增大截面法在火損橋梁加固中的應(yīng)用

鄧曉多，汪 亮

（1.江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210049；2.江蘇寧常鎮(zhèn)溧高速公路有限公司，江蘇 常州 213245）

增大截面法在火損橋梁加固中的應(yīng)用

鄧曉多1，汪 亮2

（1.江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210049；2.江蘇寧常鎮(zhèn)溧高速公路有限公司，江蘇 常州 213245）

火災(zāi)的高溫會(huì)造成橋梁鋼筋混凝土的強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能降低，混凝土和鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度降低，橋梁承載能力下降，最終影響道路的安全運(yùn)營(yíng)。文章結(jié)合工程案例介紹火損橋梁的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查檢測(cè)并進(jìn)行了剩余承載能力評(píng)估，最終采用增大截面法加固維修，為類似遭受火災(zāi)橋梁的加固維修提供參考。

火災(zāi)；檢測(cè)評(píng)定；加固維修；增大截面法

隨著公路橋梁事業(yè)的蓬勃發(fā)展橋梁火災(zāi)事故呈上升趨勢(shì)。一方面，火災(zāi)損壞會(huì)引起橋梁公共資產(chǎn)顯著損失；另一方面，火災(zāi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成了損害，高溫使得橋梁材料的化學(xué)物理性能減弱，從而造成橋梁的主要材料鋼筋混凝土的強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能降低，混凝土和鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度減弱，橋梁承載能力下降，最終會(huì)影響到道路的安全運(yùn)營(yíng)［1］。

為此，本文結(jié)合鎮(zhèn)溧高速公路中河特大橋火損案例，詳細(xì)介紹了火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的質(zhì)量狀態(tài)評(píng)估和火損結(jié)構(gòu)的剩余承載力計(jì)算，以及最終采用增大截面法對(duì)本案例中火損橋梁進(jìn)行加固維修的情況。

1 工程概況

鎮(zhèn)溧高速公路中河特大橋全橋長(zhǎng)1 593.49 m，上部結(jié)構(gòu)為裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、簡(jiǎn)支箱梁，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩、肋板臺(tái)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。組合箱梁混凝土采用C50混凝土，下部結(jié)構(gòu)采用C30混凝土，樁基采用C25混凝土。

一貨車在通過中河特大橋55#墩墩頂時(shí)發(fā)生自燃，燃燒物經(jīng)55#墩伸縮縫及附近泄水孔流至箱梁橋墩蓋梁，并持續(xù)燃燒，對(duì)部分箱梁、支座、橋墩蓋梁及墩柱造成損傷。火損部位主要為中河特大橋右幅（鎮(zhèn)江往溧陽方向）第12聯(lián)邊孔（55#孔）、第13聯(lián)（56#孔）及55#墩蓋梁和墩柱。右幅第12聯(lián)為5×35 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)組合箱梁，斜交角30°，第13聯(lián)為1×22 m異型組合箱梁，為由斜橋轉(zhuǎn)為正橋的過渡孔［2］。

2 火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估

橋梁所屬管理單位在橋梁遭受火災(zāi)后，應(yīng)立即組織技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查，查明火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的基本情況以及橋梁受損的基本情況，然后做出初步判斷，并根據(jù)初步判斷結(jié)果決定是否對(duì)火損橋梁進(jìn)行交通管制，對(duì)火損橋梁進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。隨即對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)火損情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查、橋梁火損部位進(jìn)行檢測(cè)等，并根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的受損狀況，對(duì)橋梁受損結(jié)構(gòu)做出評(píng)估鑒定，為后續(xù)橋梁修復(fù)加固方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)［3］。

2.1 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及火災(zāi)溫度判定

（1）火災(zāi)事故調(diào)查

根據(jù)調(diào)查可知，肇事車輛發(fā)生火災(zāi)，車上裝運(yùn)的塑料粒子化學(xué)材料泄露并燃燒，燃燒物順著55#墩頂伸縮縫經(jīng)外側(cè)箱梁流淌至過渡墩頂，在墩頂持續(xù)燃燒，對(duì)燃燒處護(hù)欄、橋墩、蓋梁、支座和部分梁體造成嚴(yán)重傷害。燃燒物燃盡后大火自然熄滅，持續(xù)時(shí)間約2 h。

（2）燃燒物分布情況

燃燒物分布范圍主要有兩處：第一處為右幅55#墩墩頂橋面；第二處為右幅55#孔1#-2#箱梁、56#孔1#-2#箱梁以及55#墩蓋梁及1#柱。

（3）火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，本次火災(zāi)發(fā)生在中河特大橋右幅55#墩墩頂附近區(qū)域，對(duì)55#孔橋面系、55#孔1#、2#梁、56#孔1#、2#梁以及55#墩造成損傷，其他構(gòu)件及孔跨未受火災(zāi)影響。本次火災(zāi)對(duì)55#孔1#、2#梁破壞較為嚴(yán)重，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性或正常使用產(chǎn)生不利影響，應(yīng)進(jìn)行鑒定評(píng)估，確定適當(dāng)?shù)募庸檀胧┻M(jìn)行維修加固。

（4）火災(zāi)溫度分布示意圖

根據(jù)火災(zāi)溫度調(diào)查初步判定的火災(zāi)最高溫度，結(jié)合外觀檢測(cè)情況，綜合推斷出橋梁構(gòu)件表面受火溫度，并根據(jù)溫度高低劃分為5個(gè)區(qū)域，溫度由低到高分別為Ⅰ區(qū)300 ℃以下、Ⅱ區(qū)300～500 ℃、Ⅲ區(qū)500～700 ℃、Ⅳ區(qū)700～800 ℃、Ⅴ區(qū)800～1 000 ℃，各受火孔火災(zāi)溫度分布情況如圖1～圖4所示。

2.2 火災(zāi)后材料及結(jié)構(gòu)性能的檢查

（1）混凝土回彈強(qiáng)度及碳化深度檢測(cè)

本次檢測(cè)在外觀調(diào)查基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)受損區(qū)域及受損程度的不同，分別采用鉆芯法和回彈法對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行碳化深度測(cè)試。

通過測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，箱梁受火區(qū)域混凝土回彈值離散性相對(duì)較大，回彈值隨溫度升高略有下降，說明表面混凝土強(qiáng)度值有所下降，但強(qiáng)度推定值均能滿足C50混凝土的設(shè)計(jì)要求。對(duì)同一個(gè)蓋梁而言，受火區(qū)域比未受火混凝土測(cè)得的數(shù)值離散性要大，且溫度升高時(shí)有明顯的下降趨勢(shì)，說明受火混凝土強(qiáng)度下降，但下降后的混凝土強(qiáng)度仍能滿足C30混凝土設(shè)計(jì)要求。同樣，墩柱混凝土強(qiáng)度亦能滿足設(shè)計(jì)要求，但其回彈數(shù)值在溫度升高時(shí)，變化趨勢(shì)不明顯［4］。

圖1 55#孔箱梁表面溫度分布圖

圖2 56#孔箱梁表面溫度分布圖

圖3 55#墩北側(cè)面溫度分布圖

圖4 55#墩南側(cè)面溫度分布圖

根據(jù)碳化深度測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，平均碳化深度箱梁為0～1 mm，蓋梁為4～4.5 mm，墩柱為2～5.5 mm。由上述數(shù)據(jù)可見，箱梁碳化深度較小，蓋梁、墩柱碳化深度較大，火損后時(shí)間較短，受火后結(jié)構(gòu)碳化深度無明顯增加跡象。

（2）鉆芯取樣檢測(cè)

對(duì)受損較嚴(yán)重的55#孔1#箱梁及55#墩蓋梁，選擇火損較嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行了混凝土鉆芯取樣檢測(cè)，并對(duì)芯樣進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)。由芯樣長(zhǎng)度可見，1#箱梁內(nèi)側(cè)腹板混凝土表面最大剝落深度約10 cm，外側(cè)腹板混凝土剝落深度約為6～8 cm，內(nèi)部混凝土無明顯劣化。除2#芯樣長(zhǎng)度不夠，未能進(jìn)行抗壓試驗(yàn)外，其余芯樣均進(jìn)行室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)［5］。

由結(jié)果可見，箱梁混凝土鉆芯取樣抗壓強(qiáng)度為51.5～60.2 MPa，滿足C50混凝土的設(shè)計(jì)要求，蓋梁混凝土鉆芯取樣抗壓強(qiáng)度為54.9 MPa，滿足C30混凝土的設(shè)計(jì)要求。

（3）鋼筋強(qiáng)度測(cè)定

現(xiàn)場(chǎng)截取55#孔1#箱梁內(nèi)外側(cè)腹板的縱向鋼筋及箍筋各一根進(jìn)行室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，測(cè)試火損后鋼筋的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等性能。對(duì)鋼筋試驗(yàn)進(jìn)行室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，各試樣檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

由上述結(jié)果可知，外側(cè)腹板縱向鋼筋及豎向鋼筋的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均符合規(guī)范要求，內(nèi)側(cè)腹板縱向鋼筋的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均符合規(guī)范要求，內(nèi)側(cè)腹板豎向鋼筋的屈服強(qiáng)度低于規(guī)范要求約6%。

表1 鋼筋試樣拉伸試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

（4）鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)

對(duì)箱梁底板箍筋和縱向鋼筋、蓋梁和墩柱側(cè)面箍筋進(jìn)行了保護(hù)層厚度檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，箱梁、蓋梁、墩柱鋼筋保護(hù)層厚度普遍大于設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度，其中箱梁底面縱筋平均保護(hù)層厚度大于設(shè)計(jì)值約4～5 mm，箱梁底面箍筋平均保護(hù)層厚度小于設(shè)計(jì)值5～6 mm；蓋梁橫筋平均保護(hù)層厚度大于設(shè)計(jì)值9～12 mm，蓋梁箍筋平均保護(hù)層厚度大于設(shè)計(jì)值26～28 mm；墩柱豎筋平均保護(hù)層厚度小于設(shè)計(jì)值2～3 mm，墩柱箍筋平均保護(hù)層厚度小于設(shè)計(jì)值18～19 mm。

2.3 火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷的綜合鑒定

根據(jù)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（CECS252：2009），針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受火的損傷特點(diǎn)，根據(jù)本橋檢測(cè)結(jié)果和此類橋梁的工程經(jīng)驗(yàn)分析，對(duì)火損構(gòu)件進(jìn)行鑒定評(píng)級(jí)，如表2所示。

表2 構(gòu)件火損分類

Ⅱa級(jí)構(gòu)件表面混凝土強(qiáng)度損失很小，損傷深度在0.5 cm以下，內(nèi)部鋼筋或鋼絞線性能和錨固力不受影響，構(gòu)件極限承載力和正常使用狀態(tài)抗裂性、剛度均能滿足原設(shè)計(jì)要求。Ⅱb級(jí)構(gòu)件表面混凝土強(qiáng)度迅速下降，損傷深度約為2～3 cm，極限承載力、剛度、抗裂性受影響較小，混凝土保護(hù)層在500 ℃以上時(shí)發(fā)生熱分解反應(yīng)或局部剝落，導(dǎo)致耐久性不足。Ⅲ級(jí)構(gòu)件受損表面混凝土強(qiáng)度迅速下降，受損深度可達(dá)剝落層以下3 cm以上。本橋采用澆水滅火，表層損傷混凝土均發(fā)生爆裂剝落，剝落深度最大達(dá)10 cm。極限承載能力、耐久性、剛度和抗裂性均下降。具體受損狀況需通過評(píng)估分析。

3 火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剩余承載力評(píng)估

3.1 中梁承載能力極限狀態(tài)抗剪驗(yàn)算

0～4 m范圍內(nèi)構(gòu)件尺寸扣除厚度，即翼緣板厚度按設(shè)計(jì)值扣除3 cm，外側(cè)腹板按設(shè)計(jì)值扣除8 cm,底板厚度按設(shè)計(jì)值扣除2 cm，內(nèi)側(cè)腹板按設(shè)計(jì)值扣除3 cm。

鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度為280 MPa,預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1 260 MPa。根據(jù)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（CECS252—2009）附錄E混凝土構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下溫度場(chǎng)實(shí)用曲線圖，2#梁剝落區(qū)域外側(cè)腹板鋼筋和鋼絞線受火溫度為450～500 ℃，火損后強(qiáng)度折減系數(shù)取0.9；底板及內(nèi)側(cè)腹板鋼筋和鋼絞線受火溫度為300～350 ℃，火損后強(qiáng)度折減系數(shù)取0.95；梁體混凝土受損嚴(yán)重，但內(nèi)部和上部混凝土不受影響，回彈測(cè)試結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)值，故計(jì)算中混凝土強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值。

55#孔箱梁損傷區(qū)域位于近邊支點(diǎn)0～10 m范圍，較嚴(yán)重的集中在近邊支點(diǎn)0～5 m范圍，該區(qū)段箱梁荷載作用下彎矩較小，剪力較大，故抗彎承載能力富余較多，僅對(duì)極限抗剪承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)右幅12聯(lián)組合箱梁中梁進(jìn)行極限抗剪承載能力驗(yàn)算，該區(qū)段內(nèi)箱梁最大、最小剪力及對(duì)應(yīng)抗力圖如圖5、圖6所示。

右幅第12聯(lián)邊孔2#梁距55#墩梁端0.5～2 m范圍極限抗剪承載力不滿足規(guī)范要求，抗剪極限承載力下降，較設(shè)計(jì)值差20%。

3.2 邊梁承載能力極限狀態(tài)抗剪驗(yàn)算

0～10 m范圍內(nèi)構(gòu)件尺寸扣除厚度如表3所示。

55#孔1#梁，剝落區(qū)域外側(cè)腹板及底板鋼筋和鋼絞線受火溫度為500～550 ℃，火損后強(qiáng)度折減系數(shù)取0.85；內(nèi)側(cè)腹板鋼筋和鋼絞線受火溫度為550～600 ℃，火損后強(qiáng)度折減系數(shù)取0.8；梁體混凝土受損嚴(yán)重，但內(nèi)部和上部混凝土不受影響。

右幅12聯(lián)組合箱梁邊梁損傷區(qū)域位于近邊支點(diǎn)0～10 m范圍，較嚴(yán)重的集中在近邊支點(diǎn)0～5 m范圍，故對(duì)火損后邊梁近邊支點(diǎn)段進(jìn)行極限抗剪承載能力驗(yàn)算，該區(qū)段內(nèi)箱梁最大、最小剪力及對(duì)應(yīng)抗力圖如圖7、圖8所示。

圖5 設(shè)計(jì)最大剪力及對(duì)應(yīng)抗力圖

圖6 火損前后抗力對(duì)比

表3 構(gòu)件尺寸扣除厚度

圖7 設(shè)計(jì)最大剪力及對(duì)應(yīng)抗力圖

圖8 火損前后抗力對(duì)比

右幅第12聯(lián)邊孔1#梁距55#墩梁端0.5～5 m范圍抗剪極限承載力不滿足規(guī)范要求，抗剪極限承載力下降，較設(shè)計(jì)值差31.3%。

3.3 評(píng)估結(jié)果

（1）中河特大橋右幅55#孔1#梁、2#梁完好狀態(tài)極限抗彎及抗剪承載能力均滿足85規(guī)范要求，抗裂性能滿足部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件要求，剛度驗(yàn)算滿足規(guī)范要求；

（2）火損狀態(tài)下55#孔1#梁距55#墩梁端0.5～5 m范圍抗剪極限承載力不滿足規(guī)范要求，抗剪極限承載力降低，較設(shè)計(jì)值差31.3%；

（3）火損狀態(tài)下55#孔2#梁距55#墩梁端0.5～2 m范圍極限抗剪承載力不滿足規(guī)范要求，抗剪極限承載力降低，較設(shè)計(jì)值差20%。

4 增大截面法加固設(shè)計(jì)與施工

4.1 火損結(jié)構(gòu)修復(fù)加固方案的確定

由于該橋火損較嚴(yán)重，55#孔1#、2#箱梁評(píng)定為Ⅲ級(jí)構(gòu)件，近邊支點(diǎn)0～10 m范圍，較嚴(yán)重的集中在近邊支點(diǎn)0～5 m，腹板及底板混凝土大面積剝落露筋。該區(qū)段箱梁在荷載的作用下彎矩較小，剪力較大，雖然梁體抗彎承載能力富余較多，但抗剪承載能力富余相對(duì)較少，局部區(qū)段抗剪承載能力不滿足規(guī)范要求。針對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)主要病害，加固設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為提高55#孔1#、2#箱梁近邊支點(diǎn)受損區(qū)域的抗剪承載能力。

受損構(gòu)件的抗剪承載能力不足，按照實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)首先承受施工時(shí)增大截面鋼筋混凝土的重力，在接下來的施工階段中考慮增大截面對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗彎和抗剪承載能力的作用；受損區(qū)域剝落的混凝土需事先修復(fù)，才可進(jìn)行下道工序。為此采用增大截面加固法可以精簡(jiǎn)施工工藝，且加固后整體效果較好?；谏鲜隹紤]，決定對(duì)該橋受損嚴(yán)重的55#孔1#、2#箱梁區(qū)域采用增大截面法加固修復(fù)。

4.2 方案設(shè)計(jì)

55#孔1#、2#箱梁評(píng)定為Ⅲ級(jí)構(gòu)件，較嚴(yán)重的集中在近邊支點(diǎn)0～5 m，腹板及底板混凝土大面積剝落露筋。由于破損部位集中于梁端，該處剪力較大，僅需進(jìn)行抗剪加固設(shè)計(jì)即可。鑿除1#、2#箱梁近邊支點(diǎn)0.5～5.5 m范圍內(nèi)底板、腹板疏松層混凝土至堅(jiān)硬基層，對(duì)外露鋼筋進(jìn)行除銹阻銹處理后加掛鋼筋網(wǎng)，并外包C55高性能聚合物砂漿，加固后構(gòu)件尺寸較原構(gòu)件尺寸加厚5 cm。加固方案如圖9和10所示。

圖9 鋼筋布置圖（單位：cm）

圖10 增大截面法加固總體方案（單位：m）

4.3 加固效果

對(duì)采用增大截面法加固后箱梁的抗剪極限承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果均滿足要求，加固前后1#梁抗剪承載能力對(duì)比如圖11所示；加固前后2#梁抗剪承載能力對(duì)比如圖12所示。

圖11 1#梁剪力設(shè)計(jì)值及抗力對(duì)比

圖12 2#梁剪力設(shè)計(jì)值及抗力對(duì)比

5 結(jié)論

正常運(yùn)營(yíng)的橋梁，一旦遭到火災(zāi)，就會(huì)對(duì)道路的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。要想盡可能地降低由此帶來的影響，最大限度地保護(hù)好橋梁的結(jié)構(gòu)安全，及時(shí)對(duì)火損的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固維修是非常重要的。本文結(jié)合以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和具體的工程實(shí)例，對(duì)火災(zāi)后橋梁的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、損傷鑒定、承載能力評(píng)估以及對(duì)工程實(shí)例中橋梁火災(zāi)后的增大截面加固進(jìn)行了研究，可為增大截面法加固類似遭受火災(zāi)橋梁提供借鑒。

［1］俞博，葉見曙，溫天宇.火災(zāi)后混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的工程對(duì)策研究［C］∥全國(guó)既有橋梁加固、改造與評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：人民交通出版社，2008.

［2］陸洲導(dǎo).鋼筋混凝土梁對(duì)火災(zāi)反應(yīng)的研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，1989.

［3］吳波，袁杰，王光遠(yuǎn).高溫后高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2000，33（2）：8-12.

［4］楊彥克.火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估現(xiàn)狀與發(fā)展［C］∥結(jié)構(gòu)工程科學(xué)青年專家研討會(huì)論文集，北京：科學(xué)出版社，1992：250-259.

［5］杜紅秀.混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷評(píng)估方法研究進(jìn)展［J］.工程質(zhì)量，2006（4）：8-14.

Application of Section Enlargement Method in Fire-Damaged Bridge Reinforcement

Deng Xiaoduo1, Wang Liang2
（1. Jiangsu SunDian Highway Engineering Company, Nanjing 210049, China; 2. Jiangsu Ningchangzhenli Expressway Co., Ltd., Changzhou 213245, China）

High temperature of fire-damaged bridge would cause reduction of the reinforced concrete strength and elastic modulus and other mechanical properties. Bond strength of concrete and steel decreased. And bridge bearing capacity declined, which would ultimately affect the safe operation of the road. Combining with the engineering case, this paper introduced the field investigation and detection of the fire-damaged bridge and the assessment of the residual bearing capacity, and finally section enlargment method was used for reinforcement and maintenance of the bridge, which provided reference for the reinforcement and maintenance of the fire-damaged bridge.

fire; detection and evaluation; reinforcement and maintenance; section enlargement method

U445.7+2

A

1672-9889（2016）06-0067-05

2016-02-18）

鄧曉多（1984-），男，安徽滁州人，助理工程師，主要從事高速公路工程養(yǎng)護(hù)工作。