雙柱式橋墩受火損傷后受力性能評估及加固

陳 云

(廣東省高速公路發(fā)展股份有限公司佛開分公司，廣東 佛山 528000)

0 引言

佛開高速公路龍山跨線橋運營樁號為K74+092，橋長927.28m，原為雙向四車道，擴建完成后為雙向八車道，左右幅分離設置，各55跨。上部結構形式有鋼筋混凝土簡支T梁、預應力混凝土連續(xù)箱梁以及預應力混凝土簡支空心板；下部結構為單柱或雙柱式橋墩，座板式橋臺；橋面鋪裝為混凝土橋面鋪裝，支座為板式橡膠支座。舊橋于1996年12月建成通車，擴建橋于2012年12月通車。舊橋設計荷載等級為：汽-超20，掛-120；擴建橋荷載等級為：公路-I級。

2018年1月1日20:50，龍山跨線橋舊橋L14-1#立柱底部及附近區(qū)域發(fā)生火燒事故，產生火災的燃燒物為生活垃圾和部分廢棄家私(含有海綿)，火災持續(xù)時間不明確，墩柱受到了一定程度的損傷。橋墩構造如圖1所示。

圖1 龍山跨線橋舊橋L14#橋墩構造 (單位:cm)

1 橋墩受火損傷后的病害

1.1 外觀狀況

從現(xiàn)場狀況來看，火災主要影響范圍為L14-1#立柱內側、廣州側自地面起約2m高的區(qū)域，混凝土表面局部剝落、空鼓。具體表現(xiàn)：

(1)L14-1#立柱內側面混凝土剝落露筋，A=0.75m×1.90m，深度9～16cm，其中廣州側邊緣混凝土剝落約16cm且露筋，開平側邊緣混凝土剝落約9cm。局部混凝土燒傷后呈淺灰白色，敲擊受影響區(qū)域無異響。根據混凝土表面顏色、破損剝落、錘擊反應等推斷：剝落前混凝土表面溫度約900℃；剝落后混凝土表面溫度約300℃，剝落后混凝土面損傷深度約1～2cm。

(2)L14-1#立柱廣州側局部混凝土剝落，A=0.16m×1.9m，深度約1～2cm，局部混凝土燒傷后呈淺灰白色。敲擊未剝落區(qū)有異響，面積為A=0.68m×1.9m。根據混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應等推斷：剝落前混凝土表面溫度約900℃；剝落后表面溫度約300℃，剝落后混凝土面損傷深度約1～2cm。

(3)L14-1#立柱開平側受影響面積較小，僅靠近內側面邊緣混凝土剝落，A=0.3m×1.9m，其它位置敲擊后無異響。

(4)根據火燒后混凝土剝落的面積推斷，剝落處截面折減后約為86%。

病害情況如圖2～圖4所示。

圖2 病害情況

圖3 L14-1#立柱病害

圖4 L14-1#立柱橫截面病害

1.2 碳化深度檢測結果

對舊橋L14-1#墩柱燒傷區(qū)域和非燒傷區(qū)域進行碳化深度檢測，檢測結果見表1。表明：

(1)燒傷區(qū)域混凝土剝落后混凝土表面無碳化；

(2)表面正常區(qū)域、表面熏黑但混凝土未剝落區(qū)域、敲擊異響區(qū)域的碳化深度為13～20mm。

通過數(shù)據對比分析，該次火燒事故對L14-1#墩柱混凝土碳化影響較小。

表1 碳化深度檢測結果

1.3 混凝土強度檢測結果

對L14-1#、L14-2#立柱抽芯，進行混凝土抗壓強度測試。立柱混凝土強度設計標號為25#，測試結果見表2。

(1)L14-1#立柱燒傷區(qū)域混凝土抗壓強度推定值為38.1MPa；

(2)L14-2#立柱無燒傷區(qū)域混凝土抗壓強度推定值為39.3MPa。

結果表明，墩柱受火后燒傷區(qū)域的混凝土的抗壓強度相對于損傷前變化不大。

表2 鉆芯法混凝土抗壓強度試驗結果

2 橋墩受火損傷后的受力性能計算評估

2.1 計算評估思路及依據[1-2]

通過對比受火損傷前后墩柱的偏壓承載能力及偏壓裂縫寬度的方式，評估橋墩受火損傷后的受力性能。計算評估過程中的常規(guī)計算參數(shù)按原設計進行取值，但受火損傷后橋墩主要材料及截面特性的變化按以下考慮。

2.1.1 混凝土材料特性的變化

根據鉆芯法混凝土強度測試結果，L14-1#墩柱燒傷區(qū)混凝土測試強度為38.1MPa，L14-2#墩柱無燒傷區(qū)為39.3MPa，均大于設計強度，可按原設計25#混凝土的強度進行驗算。

2.1.2 普通鋼筋材料特性的變化

根據檢測結果，L14-1#墩柱廣州側混凝土剝落2cm后表面溫度達到300℃，推斷主受力鋼筋處溫度達300℃。

依據《火災后建筑結構鑒定標準》(CECS 252：2009)附錄F.0.1-2[3]，按照溫度300℃高溫冷卻后對普通鋼筋取強度折減系數(shù)0.95。

2.1.3 墩柱截面特性的變化

L14-1#墩柱橫橋向內側混凝土最大剝落厚度為16cm，順橋向廣州側最大剝落厚度為2cm，且剝落后混凝土面均損傷約2cm。按以上對墩柱截面進行折減，折減后橫橋向為77cm，順橋向為71cm。

2.2 計算評估對比結果

建立墩樁計算模型，下部約束為模擬土彈簧。結構計算模型如圖5所示。

圖5 結構計算模型

2.2.1 承載能力極限狀態(tài)

墩柱關鍵截面的抗彎承載力驗算結果見表3。驗算結果表明，墩柱抗彎承載力滿足規(guī)范要求。L41-1#墩柱受火損傷后，損傷截面處抗彎承載力較大降低，富余度僅為2.5%。

表3 墩柱關鍵截面抗彎承載力驗算結果

2.2.2 正常使用極限狀態(tài)

墩柱關鍵截面裂縫的驗算結果見表4。驗算結果表明，L41-1#墩柱受火損傷后，損傷截面處計算裂縫寬度有所增大，但依然滿足規(guī)范要求。

表4 墩柱關鍵截面裂縫驗算結果

3 加固方案及效果分析

3.1 加固方案

受火損傷后L14-1#墩柱混凝土最大剝落深度為16cm，部分位置露筋，且受火損傷后抗彎承載力出現(xiàn)較明顯下降，富余度僅為2.5%。針對結構病害，常規(guī)的做法是采用增大截面的方式進行處理，提高墩柱承載能力，增大墩柱剛度。具體方法為：鑿除墩柱燒傷部位表面松散的混凝土，直至露出新鮮堅硬的混凝土骨料；對墩柱相應位置植筋，并綁扎鋼筋籠，支模澆筑C40混凝土。對L14-1#墩柱截面增大15cm厚，加固后墩柱截面尺寸為135cm×105cm。

圖6 墩柱加大截面構造(單位：cm)

3.2 加固效果分析[4-5]

3.2.1 承載能力極限狀態(tài)

墩柱關鍵截面抗彎承載力驗算結果見表5。驗算結果表明，加固完成后，承載能力極限狀態(tài)下，墩柱抗彎強度滿足規(guī)范要求。原截面損傷處抗彎承載力富余度達220.8%。

表5 墩柱關鍵截面抗彎承載力驗算結果

3.2.2 正常使用極限狀態(tài)

墩柱關鍵截面裂縫驗算結果見表6。驗算結果表明，L41-1#墩柱加固完成后，正常使用極限狀態(tài)下，墩柱裂縫驗算寬度滿足規(guī)范要求。

表6 墩柱關鍵截面裂縫驗算結果

3.2.3 驗算結論

加固后的驗算結果表明，采用加大截面法對墩柱進行加固后，墩柱的偏壓承載能力和偏壓裂縫計算寬度相對于受火損傷后均有較大的改善，結果均能滿足規(guī)范要求。

4 結語

鋼筋混凝土結構受火損傷可導致混凝土強度、鋼筋強度及截面有所損失，采用加大截面法進行加固，能有效地提高截面的承載能力。