某預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋火損后檢測(cè)與加固設(shè)計(jì)

林愛(ài)萍

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007)

隨著橋梁公路里程數(shù)量的不斷增多， 其損傷問(wèn)題也日益凸顯， 各種不可控因素均有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的損傷， 其中火災(zāi)是眾多種類(lèi)中的一種， 具有突發(fā)性，在較短時(shí)間內(nèi)可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，甚至中斷交通運(yùn)行。因此，火災(zāi)后應(yīng)第一時(shí)間對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確、科學(xué)、正確的損傷檢測(cè)評(píng)定，以便為后續(xù)的結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)[1]。

本文以某遭遇火災(zāi)后預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為工程案例， 系統(tǒng)分析了橋梁結(jié)構(gòu)在受到火災(zāi)后的檢測(cè)評(píng)定方法與加固處治方案， 其研究可為同類(lèi)梁橋的火損加固設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋建于2012 年， 并于2014 年竣工通車(chē)，全長(zhǎng)66.00 m，橋型布置見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車(chē)-20 級(jí)，掛車(chē)-100。 上部結(jié)構(gòu)采用(20×3)m的三孔一聯(lián)等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁， 單箱四室箱形截面，頂板寬17.25 m，底板寬13.50 m，中心梁高1.30 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50；下部采用樁柱式墩，墩身直徑1.30 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，樁基采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，直徑1.50 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，全橋均采用圓形氯丁橡膠支座。

事故起因于該橋址位置處橋下長(zhǎng)期堆積易燃物品如泡沫塑料、輪胎橡膠等材質(zhì)。 2018 年11 月份因高壓線(xiàn)噴射火花引起火源， 使得箱梁底下堆積大量的泡沫塑料等易燃物品燃燒起來(lái)，橋梁位置處于低洼處且較為偏僻，大火持續(xù)時(shí)間約85 min 后被趕來(lái)的消防人員撲滅。 易燃物距橋跨底板的高度約為1.60 m。 火災(zāi)直接造成梁體、墩柱、支座等構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的損壞。火損后的箱梁底板典型病害示意情況見(jiàn)圖2。

圖1 橋型布置圖

圖2 火損后的箱梁底板情況

2 橋梁檢測(cè)評(píng)估方法及結(jié)果

2.1 表觀(guān)檢測(cè)

采用目測(cè)檢查、 工具錘擊等方式對(duì)該橋進(jìn)行外觀(guān)檢查。 根據(jù)外觀(guān)檢查結(jié)果，該橋主要存在以下3 種病害：①箱梁底板大面積混凝土剝落、鋼筋網(wǎng)外露(圖2)；②1# 墩3 個(gè)支座上下鋼板均被燒脆， 且橡膠層均出現(xiàn)不同程度的焦化(圖3)；③1#墩3 個(gè)墩身出現(xiàn)不同程度的混凝土剝落等病害(圖4)。

圖3 支座典型病害

圖4 墩柱典型病害

2.2 構(gòu)件損傷分析

2.2.1 主梁

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，此次火源位于箱梁下部，對(duì)箱梁構(gòu)件影響較大，對(duì)橋面附屬設(shè)施影響較小。隨著溫度的不斷升高，主梁受拉鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋等抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸減小，且鋼筋與混凝土的粘結(jié)力強(qiáng)度也會(huì)逐漸下降， 當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，隨著燃燒時(shí)間的延長(zhǎng)，主梁就會(huì)逐漸出現(xiàn)混凝土剝落、鋼筋網(wǎng)外露、預(yù)應(yīng)力筋失效、承載力下降、嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮塌[2]。

2.2.2 支座

此次受火災(zāi)影響的箱梁橋采用板式橡膠支座， 橡膠支座長(zhǎng)時(shí)間受高溫火焰影響，主要表現(xiàn)出橡膠熔化、不同程度的剪切變形、上下鋼板材質(zhì)變脆等現(xiàn)象，導(dǎo)致1-1～1-3 號(hào)支座無(wú)法恢復(fù)自由伸縮變形， 從而威脅到橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用功能。

2.2.3 墩柱

該橋1-1～1-3 墩柱(地面值支座段)受火源四周長(zhǎng)時(shí)間包圍燃燒，火勢(shì)較大且燃燒時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，使得墩柱局部出現(xiàn)被壓碎， 由于混凝土材料的抗壓強(qiáng)度受溫度影響顯著，且大多數(shù)墩柱均為受壓或偏心受壓構(gòu)件，在火災(zāi)作用下，墩柱逐漸出現(xiàn)混凝土剝落，有效受壓面積逐漸減小，從而影響墩柱的有效承載力。

2.3 火災(zāi)溫度推算

在大火作用下混凝土構(gòu)件由于溫度的不同會(huì)發(fā)生不同的化學(xué)、 物理反應(yīng)， 從而導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的損傷，混凝土表面顏色、錘擊回聲也會(huì)隨著溫度的變化而有所不同。因此，對(duì)災(zāi)害后的混凝土外觀(guān)顏色觀(guān)察與敲打回?fù)袈暡⑿锌纱笾峦贫ㄆ涫芑饻囟戎礫3]。 梁體、墩柱受火源溫度推測(cè)見(jiàn)表1。

表1 火場(chǎng)溫度推定

2.4 材料強(qiáng)度試驗(yàn)

火災(zāi)后的混凝土強(qiáng)度推定依據(jù) 《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》，采取小芯樣法檢測(cè)。 按抽樣規(guī)定在箱梁底板抽取3 個(gè)直徑6 cm 的圓柱進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以了解火損后的箱梁內(nèi)部混凝土強(qiáng)度； 并分別隨機(jī)截取3 段長(zhǎng)度為50 cm 的外露鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)室抗拉力學(xué)性能試驗(yàn)，以確定火損后的鋼筋強(qiáng)度退化值；鑒于預(yù)應(yīng)力筋未外露，且與剝落混凝土表面還有一定的距離，故不對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)[4]。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，3 個(gè)取芯軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值分別為52.9 MPa、57.6 MPa 和59.0 MPa， 均滿(mǎn)足C50 抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值， 表明此次火災(zāi)對(duì)箱梁底板內(nèi)部的混凝土強(qiáng)度未造成較大影響；由鋼筋力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，在外力作用下，3 根鋼筋斷口處均有明顯的頸縮現(xiàn)象，且其火災(zāi)后的屈服強(qiáng)度、 抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等各個(gè)指標(biāo)也均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

3 修復(fù)加固設(shè)計(jì)

結(jié)合此次火損后橋梁的實(shí)際受損情況、 混凝土損傷推算以及材料性能試驗(yàn)結(jié)果等各個(gè)指標(biāo)考慮，并兼顧“安全可靠、簡(jiǎn)單有效、經(jīng)濟(jì)合理”等基本加固設(shè)計(jì)原則，保證修復(fù)的結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足原有的結(jié)構(gòu)功能， 且還要達(dá)到改善結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命周期目的。

3.1 箱梁底板修復(fù)

對(duì)箱梁底板破損處的混凝土區(qū)域采用高性能聚合物砂漿修補(bǔ)，并粘貼碳纖維布加固處治。其施工操作步驟如下： 采用高壓水槍將梁體熏黑部位進(jìn)行清洗→將剝落區(qū)域表層劣質(zhì)混凝土鑿除， 并將周邊區(qū)域表層混凝土鑿除至新鮮混凝土→鑿除區(qū)域涂刷阻銹劑， 對(duì)外露鋼筋進(jìn)行除銹與整合、置換、補(bǔ)強(qiáng)→涂刷界面劑，對(duì)剝落區(qū)外露鋼筋網(wǎng)外的范圍進(jìn)行逐層修補(bǔ)→在箱梁底板底模灌注聚合物高性能砂漿→將粘貼碳纖維布范圍的基底打磨， 涂刷阻銹劑→貼碳纖維布表面防護(hù)。 采用碳纖維布加固處治后的箱梁底板見(jiàn)圖5。

圖5 箱梁底部處治效果圖

3.2 支座處治

考慮到1# 墩3 個(gè)支座都已出現(xiàn)較為嚴(yán)重的橡膠焦化、無(wú)彈性變形，已完全失去自由變形能力，因此對(duì)于支座采用全部更換處治。 其施工操作步驟如下：上部箱梁構(gòu)件臨時(shí)支撐→腳手架搭設(shè)→千斤頂及油泵校驗(yàn)→設(shè)觀(guān)測(cè)標(biāo)志→準(zhǔn)備工作→頂升→支座更換。 支座更換后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景見(jiàn)圖6。

圖6 支座更換處治效果圖

3.3 墩柱抱箍補(bǔ)強(qiáng)

鑒于墩柱頂部與地面距離較矮(1.60 m)，不需要搭設(shè)施工腳手架等輔助措施，采用抱箍增大截面法修復(fù)。其施工操作步驟如下： 采用高壓水槍和拋光機(jī)將墩體熏黑部位進(jìn)行清洗→將剝落區(qū)域表層劣質(zhì)混凝土鑿除， 并將周邊區(qū)域表層混凝土鑿除至新鮮混凝土→鑿除范圍涂刷阻銹劑，對(duì)外露鋼筋進(jìn)行除銹與整合、置換、補(bǔ)強(qiáng)→墩柱表面植筋→安裝模板澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)。 墩柱抱箍補(bǔ)強(qiáng)處治后的效果見(jiàn)圖7。

4 加固后靜動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

橋梁結(jié)構(gòu)的靜、 動(dòng)載試驗(yàn)是檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)性能和承載力的重要檢驗(yàn)手段之一[5]。 考慮到第一、二跨為此次的受災(zāi)區(qū)域，因此，選取第一、二跨為主要試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，加固后的左幅線(xiàn)橋梁靜、動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，并對(duì)結(jié)構(gòu)的自振頻率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

圖7 墩柱抱箍補(bǔ)強(qiáng)加固效果圖

表2 加固后的模態(tài)試驗(yàn)數(shù)值

由模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可知： 采用高性能聚合物砂漿修補(bǔ)缺陷混凝土和粘貼碳纖維布加固后的火損橋梁結(jié)構(gòu)前3階自振頻率均高于理論值，平均增大率為7.0%，且阻尼比在1.98%～3.81%， 滿(mǎn)足 《公路橋梁試驗(yàn)荷載與結(jié)構(gòu)評(píng)定》規(guī)范中對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比的3%左右要求。 表明采用這種加固方法后，該梁橋剛度得到了改善，且加固后的結(jié)構(gòu)安全富余系數(shù)高于理論值。

該橋加固處治1 年后， 再次對(duì)其進(jìn)行外觀(guān)檢測(cè)及靜動(dòng)載試驗(yàn)，未有發(fā)現(xiàn)新的病害出現(xiàn)，且靜動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果值與加固后的試驗(yàn)值基本一致， 表明該維修處治方法較為合理、可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

火災(zāi)后橋梁檢測(cè)、評(píng)估、加固是近年來(lái)一個(gè)熱門(mén)的研究專(zhuān)題，也是投入運(yùn)營(yíng)中的橋梁結(jié)構(gòu)不可避免的問(wèn)題。采用何種更為簡(jiǎn)便的檢測(cè)評(píng)定方法能夠更為準(zhǔn)確地評(píng)估火損后的橋梁真實(shí)狀況是今后工程界的研究主流方向，也是加固設(shè)計(jì)依據(jù)的前提。