火災(zāi)后的損傷橋梁檢測(cè)與有限元仿真分析

郭 釗，張 新

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

近年來(lái)，隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的大力實(shí)施，我國(guó)的公路通車?yán)锍逃辛孙@著增長(zhǎng)，截至2020年底，橋梁總數(shù)已達(dá)100萬(wàn)余座，各類橋梁遭受車輛起火等原因而導(dǎo)致重大事故的情況屢見(jiàn)不鮮[1]。橋梁遭受火災(zāi)不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的性能造成影響。在高溫的作用下，結(jié)構(gòu)表面的混凝土發(fā)生剝落、松散，混凝土強(qiáng)度隨之降低，碳化深度加深，使得鋼筋與混凝土之間不能形成有效粘結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的承載力降低，最終致使橋梁存在安全隱患并危及行車安全[2-4]。因此，對(duì)發(fā)生火災(zāi)后的橋梁及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，有利于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度做出正確的判斷，以便于為后續(xù)制定橋梁的維修加固方案提供依據(jù)[5]。本文介紹了湘西州某高速路橋火災(zāi)后的檢測(cè)評(píng)估情況，并借助有限元軟件模擬分析了橋梁的剩余承載力以及梁體開裂情況，可為今后同類橋梁在遭受火災(zāi)后進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估提供參考借鑒。

1 工程概況

受火橋梁位于杭瑞高速吉懷段，該橋于2012年檢測(cè)通車，為整體式路基橋梁。其上部構(gòu)造采用30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，跨徑組合為：左幅(5×30)+(5×30)m；右幅(5×30)+(6×30)m，為先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)體系；下部結(jié)構(gòu)為雙圓柱橋墩、樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)采用肋板式橋臺(tái)、U型橋臺(tái)、樁基礎(chǔ)。橋梁全長(zhǎng)306.5 m；設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路-I級(jí)；橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土橋面鋪裝+防水層+8 cm厚混凝土現(xiàn)澆層；橋梁兩側(cè)分別安裝有墻式護(hù)欄和波形梁護(hù)欄。

該橋在2020年12月29日凌晨，在鳳凰縣往吉首市方向發(fā)生交通事故并導(dǎo)致車輛起火。

2 火災(zāi)后橋梁檢測(cè)及結(jié)果分析

2.1 橋體外觀檢測(cè)

經(jīng)初步檢查發(fā)現(xiàn)，橋面鋪裝的瀝青混凝土按損傷情況可分為兩個(gè)區(qū)段，縱橋向第8跨距7#墩6 m至第8#墩范圍以及第9跨距8#墩0～8 m范圍，橫橋向整個(gè)橋面寬度為過(guò)火區(qū)段1，該區(qū)段橋面受火后出現(xiàn)表層局部瀝青脫落，橋面出現(xiàn)坑槽，最大坑槽深度達(dá)到4～5 cm之間；縱橋向第7跨距6#墩14～30 m，第8跨距7#墩0～6 m以及第9跨距8#墩8～12 m，橫橋向整個(gè)橋面寬度為過(guò)火區(qū)段2，該區(qū)段橋面受火后出現(xiàn)表面火燒痕跡，局部松散、露骨、坑槽。橋面鋪裝損傷見(jiàn)圖1所示。

圖1 橋面火燒區(qū)域分布示意圖(單位：cm)

橋上護(hù)欄也因火災(zāi)影響出現(xiàn)不同程度的損傷，其中：第7跨左側(cè)護(hù)欄距7#墩0～18 m范圍內(nèi)混凝土面淺灰白，護(hù)欄受火后出現(xiàn)表層局部混凝土脫落，少量露筋的現(xiàn)象，小錘敲擊聲音較悶，混凝土脫落，留下痕跡；第8跨距7#墩大里程方向0～24 m范圍內(nèi)左側(cè)護(hù)欄，以及第7跨距7#墩頂0～16 m范圍內(nèi)右側(cè)護(hù)欄混凝土表面淺灰，受火后出現(xiàn)其表面輕微松散；第8跨距8#墩0～6 m范圍內(nèi)左側(cè)護(hù)欄，以及第九跨距8#墩0～18.5 m范圍內(nèi)輕微過(guò)火，混凝土表面基本無(wú)影響?；馂?zāi)對(duì)橋梁伸縮縫裝置無(wú)影響。依據(jù)規(guī)范《火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECS 252—2019)中有關(guān)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件初步鑒定評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)及時(shí)對(duì)因火災(zāi)受損嚴(yán)重的欄桿進(jìn)行加固處理。

護(hù)欄撞損對(duì)應(yīng)位置T梁外側(cè)翼緣板根部未見(jiàn)明顯開裂。該橋上部承重構(gòu)件主要病害為T梁剝落露筋，外側(cè)T梁泄水孔下方位置多處銹脹開裂、露筋，此次火災(zāi)事故未對(duì)上部結(jié)構(gòu)造成重大影響。此外，火災(zāi)對(duì)下部結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施的影響也有限，下部結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有火損。

2.2 橋面鋪裝鉆芯檢測(cè)及分析

在橋梁左幅燒毀影響較大、影響較低、沒(méi)有影響的三處區(qū)域分別鉆取3個(gè)芯樣，現(xiàn)場(chǎng)量取瀝青面層厚度并觀察外觀。

影響較大區(qū)域?yàn)闃蛄鹤蠓?跨，影響較低區(qū)域?yàn)闃蛄鹤蠓?跨，沒(méi)有影響區(qū)域?yàn)闃蛄鹤蠓?跨。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，影響較大區(qū)域的瀝青混凝土鋪裝層均出現(xiàn)上面層燒毀，裸露表面松散的情況，但上面層與下面層沾結(jié)緊密；影響較低區(qū)域的瀝青混凝土鋪裝層上面層僅出現(xiàn)輕微燒失的現(xiàn)象，而無(wú)影響區(qū)域的鉆芯檢測(cè)結(jié)果顯示芯樣基本完整、密實(shí)。這說(shuō)明在火災(zāi)影響較大區(qū)域的橋面鋪裝層混凝土受損嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)加以修復(fù)以確保車輛通行安全。

2.3 混凝土回彈強(qiáng)度

結(jié)合本橋結(jié)構(gòu)特征及外觀檢測(cè)情況，此次混凝土強(qiáng)度測(cè)區(qū)的選擇為T梁腹板、翼板底板位置。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析可知：該橋橋面過(guò)火嚴(yán)重的第8跨上部結(jié)構(gòu)T梁(腹板、翼緣板)及橋面火災(zāi)影響較輕區(qū)域第7跨、第9跨上部結(jié)構(gòu)T梁腹板混凝土強(qiáng)度未見(jiàn)明顯下降。護(hù)欄直接過(guò)火區(qū)域左幅第8跨左側(cè)護(hù)欄強(qiáng)度相對(duì)未受火災(zāi)影響的左幅第1跨左側(cè)護(hù)欄強(qiáng)度略有降低。

2.4 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

對(duì)橋面火災(zāi)影響嚴(yán)重區(qū)域、影響較輕區(qū)域及無(wú)影響區(qū)域進(jìn)行橋面鉆芯取樣，鉆取混凝土調(diào)平層芯樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，芯樣直徑為10 cm。混凝土調(diào)平層設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，火損嚴(yán)重區(qū)的混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度平均值為48.7 MPa，芯樣軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明受火災(zāi)影響嚴(yán)重區(qū)域與未受火災(zāi)影響區(qū)域調(diào)平層混凝土強(qiáng)度相比有所降低，但下降幅度不大，強(qiáng)度折減系數(shù)0.935。根據(jù)該折減系數(shù)可反推算出橋面過(guò)火嚴(yán)重區(qū)域的混凝土調(diào)平層表面過(guò)火溫度約為65 ℃。

2.5 鋼筋抗拉強(qiáng)度

鋼筋在高溫作用下會(huì)發(fā)生相變，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋強(qiáng)度的降低，尤其對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋強(qiáng)度的降低必定影響結(jié)構(gòu)的安全，因此需要對(duì)火災(zāi)后的鋼筋強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，從而判定是否需要替換火損鋼筋，以便對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

分別在過(guò)火較區(qū)域1的第8跨、第9跨護(hù)欄處截取1根型號(hào)為HRB335，直徑為12 mm，長(zhǎng)度為60 cm的鋼筋以及未過(guò)火區(qū)域的第5跨護(hù)欄撞損處取1根型號(hào)為HRB335，直徑為12 cm，長(zhǎng)度為150 cm的鋼筋進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

檢測(cè)結(jié)果表明，無(wú)論是從過(guò)火嚴(yán)重區(qū)域還是未過(guò)火區(qū)域截取下的鋼筋屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率均符合規(guī)范《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》GB/T 1499.2—2018的要求，故所火災(zāi)事故的發(fā)生對(duì)混凝土內(nèi)部鋼筋的性能產(chǎn)生的影響較小。

3 有限元損傷模擬

3.1 火災(zāi)溫度場(chǎng)的確定

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)護(hù)欄火燒后外觀、錘擊檢測(cè)情況，初步判斷現(xiàn)場(chǎng)護(hù)欄位置火場(chǎng)最高溫度為500～700 ℃。

瀝青混凝土橋面最高溫度，按混凝土護(hù)欄處實(shí)際檢測(cè)初步推算最不利過(guò)火溫度700 ℃考慮，假設(shè)瀝青混凝土層、混凝土調(diào)平層以及T梁頂板作為一個(gè)整體，其厚度達(dá)到34 cm。參考板厚度H=20 cm的單面受火混凝土實(shí)心板在標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下的截面溫度場(chǎng)曲線，如圖2所示?？捎?jì)算得到距瀝青混凝土表面10 cm處混凝土調(diào)平層頂面溫度約61 ℃(與混凝土調(diào)平層芯樣抗壓強(qiáng)度反算溫度65 ℃相近)，距瀝青混凝土表面18 cm處T梁上翼緣頂面溫度約28 ℃，距瀝青混凝土表面32 cm處T梁上翼緣頂面溫度約0 ℃，如表1所示。

圖2 單面受火混凝土實(shí)心板在標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下的截面溫度場(chǎng)曲線

表1 最高溫度區(qū)域混凝土內(nèi)部溫度分布

3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

實(shí)際主梁采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，考慮了受火后混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的降低，本次計(jì)算偏安全的將結(jié)構(gòu)混凝土取為C45號(hào)。

3.3 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件建立了該橋的空間梁格模型，按后張法部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算以及火災(zāi)升溫應(yīng)力驗(yàn)算。

3.4 結(jié)果分析

(1)承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

考慮主梁混凝土材料力學(xué)性能的劣化后，各片T梁的彎矩和剪力效應(yīng)曲線均在抗力包絡(luò)曲線內(nèi)部，表明火災(zāi)作用后主梁的正截面抗彎和斜截面抗剪承載力仍滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。其中，正截面抗彎和斜截面抗剪承載力的安全富余度最小值分別為31.1%和33.5%。

(2)火災(zāi)升溫應(yīng)力驗(yàn)算

火災(zāi)升溫和恒荷載作用效應(yīng)組合下：①各片T梁上緣的正截面拉應(yīng)力最大值為0.003 MPa；②各片T梁除中支點(diǎn)墩頂現(xiàn)澆段下緣的正截面拉應(yīng)力最大值為3.86 MPa外，其余截面均為壓應(yīng)力。

在火災(zāi)升溫作用下，中支點(diǎn)墩頂現(xiàn)澆段下緣區(qū)域可能出現(xiàn)開裂。嚴(yán)重過(guò)火區(qū)域位于第8跨距7#墩6 m至第8#墩范圍以及第9跨距8#墩0～8 m范圍，7#、8#墩為墩梁固結(jié)，7#、8#墩墩頂現(xiàn)澆段下緣可能出現(xiàn)的細(xì)微裂縫不影響梁體向墩柱傳力。

4 結(jié) 語(yǔ)

以某高速受火橋梁為例詳細(xì)地闡述了橋梁受火后的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合損傷狀況與評(píng)估結(jié)論，引入有限元軟件分析評(píng)估了橋梁發(fā)生火災(zāi)事故后的剩余承載力。檢測(cè)時(shí)依據(jù)受火輕重對(duì)橋體上部結(jié)構(gòu)受損程度進(jìn)行了對(duì)比，便于后期加固時(shí)分類施策。對(duì)混凝土強(qiáng)度的評(píng)定中采用回彈法以及鉆芯取樣法進(jìn)行了綜合評(píng)定，進(jìn)一步驗(yàn)證混凝土強(qiáng)度受火災(zāi)的影響程度，為決策者以及后續(xù)研究者提供相應(yīng)的依據(jù)。對(duì)過(guò)火橋體的承載力進(jìn)行有限元分析無(wú)疑為評(píng)估橋梁受損程度提供了進(jìn)一步的保障。采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法與有限元分析結(jié)合的方式可幫助檢測(cè)者準(zhǔn)確評(píng)估橋梁的因火受損情況，從而為后期及時(shí)開展維修加固提供了可靠參考。