖(m)

根據(jù)火災(zāi)后損壞嚴重程度，將燒損橋梁劃分為3個區(qū)域，如圖2所示。

圖2 橋梁燒損程度區(qū)域平面示意圖(m)

(1)受損嚴重區(qū)

分布鋼筋 80 根下?lián)希?%鋼筋燒斷，下?lián)戏秶鸀?50～1 800 mm，下?lián)戏荡蟛糠衷?0～1 000 mm，約40%縱向主筋嚴重彎曲?；炷料戮壉Ｗo層全部脫落。

(2)受損較重區(qū)

分布鋼筋有38根下?lián)?，下?lián)戏秶鸀?50～400 mm，約15%縱向主筋彎曲?；炷料戮壉Ｗo層全部脫落。

(3)表面無損區(qū)

肉眼觀察鋼筋和混凝土表面，無明顯損壞[2]。

2 火災(zāi)后橋梁試驗研究

為探明火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)性能的變化程度，確定能否修復使用，并制定修復方案，根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場勘查狀況、結(jié)構(gòu)損傷程度、火災(zāi)燃燒過程，確定火災(zāi)后橋梁試驗內(nèi)容包括：①混凝土強度檢測(鉆芯法、回彈法)；②碳化深度檢測；③混凝土損傷厚度檢測；④鋼筋力學性能試驗；⑤橋梁動載試驗。

2.1 混凝土強度檢測

2.1.1 鉆芯法強度檢測

在受損嚴重區(qū)域的第6節(jié)框架橋頂板混凝土上，用長200 mm膨脹螺栓固定儀器(固定不住儀器的部位進行植筋固定)。取芯位置選在結(jié)構(gòu)受力小、混凝土燒損嚴重脫落區(qū)[3]。取芯前，先測量取樣點位置，然后用鉆芯機鉆孔取樣，芯樣取出后應(yīng)馬上干燥，并迅速送至試驗室進行抗壓強度試驗。試驗過程如圖3～圖5所示，芯樣檢測值，如表1所示[4]。

圖3 取出芯樣

圖4 芯樣加壓

圖5 芯樣試驗后

在第5節(jié)、第7節(jié)框架橋頂板混凝土上，選取受損較重區(qū)進行取芯，試驗方法與第6節(jié)框架橋相同，芯樣檢測值，如表2所示[5]。

表1 第6節(jié)框架橋鉆芯法檢測值

表2 第5節(jié)、第7節(jié)框架橋鉆芯法檢測值

從表1、表2可以看出，火災(zāi)后，混凝土強度明顯降低，多處低于設(shè)計強度(設(shè)計混凝土標號為C40)，其原因在于火災(zāi)中，高溫使混凝土骨料體積膨脹，而膠凝體受熱發(fā)生分子脫水化學反應(yīng)后收縮，兩者變形的不協(xié)調(diào)造成混凝土開裂、酥碎、脫落，未脫落混凝土強度降低。

2.1.2 回彈法強度檢測[6]

對第5～7節(jié)框架橋混凝土脫落區(qū)、影響區(qū)及未受影響區(qū)域的混凝土采用回彈法檢測強度，以此推斷火災(zāi)引起的混凝土質(zhì)量衰退區(qū)。用ZC3-A型混凝土回彈儀選取300個測點進行檢測，結(jié)果顯示測量強度均低于混凝土強度設(shè)計值，且較取芯強度更低，其原因在于回彈儀僅能測量距表面15～20 mm 厚度范圍內(nèi)的混凝土強度，而火災(zāi)致使混凝土外側(cè)強度值低于內(nèi)側(cè)。表明火災(zāi)后混凝土強度不合格。

2.1.3 碳化深度檢測

對第6節(jié)框架橋，在燒損嚴重區(qū)、較嚴重區(qū)和未受影響區(qū)選取回彈測區(qū)的30%進行碳化深度檢測，檢測結(jié)果如表3所示。

表3 第6節(jié)框架橋碳化深度檢測值

從表3可以看出，燒損嚴重區(qū)的混凝土保護層碳化深度均值已達8.5 mm。

對第5節(jié)、第7節(jié)框架橋，選取取芯后的芯樣進行碳化深度檢測，檢測結(jié)果如表4所示。

表4 第5節(jié)、第7節(jié)框架橋碳化深度檢測值

從表4可以看出，其碳化深度均值在5.0～5.5 mm之間。

2.1.4 損傷厚度檢測

采用超聲法檢測混凝土損傷強度。在火災(zāi)受損嚴重和較嚴重區(qū)混凝土脫落處選取若干測位，將表面打磨平整，將發(fā)射探頭固定不動， 將接收探頭沿一直線，按兩探頭內(nèi)側(cè)邊緣間距分別為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm、40 cm布置，每個測位取6個測點，讀取兩探頭在混凝土中的聲時值進行計算，以此確定混凝土表面損傷層厚度。對測試數(shù)據(jù)進行分析，得出火災(zāi)主要影響區(qū)混凝土表面損傷層厚度為10～20 mm。

2.2 鋼筋拉伸試驗

火災(zāi)使鋼筋的性能發(fā)生變化，其結(jié)果直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，因此，確定鋼筋的材料性能是試驗研究的一項重要工作。從第6節(jié)框架橋頂板底抽取燒損后的6組φ20鋼筋，選取2組彎曲鋼筋進行拉伸試驗。試驗結(jié)果如表5、表6所示。選1組鋼筋進行接頭試驗(斷裂位置在非焊接段)，試驗結(jié)果如表7所示。

表5 受損嚴重區(qū)鋼筋拉伸試驗結(jié)果

表6 受損較重區(qū)鋼筋拉伸試驗結(jié)果

表7 受損較重區(qū)焊接鋼筋拉伸試驗結(jié)果

從表5可以看出，燒損嚴重區(qū)的鋼筋屈服強度小于標準強度335 MPa,鋼筋強度不合格。其原因在于鋼筋外層混凝土在烈焰的灼燒下脫落，裸露的鋼筋在高溫下分子晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成了屈服強度的降低。從表6、表7可以看出，受損較重區(qū)的鋼筋強度雖合格，但火災(zāi)已使鋼筋性能明顯降低。

2.3 橋梁動載試驗[7]

為確定火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能，選取燒損嚴重的第5節(jié)、6節(jié)框架橋進行動載試驗。試驗列車2列，試驗加載機車車輛編組每列按DF7調(diào)車機(軸重22.5 t)+2輛C70重車(自重+載重93.8 t)+2輛C70空車(空重23.8 t)，編組試驗列車速度等級分別為5 km/h、10 km/h、15 km/h。先進行5 km/h準靜載試驗，再進行10 km/h、15 km/h動載試驗。在編組試驗列車作用下，對燒損后橋梁頂板主筋受力、頂板撓度進行測試，以評價橋梁承載能力。

對理論分析和試驗檢測的橋梁應(yīng)力和撓度值進行分析，得出試驗結(jié)果：(1)火災(zāi)導致橋梁頂板受力狀態(tài)發(fā)生改變，鋼筋變脆、韌性變差，保護層大面積脫落，頂板鋼筋與混凝土粘接破壞，分布鋼筋脫落懸空，混凝土表面強度降低，但主筋沒有失去作用，橋梁整體結(jié)構(gòu)的性能尚好。(2)橋梁頂板主筋的靜載總應(yīng)力滿足設(shè)計容許應(yīng)力和檢定容許應(yīng)力限值的要求。(3)橋梁頂板主筋的撓跨比滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》第10.0.3條通常值和設(shè)計規(guī)范1/800的要求。應(yīng)力和撓度的檢測波形，如圖6、圖7所示。

圖6 應(yīng)力測點時域波形圖

圖7 撓度測點時域波形圖

3 火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)分析

對第6節(jié)框架橋，建立空間有限元分析模型進行研究，邊界條件為橋梁頂板主筋兩端錨固，X軸方向節(jié)段長25 m，Y軸方向單孔跨度為22.202 m，火災(zāi)前頂板厚1.25 m，火災(zāi)后板厚為1.15 m(支撐平行于X軸)，對比分析結(jié)構(gòu)跨中截面主要受力鋼筋的應(yīng)力變化?；馂?zāi)后頂板結(jié)構(gòu)內(nèi)力，如圖8、圖9所示。

圖8 橋梁火災(zāi)后Mxx 彎矩

圖9 橋梁火災(zāi)后Xx面應(yīng)力

從對比分析結(jié)果可以看出，橋梁結(jié)構(gòu)受損后，鋼筋應(yīng)力發(fā)生了較大變化，但頂板主筋兩端錨固程度良好，主筋仍發(fā)揮抗拉作用，說明火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)仍有使用價值，因此，可對第5～7節(jié)框架橋燒損的混凝土和鋼筋進行修復加固處理。

4 火災(zāi)后橋梁損壞評估及修復方案[8-11]

4.1 橋梁損壞等級評定

根據(jù)混凝土損傷檢測和鋼筋拉伸試驗、橋梁動載試驗等結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場勘察的混凝土顏色變化、灼燒損傷、變形開裂、脫落程度等情況以及橋梁結(jié)構(gòu)建模分析結(jié)果，最終評定橋梁混凝土損壞等級為Ⅲ級，按照《鐵路橋隧建筑物狀態(tài)評定標準》，梁體碳化等級為AA級。

4.2 修復方案

火災(zāi)后，橋梁結(jié)構(gòu)整體性能尚好，可繼續(xù)使用，但頂板、邊墻局部受損嚴重，從安全性和耐久性方面考慮，須進行修復加固。

為確保燒損橋梁快速修復，建議方案是鑿除混凝土受損嚴重區(qū)和受損較重區(qū)20 cm，表面無損區(qū)10 cm(具體深度根據(jù)現(xiàn)場實際情況略有調(diào)整)進行加固處理，加固范圍適當外延。對受損嚴重區(qū)和受損較重區(qū)燒損的橫向分布鋼筋，進行拆除后補筋，按照檢算后的設(shè)計位置綁扎鋼筋，同時輔以植筋技術(shù)相配合，植筋錨固到混凝土中的深度、間距，需經(jīng)檢算確定。為保證鋼筋與混凝土的充分粘結(jié)，采用高強無收縮灌漿料修復混凝土。對混凝土表面無損區(qū)，建議先采用粘貼碳纖維布補強，再涂刷表面防火涂料。

5 結(jié)論

本文通過對火災(zāi)燒損的鐵路框架橋進行現(xiàn)場勘察、試驗檢測、結(jié)構(gòu)建模分析研究等，得出以下研究結(jié)論：

(1)查清火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)的過火長度和燒損范圍，劃分損傷區(qū)域，探明各區(qū)的破壞程度，是進行損傷評估的基礎(chǔ)。

(2)開展混凝土損傷檢測、鋼筋拉伸試驗、橋梁動載試驗和結(jié)構(gòu)建模分析，對橋梁結(jié)構(gòu)碳化等級(AA級)、混凝土損壞等級(Ⅲ級)和橋梁整體性能進行評定，是合理制定橋梁修復方案的依據(jù)。

(3)采用灌漿料、碳纖維布和防火涂料等新材料，是被損傷橋梁快速、安全修復的保證。

該橋重新投入使用至今，橋梁結(jié)構(gòu)使用正常。本文研究成果可為我國同類型燒損橋梁的檢測和修復設(shè)計提供借鑒。