淺談混凝土橋梁火災(zāi)后檢測(cè)評(píng)估要點(diǎn)

史志想，趙 琳

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市 201108）

0 引言

近年來，由于橋下空間使用安全及管理不到位，橋下火災(zāi)事故造成的混凝土橋梁使用安全問題時(shí)有發(fā)生。由于橋梁結(jié)構(gòu)混凝土具有遇高溫易變性的特點(diǎn)，一般都會(huì)發(fā)生物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)兩方面的變化，從而造成了橋梁結(jié)構(gòu)的損傷，承載能力與穩(wěn)定性下降，對(duì)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)造成重大影響。為保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)，本文介紹了某座混凝土橋梁火災(zāi)后的檢測(cè)評(píng)估內(nèi)容及評(píng)估過程，為以后類似橋梁的檢測(cè)工作和后期維修加固工作提供借鑒。

1 工程概況

某橋跨徑組合為4×20.0 m（北引橋）+76.0 m（主橋）+4×20.0 m（南引橋），主橋?yàn)橄鲁惺较禇U拱，兩端引橋均為4 跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支板梁。引橋各跨均由8 榀預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁組成，引橋下部結(jié)構(gòu)采用輕型橋臺(tái)，樁柱式橋墩每個(gè)橋墩蓋梁下方均設(shè)2 根直徑為0.8 m 的圓形立柱。

為便于說明，對(duì)橋梁的主要構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)：

（1）橋梁墩臺(tái)編號(hào)：由北往南依次為0# 臺(tái)、1#墩、2#墩、3#墩、…、9#臺(tái)。

（2）橋跨編號(hào)：由北往南依次為1# 跨、2# 跨、3#跨、…、9#跨。

（3）引橋主梁編號(hào)：按跨由東往西依次編號(hào)，編號(hào)示例：0-1-2#板梁表示0#橋臺(tái)與1#橋墩之間橋跨從東到西數(shù)的第2 榀板梁。

（4）立柱按橋墩由東向西依次編號(hào)，編號(hào)示例：1-2# 立柱表示1#橋墩從東向西數(shù)的第2 根立柱。

2018 年4 月13 日下午14 時(shí)左右，北端引橋1#～3# 跨橋下堆積的大量樹枝、垃圾等易燃雜物發(fā)生燃燒，當(dāng)日下午17 時(shí)許火災(zāi)被撲滅?；馂?zāi)發(fā)生后第2天，檢測(cè)人員對(duì)該橋進(jìn)行了專項(xiàng)檢測(cè)，確定火災(zāi)的影響區(qū)為北端引橋1#～3# 跨，造成該范圍主梁及橋墩不同程度受損。某橋火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)見圖1，火災(zāi)影響區(qū)示意見圖2。

圖1 某橋火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2 某橋火災(zāi)影響區(qū)示意圖（單位：mm）

2 火災(zāi)后檢測(cè)與評(píng)估

2.1 火災(zāi)影響范圍調(diào)查

根據(jù)調(diào)查得知，本次火災(zāi)發(fā)生于2018 年4 月13日，火災(zāi)位置位于該橋北3 跨（主要為第1～2 跨）范圍，橋底明火當(dāng)天用水撲滅后，該處橋底仍堆有較多未燃盡枯樹枝等雜物（見圖1）。

該橋北3 跨（第1～第3 跨）上部結(jié)構(gòu)主梁及1#、2#橋墩蓋梁、立柱表面均有一定程度的火災(zāi)熏黑痕跡、混凝土剝落，其中第2 跨1#～7# 板梁全跨范圍及1#、2# 橋墩立柱受火災(zāi)影響較嚴(yán)重，尤以2# 橋墩立柱所受影響最嚴(yán)重，其表面混凝土大面積剝落且多處箍筋外露（見圖3、圖4）。

圖3 2# 橋墩受火災(zāi)后情況

圖4 第2 跨梁底受火災(zāi)后情況

2.2 火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

（1）受火災(zāi)影響嚴(yán)重的2-1#、2-2#橋墩立柱表面在可見高度范圍內(nèi)混凝土成塊起殼剝落、多處箍筋外露。剝離表面疏松混凝土后，受損最薄弱截面最大剝落深度為35 mm，立柱直徑由原來的800 mm 縮頸至730 mm；受火災(zāi)影響區(qū)域的混凝土呈淺黃色，錘子敲擊后聲音發(fā)悶（見圖5）。

圖5 2-1#、2-2# 立柱表面混凝土大面積起殼剝落、箍筋外露

（2）1-1#、1-2# 立柱受火災(zāi)影響亦較嚴(yán)重，立柱表面混凝土多處剝落（最大剝落深度為20 mm）；受火災(zāi)影響區(qū)域的混凝土呈灰白、顯淺黃色，錘子敲擊后聲音較悶。

（3）1#、2# 橋墩蓋梁相對(duì)橋墩立柱受火災(zāi)影響程度較小，混凝土剝落深度相對(duì)較小（最大為10 mm），蓋梁底面局部箍筋外露，混凝土錘子敲擊后聲音較響亮，但仍有大范圍的零星剝落（見圖3）。

（4）受火災(zāi)影響相對(duì)較嚴(yán)重的1-2-1#～7#板梁底面在全跨范圍內(nèi)均存在不同程度的混凝土剝落（見圖4），其中1-2-3# 板梁最為嚴(yán)重，全跨范圍內(nèi)均有大面積剝落，最大剝落深度為15 mm，局部箍筋外露（見圖6）。受火災(zāi)影響區(qū)域的混凝土呈淺灰白，錘子敲擊后聲音較響亮。

圖6 1-2-3# 板梁受火燒影響嚴(yán)重

（5）第1 跨板梁（0-1-1#～8# 板梁）相對(duì)第2 跨板梁受損程度較輕，梁底南半跨出現(xiàn)零星剝落；第3跨板梁（2-3-1#～7# 板梁）受損程度最輕，僅梁底北部出現(xiàn)個(gè)別深度較淺的剝落。

橋梁結(jié)構(gòu)混凝土大面積剝落是由于長(zhǎng)時(shí)間在火焰和高溫?zé)釟獾淖饔孟拢Y(jié)構(gòu)表面混凝土溫度急劇升高后膨脹崩落，且由于在火災(zāi)發(fā)生后采用水冷卻撲火的辦法，高溫混凝土在水冷卻時(shí)更易產(chǎn)生大面積剝落。橋梁結(jié)構(gòu)表面混凝土剝落后，構(gòu)件承重截面將減小，且混凝土抗壓強(qiáng)度及鋼筋彈性模量也有一定程度的降低，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力及耐久性均不利。

受火災(zāi)影響較嚴(yán)重的北3 跨上、下部結(jié)構(gòu)混凝土剝落范圍、剝落深度和損傷程度匯總情況見表1。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)火災(zāi)狀況統(tǒng)計(jì)匯總表

2.3 混凝土火燒時(shí)表面溫度判斷

根據(jù)外觀缺陷檢查結(jié)果，參照《火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 252—2019）附錄A“混凝土構(gòu)件表面特征與溫度的關(guān)系”[1]，判斷火災(zāi)時(shí)該橋北3 跨上、下部結(jié)構(gòu)混凝土表面溫度情況，結(jié)果見表2。

表2 北3 跨橋梁結(jié)構(gòu)火災(zāi)時(shí)溫度情況統(tǒng)計(jì)匯總表

2.4 火災(zāi)時(shí)鋼筋溫度判斷及強(qiáng)度降低評(píng)定

過鎮(zhèn)海等介紹了火災(zāi)時(shí)鋼筋混凝土板截面溫度場(chǎng)分布曲線、柱截面溫度場(chǎng)分布曲線[2]。

依據(jù)上述文獻(xiàn)中的溫度場(chǎng)分布曲線和《火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 252—2019）附錄G，可得到受火災(zāi)影響較嚴(yán)重的構(gòu)件在火災(zāi)時(shí)的鋼筋溫度和火災(zāi)后的鋼筋強(qiáng)度折減系數(shù)，見表3。

表3 火災(zāi)時(shí)鋼筋溫度推斷及火災(zāi)后剩余性能

2.5 火災(zāi)影響主梁梁底預(yù)拱度線形檢測(cè)

該橋北3 跨上部結(jié)構(gòu)均為標(biāo)準(zhǔn)跨徑20 m 的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁。通過測(cè)量受火災(zāi)影響較嚴(yán)重的主梁梁底預(yù)拱度線形，并對(duì)比未受火災(zāi)影響或影響較小的主梁梁底預(yù)拱度線形檢測(cè)結(jié)果，可以了解火災(zāi)對(duì)主梁預(yù)應(yīng)力損失的影響程度。

板梁梁底預(yù)拱度線形測(cè)量使用徠卡TS-60 全站儀，采用無棱鏡測(cè)量模式，隨機(jī)抽取1#～3# 跨共10榀板梁進(jìn)行梁底線形測(cè)量。以各跨北端為坐標(biāo)原點(diǎn)建立二維坐標(biāo)系，橋長(zhǎng)方向?yàn)闄M坐標(biāo)，梁底高程為縱坐標(biāo)。實(shí)測(cè)板梁梁底預(yù)拱度線形圖見圖7。

圖7 實(shí)測(cè)板梁梁底預(yù)拱度線形圖

本次抽檢的受火災(zāi)影響較嚴(yán)重的7 榀板梁和受火災(zāi)影響較小的3 榀板梁梁底預(yù)拱度線形無明顯下?lián)?，跨中處預(yù)拱度實(shí)測(cè)值為18.661 1～36.958 3 m，即火災(zāi)對(duì)上部結(jié)構(gòu)主梁未產(chǎn)生明顯的下?lián)匣蛏瞎埃f明火災(zāi)對(duì)上部結(jié)構(gòu)主梁預(yù)應(yīng)力損失影響較小。這與在梁底及橋面跨中范圍未發(fā)現(xiàn)橫向結(jié)構(gòu)性裂縫的現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果相一致。

2.6 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)

該橋北3 跨上下部結(jié)構(gòu)多個(gè)構(gòu)件因火災(zāi)作用影響，構(gòu)件表面混凝土大面積剝落，鋼筋保護(hù)層厚度減小，隨著時(shí)間的推移，保護(hù)層的碳化深度逐漸增大，對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性及承載能力不利。

檢測(cè)選取受火災(zāi)影響較嚴(yán)重的10 個(gè)構(gòu)件（共200 個(gè)測(cè)點(diǎn)），測(cè)量構(gòu)件混凝土剝落后的鋼筋保護(hù)層厚度，并選取受火災(zāi)影響較小或未受火災(zāi)影響的3個(gè)構(gòu)件（共60 個(gè)測(cè)點(diǎn)）測(cè)量其鋼筋保護(hù)層厚度，通過對(duì)比來判斷火災(zāi)后保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋的影響程度。

檢測(cè)結(jié)果表明：抽檢的受火災(zāi)影響較為嚴(yán)重的上部結(jié)構(gòu)1#、2# 跨板梁縱向構(gòu)造鋼筋保護(hù)層厚度平均值為26.6～28.2 mm；抽檢的受火災(zāi)影響較小的3# 跨板梁縱向構(gòu)造鋼筋保護(hù)層厚度平均值分別為34.7 mm、33.5 mm。受火災(zāi)影響較為嚴(yán)重的板梁在混凝土剝落后，其縱向構(gòu)造鋼筋的保護(hù)層厚度已不滿足規(guī)范規(guī)定的保護(hù)層厚度為30 mm 的要求，表明火災(zāi)作用對(duì)板梁縱向構(gòu)造鋼筋的保護(hù)層厚度有一定程度的影響，這與板梁表層混凝土剝落情況的現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果相一致。

抽檢的受火災(zāi)影響最為嚴(yán)重的2-1#、2-2# 橋墩立柱箍筋保護(hù)層厚度平均值分別為21.3 mm、19.3 mm，較為嚴(yán)重的1-1#、2-1# 橋墩立柱及1#、2#橋墩蓋梁箍筋保護(hù)層厚度平均值為29.7～39.1 mm；抽檢的未受火災(zāi)影響的3-1# 橋墩立柱箍筋保護(hù)層厚度平均值為49.7 mm。受火災(zāi)影響較嚴(yán)重的蓋梁及立柱箍筋保護(hù)層平均值雖滿足或略小于規(guī)范規(guī)定的箍筋最小保護(hù)層厚度20 mm 的要求，但其最小值19.3 mm 已遠(yuǎn)小于未受火災(zāi)影響的橋墩立柱箍筋保護(hù)層厚度49.7 mm 的實(shí)測(cè)值，且現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)已發(fā)現(xiàn)橋墩立柱多處因火災(zāi)作用而使箍筋外露，表明火災(zāi)作用對(duì)橋墩立柱及蓋梁箍筋的保護(hù)層影響較大，應(yīng)及時(shí)予以處理。

2.7 混凝土碳化深度檢測(cè)

北3 跨上下部結(jié)構(gòu)多個(gè)構(gòu)件因火災(zāi)作用影響，構(gòu)件表面混凝土大面積剝落，鋼筋保護(hù)層厚度減小，且隨著時(shí)間的推移，剝落處混凝土的碳化深度逐漸增大，對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性不利。

碳化深度檢測(cè)亦選取受火災(zāi)影響較嚴(yán)重的10個(gè)構(gòu)件（共30 個(gè)測(cè)區(qū)），測(cè)量混凝土剝落后構(gòu)件表面混凝土保護(hù)層的碳化深度值，與構(gòu)件混凝土剝落處的鋼筋保護(hù)層厚度平均值作比較，以判斷混凝土剝落后的保護(hù)層碳化情況對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響程度，并選取受火災(zāi)影響較小或未受火災(zāi)影響的3 個(gè)構(gòu)件（共9 個(gè)測(cè)區(qū)）測(cè)量其混凝土保護(hù)層碳化深度值。

檢測(cè)結(jié)果表明：抽檢的受火災(zāi)影響較嚴(yán)重的10個(gè)構(gòu)件，其混凝土剝落后的保護(hù)層碳化深度平均值為0.5～1.0 mm，抽檢的受火災(zāi)影響較小或未受火災(zāi)影響的3 個(gè)構(gòu)件，混凝土保護(hù)層的碳化深度平均值為2.0～5.5 mm。

由于受火災(zāi)影響較嚴(yán)重的各構(gòu)件碳化深度測(cè)量均位于混凝土剝落區(qū)（鑿除疏松混凝土后并打磨），故得到的碳化深度較小。但混凝土剝落后鋼筋的保護(hù)層厚度相對(duì)減小，隨著時(shí)間的推移及保護(hù)層碳化深度的逐漸增大，構(gòu)件主筋的銹蝕可能性增大，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性均不利，應(yīng)及時(shí)予以處理。

2.8 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

選取受火災(zāi)影響較嚴(yán)重的10 個(gè)構(gòu)件，鑿除構(gòu)件剝落處疏松的混凝土后露出新鮮的混凝土并打磨清理干凈，然后進(jìn)行回彈檢測(cè)；同時(shí)選取受火災(zāi)影響較小或未受火災(zāi)影響的3 個(gè)構(gòu)件進(jìn)行回彈檢測(cè)。2 種回彈檢測(cè)結(jié)果匯總表見表4。

表4 回彈檢測(cè)結(jié)果匯總表 單位：MP a

由表4 可知，在板梁底面及橋墩表面受火災(zāi)影響區(qū)域，經(jīng)打磨出新鮮混凝土后，其強(qiáng)度并未明顯降低。

2.9 承載能力評(píng)估

火災(zāi)后橋梁上部結(jié)構(gòu)主梁及下部結(jié)構(gòu)橋墩立柱承載能力計(jì)算方法與原設(shè)計(jì)計(jì)算方法相同，但原材料參數(shù)發(fā)生了變化，混凝土及鋼筋強(qiáng)度有所降低，導(dǎo)致主梁及立柱的承載能力降低，同時(shí)高溫會(huì)使結(jié)構(gòu)混凝土剝落，從而造成主梁、立柱截面面積減小，截面慣性矩、剛度發(fā)生變化[3]。

計(jì)算荷載包括恒載和活載，恒載包括主梁、橋面鋪裝、欄桿等附屬設(shè)施的自重。采用汽車-20 級(jí)作為計(jì)算活載、掛車-100 作為驗(yàn)算荷載。本次計(jì)算僅針對(duì)北3 跨引橋上部主體結(jié)構(gòu)及引橋橋墩立柱進(jìn)行，檢算中結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度與外觀尺寸以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為準(zhǔn)，無法檢測(cè)的內(nèi)容參考同時(shí)期同類型橋梁圖紙。

上部結(jié)構(gòu)主梁計(jì)算參數(shù)：

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，北3 跨引橋上部結(jié)構(gòu)主梁間橫向聯(lián)系均按完好狀態(tài)考慮。

（2）北3 跨引橋上部結(jié)構(gòu)板梁跨徑、尺寸相同，且邊梁與中梁配筋情況一致，故本次檢算時(shí)“完好狀態(tài)”選取其中1 跨橫向分布系數(shù)最大的板梁。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，受火災(zāi)影響較為嚴(yán)重的板梁梁底混凝土最大剝落深度為15 mm；目前狀態(tài)檢算時(shí)，選取橫向分布系數(shù)最大的1 榀板梁并考慮梁高折減15 mm計(jì)算。主筋抗拉強(qiáng)度折減2%，按原設(shè)計(jì)0.98 倍取用。

（4）根據(jù)無損檢測(cè)結(jié)果，上部結(jié)構(gòu)板梁混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度推定值均不小于40.6 MPa；本次檢算時(shí)板梁混凝土各項(xiàng)材料指標(biāo)按40 號(hào)（C38）混凝土取值。

下部結(jié)構(gòu)主梁計(jì)算參數(shù)：

（1）下部結(jié)構(gòu)針對(duì)受火災(zāi)影響嚴(yán)重的橋墩立柱抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢算，以判斷橋墩立柱在目前狀態(tài)下是否滿足計(jì)算荷載的安全承載要求。

（2）根據(jù)無損檢測(cè)結(jié)果，橋墩立柱實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度推定值均不小于32.6 MPa；本次檢算時(shí)偏安全考慮，橋墩立柱混凝土各項(xiàng)材料指標(biāo)按30 號(hào)（C28）混凝土取值。

（3）2-1# 橋墩立柱因火燒作用影響導(dǎo)致立柱直徑由原來的80 cm 縮頸至73 cm，故目前狀態(tài)下橋墩立柱的檢算截面按直徑73 cm 取值，主筋抗拉強(qiáng)度降低10%，按設(shè)計(jì)0.9 倍取用。

計(jì)算結(jié)論：目前北3 跨上部結(jié)構(gòu)板梁、下部結(jié)構(gòu)橋墩立柱承載能力均能夠滿足計(jì)算荷載汽車-20級(jí)、掛車-100 的安全承載要求。

3 火災(zāi)后檢測(cè)評(píng)估結(jié)果綜述

（1）該橋北3 跨上下部結(jié)構(gòu)受火災(zāi)影響，1#、2#橋墩蓋梁、立柱及第1、第2 跨上部結(jié)構(gòu)多榀板梁底面混凝土大面積剝落，部分位置箍筋外露。其中2# 橋墩立柱在可見高度范圍內(nèi)混凝土成塊起殼、剝落，立柱直徑由原來的80 cm 縮頸至73 cm，導(dǎo)致橋墩立柱內(nèi)部鋼筋受力性能下降，板梁及橋墩立柱、蓋梁混凝土強(qiáng)度退化和受力面積縮減，在一定程度上降低了上、下部結(jié)構(gòu)的承載能力。

（2）結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果表明，火災(zāi)后該橋北3 跨上部結(jié)構(gòu)板梁、下部結(jié)構(gòu)橋墩立柱承載能力均能夠滿足計(jì)算荷載汽車-20 級(jí)、掛車-100 的安全承載要求。

（3）受火災(zāi)作用影響，下部結(jié)構(gòu)橋墩立柱及上部結(jié)構(gòu)板梁表面混凝土大面積剝落，局部露筋，且2#橋墩立柱全截面縮頸達(dá)17%，橋梁上下部結(jié)構(gòu)主要部件材料有嚴(yán)重缺損，出現(xiàn)中等功能性病害，影響橋梁安全。依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）第4.1.8 條“全橋總體技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定時(shí)，當(dāng)主要部件評(píng)分達(dá)到4 類或5 類且影響橋梁安全，可按照橋梁主要部件最差的缺損狀況評(píng)定”[4]，由于目前該橋橋墩的缺損狀況影響橋梁安全，彩虹路河祝橋（北3 跨）總體技術(shù)狀況評(píng)定按照橋墩的缺損狀況進(jìn)行評(píng)定，即該橋總體技術(shù)狀況等級(jí)為4 類（主要構(gòu)件有較大缺損，嚴(yán)重影響橋梁使用功能）。

4 維修加固及管養(yǎng)建議

結(jié)合本橋北3 跨存在的病害及其形成原因，并參考同類型橋梁處理措施[5-6]，對(duì)該橋提出維修加固思路如下：

（1）先鑿除被火灼傷的橋墩蓋梁及立柱起殼疏松的混凝土，對(duì)受火災(zāi)影響嚴(yán)重的1-1#、1-2#、2-1#及2-2# 共4 個(gè)橋墩立柱采用鋼筋混凝土圍套的方法予以維修，對(duì)橋墩蓋梁用聚合物修補(bǔ)砂漿補(bǔ)平。

（2）建議鑿除被火灼傷的板梁起殼疏松混凝土，用聚合物修補(bǔ)砂漿補(bǔ)平后，再用賽柏斯涂刷2 遍，以確保結(jié)構(gòu)的耐久性。若條件允許，建議對(duì)第1、第2 跨上部結(jié)構(gòu)板梁底面粘貼碳纖維布予以加固。

（3）橋梁維修完成后方可通行。

（4）橋下空間使用應(yīng)滿足橋梁安全需求，橋下空間使用單位應(yīng)建立健全消防安全管理制度、環(huán)境衛(wèi)生管理制度，且橋下空間使用不得影響橋梁日常養(yǎng)護(hù)、維修、檢測(cè)作業(yè)。

5 結(jié)語

（1）火災(zāi)后鋼筋混凝土橋梁的混凝土和鋼筋的力學(xué)性能都發(fā)生了一定程度的變化，此時(shí)的橋梁檢測(cè)評(píng)估工作與一般情況下在役橋梁相比有較大不同。為確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)，采取適合方法對(duì)受火災(zāi)影響的橋梁實(shí)際狀況進(jìn)行科學(xué)合理的檢測(cè)評(píng)估是非常必要的。

（2）本文結(jié)合某橋梁火災(zāi)后專項(xiàng)檢測(cè)的項(xiàng)目、方法、結(jié)果、評(píng)估及相應(yīng)的維修處理建議，為火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)的處理決策提供技術(shù)依據(jù)。