火災后橋梁損傷分析及加固方案建議
2015-05-29
0引言
近年來，我國橋梁突發(fā)事故頻繁，尤其是火災，雖然他不會立刻造成橋梁的垮塌或者立即廢棄，但由于火的物理和化學作用使鋼筋混凝土材料的力學性能發(fā)生改變，結構構件火災后將受到不同程度的損傷。其損傷程度很難量化，是否能臨時保通，又是否能保證長期安全運營，這些問題都是需要大量的試驗及實踐經驗，并且亟待研究解決的問題。本文將依托一座典型橋梁工程火災后的詳細火災調查、檢測及加固設計，為相關研究提供一定的研究數據。
1橋梁概況
某城市橋梁主要結構為20m裝配式預應力先簡支后連續(xù)預制箱梁，分別為8孔一聯及9孔一聯不等，橋寬26m，分上下行；下部結構為柱式墩、埋置式橋臺和鉆孔灌注樁基礎。橋梁設計荷載為汽車-超20級、掛車-120。目前已運營17年。該橋在2010年時剛剛經過粘貼碳纖維板方式加固，且已通過荷載試驗論證加固后橋梁狀況較好。
該城市橋梁，橋下空間均為附近居民使用中，有住房、商鋪甚至垃圾場廢品收購站等，因此本身具有很多風險源。該橋所發(fā)生的火災即由于垃圾場內不明火星引起?；馂臅r適逢大雨，因此并沒有危及大范圍的建筑物，火災導致垃圾環(huán)繞的一個墩柱嚴重受損，大面積混凝土剝落，露出粗骨料，以及該橋墩處蓋梁、支座及上跨主梁受損嚴重。
2火災后橋梁檢測
火災不僅對橋梁混凝土結構本身造成破壞，而且危及公路尤其是高速公路網的正常運營?；馂暮?，必須及時、科學的對受損構件進行損傷識別，合理的進行損傷評估，才能為橋梁的加固維修提供可靠的數據支持；并制定合理的加固方案。
因此本文將針對火災后現場的特殊情況，強調火災現場初步調查的重要性，引入火災原因和火況分析，根據火源火勢特點、橋梁構造特點以及滅火方式等因素對火災損傷分布、損傷程度進行研究。綜合計算橋梁受火后的承載能力衰減，并據此確定合理的加固方式。
2.1火災后橋梁外觀檢測
1.主梁：
由于上行線外邊梁及次邊梁更加靠近火焰核心區(qū)域，且可能短時間直接受火焰炙烤，故損傷屬上部結構中為最重；該梁混凝土表面擦拭后仍有明顯灰黑色， 其余梁人工輕微打磨后，主梁呈正常青灰色或與未過火構件顏色相同；
4片主梁跨中底板、腹板均未發(fā)現受彎及受剪裂縫；僅外邊梁在靠近6號墩約1.5米處，外腹板與底板交角處混凝土表層砂漿剝落骨料外露。
外邊梁及次邊梁局部表面有較多細小且密集網狀龜裂，人工敲擊主梁未發(fā)現空鼓，敲擊主梁腹板與底板交角處，混凝土局部松散剝落其余梁未發(fā)現明顯表面龜裂；主梁粘貼碳纖維板區(qū)域，外邊梁及次邊梁均有部分碳纖維板發(fā)生剝落失效。
2.蓋梁
受火焰熏炙，蓋梁北側邊緣表面混凝土損傷較大，表面呈黑色，輕微打磨后呈灰白色，局部呈黃色；蓋梁南側表面熏黑，損傷較輕。整體未見因高溫承載力降級產生的結構裂縫。僅邊角處有局部經人工錘擊有混凝土剝落；
3.墩柱
6號橋墩北側墩身，受直接燃燒火焰影響，大面積混凝土剝落，表觀最大剝落深度50�，混凝土剝離范圍大于表觀剝落范圍，實際剝落深度可能大于表觀最大剝落深度；混凝土未剝落區(qū)域，存在大量表面龜裂，并發(fā)現豎向、環(huán)向裂縫，最大裂縫寬度0.7mm。
4.6號墩墩頂支座已全部燒焦失效。
2.2火災現場調查
1.火況調查：
經走訪調查，本次火災主要燃燒物性質：主要為各種塑料，包括塑料飲料瓶，汽車用塑料、醫(yī)療垃圾、工程塑料等?；馂某掷m(xù)時間：45分鐘到1小時之間；主燃區(qū)域位置為上行線6號橋墩東北側1m方向火焰高度約為2.5m，火勢主要圍繞高架橋上行線6#橋墩自下向上燃燒；
由于火災發(fā)生在雨天，著火期間風力較大，導致高架橋6號橋墩上方兩幅橋梁共計4跨箱梁不同程度受到火勢熏烤而損傷，最后由消防大隊采用冷水方式滅火。
2.火場溫度推測
滅火后，現場勘查橋下不同區(qū)域可見不同程度物品燃燒狀況，如破碎但仍鋒利的玻璃、彎曲變形的玻璃、燒損的鐵皮以及黃銅、燒烤變質的磚石等等。
由于黃銅軟化溫度約為900℃，玻璃軟化溫度約為600℃，熔化溫度為700℃， 鋁合金燒損溫度<500℃，鋼材彎曲變形溫度為750℃，但本次發(fā)現的鋼材未見彎曲變形。因此可以大致判斷火場中心最高溫度應為600～700攝氏度左右。
6號墩柱距蓋梁底1.9m～4m之間混凝土可能由于被垃圾燃燒包圍而承受溫度最高，應等于火場最大溫度即600～700℃；而根據混凝土表面出現不均勻表面裂縫的溫度（200～300℃）可推斷出，橋墩墩頂附近混凝土接近焰心，表面溫度應為250～350℃。上部結構由于高于火焰高度，應主要為熱輻射和熱對流。
2.3主要受力構件損傷分析
由于我國目前還沒有出臺相關的火災后構件承載能力計算方法，因此，我們只能通過橋梁混凝土構件的各項損傷來推定其總體的失效百分比，從而指導我們的加固設計。
1.混凝土材質損傷分析
同時，按照《火災后建筑結構鑒定標準》附錄E中，混凝土構件在標準升溫條件下溫度場實用曲線圖，可推定出在不同的火災持續(xù)時間內混凝土構件內部的溫度，從而確定火災后構件內部混凝土強度及彈性模量折減系數。
根據前文中的相關調查結果，主梁混凝土表面灼燒溫度為350℃左右，根據表1中的相關數據，推定箱梁底板及腹板表面混凝土強度折減系數約為0.65，混凝土彈性模量折減系數約為0.61。
同時，距箱梁底板及腹板3.5cm深度混凝土在火災持續(xù)30分鐘時，其內部溫度為200℃左右，根據表1中的相關數據，推定箱梁底板及腹板表面混凝土強度折減系數約為0.85，混凝土彈性模量折減系數約為0.90。
6#墩北側墩柱由于受燃燒物包圍，為所有構件中受火災影響最嚴重的受力構件，由于其表面受火溫度達到600℃～700℃，推定在火勢持續(xù)30分鐘時間內，距離墩柱表面5cm深內部混凝土溫度為90℃～100℃。即墩柱表面混凝土強度折減系數約為0.32，混凝土彈性模量折減系數約為0.08，說明火災對墩柱表面混凝土造成的較嚴重的影響；而其5cm深內部混凝土強度折減系數為0.95，混凝土彈性模量折減系數為0.98，說明火災對墩柱內部混凝土影響較小。
2.鋼筋、預應力筋力學衰減分析
根據《火災后建筑結構鑒定標準》附錄E中所涉及到的混凝土構件在標準升溫條件下溫度場實用曲線圖，推定本橋腹板、底板及蓋梁在3.5cm深度內部所屬的普通鋼筋及預應力鋼束溫度為200℃～220℃。
根據《火災后建筑結構鑒定標準》表G.0.1-1及表G.0.1-2中高溫冷卻后鋼材強度折減系數，可初步推定對于普通鋼筋及預應力鋼束的屈服強度及抗拉極限強度的折減分別為0.95和1.00，初步確定火災對普通鋼筋及預應力鋼束力學性能的影響較小。
3.鋼筋與混凝土粘結強度衰減
同理推定本橋腹板、底板及蓋梁在3.5cm深度內部所屬的普通鋼筋溫度為200℃～220℃。根據《火災后建筑結構鑒定標準》表H.0.1-2中高溫冷卻后混凝土高溫后鋼筋與混凝土粘結強度折減系數，可初步推定，火災后普通鋼筋與混凝土粘結強度折減系數分別為0.95，火災對鋼筋與混凝土之間粘結強度的影響較小。
3檢測評估結論
通過對火災受損區(qū)域的外觀檢測及構件熱損傷分析，我們可以看到本次火災影響范圍波及范圍為兩跨，尤其以6號墩附近最為嚴重。
同時，根據火場溫度推定及構件內部溫度場推定，火災已經對混凝土、鋼筋及鋼筋混凝土的粘結強度造成不可逆的影響，其抗彎、抗剪和偏心受壓承載能力均有相當幅度的降低。過火更導致了混凝土內部微裂縫的發(fā)展，致使混凝土孔隙率增大。因可燃物主要為廢舊塑料，必將加快燃燒產生的有害化學物質侵入混凝土結構內部，大大加速鋼筋腐蝕，影響結構的耐久性。
且原橋先期加固措施也遭到不同程度的破壞，部分區(qū)域碳纖維板剝落，部分區(qū)域碳板空鼓，不利于主梁受力。亟待加固處理。
4加固方案設計
根據前文的材料損傷分析，雖然我們不能有效結合現行規(guī)范進行計算分析，但是我們可以通過合理的加固措施去彌補材料本身的損傷部分。據此，提出以下加固措施：
1、更換北幅6墩頂全部支座；
2、針對6號墩北側墩身，采用增大截面法進行加固，加固范圍為北幅2號墩整個墩柱范圍。
3、鑿除梁體燒疏部位的混凝土，采用聚合物砂漿或聚合物自密實混凝土進行修補，修補范圍根據梁體清洗完畢后表觀狀況確定；
4、對38孔已燒毀的原碳板進行恢復，同時，針對北半幅38、39孔主梁底板分別新增兩道碳纖維板。
5、針對橋墩蓋梁和主梁，粘貼U型和L型鋼板，提高結構抗彎和抗剪承載能力。
6、建議對火災影響區(qū)域及煙霧影響區(qū)域的混凝土結構，采用復合氨基醇類阻銹劑進行涂裝，以提高結構的耐久性。
5 結論
本文給出了一個火災后橋梁評估的新方向，僅通過外觀檢測即可進行結構的材料分析，進而確定結構的損傷程度，據此選擇合適的加固方案，精心施工，結構承載能力是可以恢復的，修復加固遠比拆除更換要節(jié)省時間、節(jié)約費用并取得良好的社會效益。本文避免了采用現有規(guī)范承載能力驗算方式無法確定結構損傷程度的缺點，為此類工程應用提供了參考。
