火灾后桥梁损伤分析及加固方案建议
2015-05-29
0引言
近年来，我国桥梁突发事故频繁，尤其是火灾，虽然他不会立刻造成桥梁的垮塌或者立即废弃，但由于火的物理和化学作用使钢筋混凝土材料的力学性能发生改变，结构构件火灾后将受到不同程度的损伤。其损伤程度很难量化，是否能临时保通，又是否能保证长期安全运营，这些问题都是需要大量的试验及实践经验，并且亟待研究解决的问题。本文将依托一座典型桥梁工程火灾后的详细火灾调查、检测及加固设计，为相关研究提供一定的研究数据。
1桥梁概况
某城市桥梁主要结构为20m装配式预应力先简支后连续预制箱梁，分别为8孔一联及9孔一联不等，桥宽26m，分上下行；下部结构为柱式墩、埋置式桥台和钻孔灌注桩基础。桥梁设计荷载为汽车-超20级、挂车-120。目前已运营17年。该桥在2010年时刚刚经过粘贴碳纤维板方式加固，且已通过荷载试验论证加固后桥梁状况较好。
该城市桥梁，桥下空间均为附近居民使用中，有住房、商铺甚至垃圾场废品收购站等，因此本身具有很多风险源。该桥所发生的火灾即由于垃圾场内不明火星引起。火灾时适逢大雨，因此并没有危及大范围的建筑物，火灾导致垃圾环绕的一个墩柱严重受损，大面积混凝土剥落，露出粗骨料，以及该桥墩处盖梁、支座及上跨主梁受损严重。
2火灾后桥梁检测
火灾不仅对桥梁混凝土结构本身造成破坏，而且危及公路尤其是高速公路网的正常运营。火灾后，必须及时、科学的对受损构件进行损伤识别，合理的进行损伤评估，才能为桥梁的加固维修提供可靠的数据支持；并制定合理的加固方案。
因此本文将针对火灾后现场的特殊情况，强调火灾现场初步调查的重要性，引入火灾原因和火况分析，根据火源火势特点、桥梁构造特点以及灭火方式等因素对火灾损伤分布、损伤程度进行研究。综合计算桥梁受火后的承载能力衰减，并据此确定合理的加固方式。
2.1火灾后桥梁外观检测
1.主梁：
由于上行线外边梁及次边梁更加靠近火焰核心区域，且可能短时间直接受火焰炙烤，故损伤属上部结构中为最重；该梁混凝土表面擦拭后仍有明显灰黑色， 其余梁人工轻微打磨后，主梁呈正常青灰色或与未过火构件颜色相同；
4片主梁跨中底板、腹板均未发现受弯及受剪裂缝；仅外边梁在靠近6号墩约1.5米处，外腹板与底板交角处混凝土表层砂浆剥落骨料外露。
外边梁及次边梁局部表面有较多细小且密集网状龟裂，人工敲击主梁未发现空鼓，敲击主梁腹板与底板交角处，混凝土局部松散剥落其余梁未发现明显表面龟裂；主梁粘贴碳纤维板区域，外边梁及次边梁均有部分碳纤维板发生剥落失效。
2.盖梁
受火焰熏炙，盖梁北侧边缘表面混凝土损伤较大，表面呈黑色，轻微打磨后呈灰白色，局部呈黄色；盖梁南侧表面熏黑，损伤较轻。整体未见因高温承载力降级产生的结构裂缝。仅边角处有局部经人工锤击有混凝土剥落；
3.墩柱
6号桥墩北侧墩身，受直接燃烧火焰影响，大面积混凝土剥落，表观最大剥落深度50�，混凝土剥离范围大于表观剥落范围，实际剥落深度可能大于表观最大剥落深度；混凝土未剥落区域，存在大量表面龟裂，并发现竖向、环向裂缝，最大裂缝宽度0.7mm。
4.6号墩墩顶支座已全部烧焦失效。
2.2火灾现场调查
1.火况调查：
经走访调查，本次火灾主要燃烧物性质：主要为各种塑料，包括塑料饮料瓶，汽车用塑料、医疗垃圾、工程塑料等。火灾持续时间：45分钟到1小时之间；主燃区域位置为上行线6号桥墩东北侧1m方向火焰高度约为2.5m，火势主要围绕高架桥上行线6#桥墩自下向上燃烧；
由于火灾发生在雨天，着火期间风力较大，导致高架桥6号桥墩上方两幅桥梁共计4跨箱梁不同程度受到火势熏烤而损伤，最后由消防大队采用冷水方式灭火。
2.火场温度推测
灭火后，现场勘查桥下不同区域可见不同程度物品燃烧状况，如破碎但仍锋利的玻璃、弯曲变形的玻璃、烧损的铁皮以及黄铜、烧烤变质的砖石等等。
由于黄铜软化温度约为900℃，玻璃软化温度约为600℃，熔化温度为700℃， 铝合金烧损温度<500℃，钢材弯曲变形温度为750℃，但本次发现的钢材未见弯曲变形。因此可以大致判断火场中心最高温度应为600～700摄氏度左右。
6号墩柱距盖梁底1.9m～4m之间混凝土可能由于被垃圾燃烧包围而承受温度最高，应等于火场最大温度即600～700℃；而根据混凝土表面出现不均匀表面裂缝的温度（200～300℃）可推断出，桥墩墩顶附近混凝土接近焰心，表面温度应为250～350℃。上部结构由于高于火焰高度，应主要为热辐射和热对流。
2.3主要受力构件损伤分析
由于我国目前还没有出台相关的火灾后构件承载能力计算方法，因此，我们只能通过桥梁混凝土构件的各项损伤来推定其总体的失效百分比，从而指导我们的加固设计。
1.混凝土材质损伤分析
同时，按照《火灾后建筑结构鉴定标准》附录E中，混凝土构件在标准升温条件下温度场实用曲线图，可推定出在不同的火灾持续时间内混凝土构件内部的温度，从而确定火灾后构件内部混凝土强度及弹性模量折减系数。
根据前文中的相关调查结果，主梁混凝土表面灼烧温度为350℃左右，根据表1中的相关数据，推定箱梁底板及腹板表面混凝土强度折减系数约为0.65，混凝土弹性模量折减系数约为0.61。
同时，距箱梁底板及腹板3.5cm深度混凝土在火灾持续30分钟时，其内部温度为200℃左右，根据表1中的相关数据，推定箱梁底板及腹板表面混凝土强度折减系数约为0.85，混凝土弹性模量折减系数约为0.90。
6#墩北侧墩柱由于受燃烧物包围，为所有构件中受火灾影响最严重的受力构件，由于其表面受火温度达到600℃～700℃，推定在火势持续30分钟时间内，距离墩柱表面5cm深内部混凝土温度为90℃～100℃。即墩柱表面混凝土强度折减系数约为0.32，混凝土弹性模量折减系数约为0.08，说明火灾对墩柱表面混凝土造成的较严重的影响；而其5cm深内部混凝土强度折减系数为0.95，混凝土弹性模量折减系数为0.98，说明火灾对墩柱内部混凝土影响较小。
2.钢筋、预应力筋力学衰减分析
根据《火灾后建筑结构鉴定标准》附录E中所涉及到的混凝土构件在标准升温条件下温度场实用曲线图，推定本桥腹板、底板及盖梁在3.5cm深度内部所属的普通钢筋及预应力钢束温度为200℃～220℃。
根据《火灾后建筑结构鉴定标准》表G.0.1-1及表G.0.1-2中高温冷却后钢材强度折减系数，可初步推定对于普通钢筋及预应力钢束的屈服强度及抗拉极限强度的折减分别为0.95和1.00，初步确定火灾对普通钢筋及预应力钢束力学性能的影响较小。
3.钢筋与混凝土粘结强度衰减
同理推定本桥腹板、底板及盖梁在3.5cm深度内部所属的普通钢筋温度为200℃～220℃。根据《火灾后建筑结构鉴定标准》表H.0.1-2中高温冷却后混凝土高温后钢筋与混凝土粘结强度折减系数，可初步推定，火灾后普通钢筋与混凝土粘结强度折减系数分别为0.95，火灾对钢筋与混凝土之间粘结强度的影响较小。
3检测评估结论
通过对火灾受损区域的外观检测及构件热损伤分析，我们可以看到本次火灾影响范围波及范围为两跨，尤其以6号墩附近最为严重。
同时，根据火场温度推定及构件内部温度场推定，火灾已经对混凝土、钢筋及钢筋混凝土的粘结强度造成不可逆的影响，其抗弯、抗剪和偏心受压承载能力均有相当幅度的降低。过火更导致了混凝土内部微裂缝的发展，致使混凝土孔隙率增大。因可燃物主要为废旧塑料，必将加快燃烧产生的有害化学物质侵入混凝土结构内部，大大加速钢筋腐蚀，影响结构的耐久性。
且原桥先期加固措施也遭到不同程度的破坏，部分区域碳纤维板剥落，部分区域碳板空鼓，不利于主梁受力。亟待加固处理。
4加固方案设计
根据前文的材料损伤分析，虽然我们不能有效结合现行规范进行计算分析，但是我们可以通过合理的加固措施去弥补材料本身的损伤部分。据此，提出以下加固措施：
1、更换北幅6墩顶全部支座；
2、针对6号墩北侧墩身，采用增大截面法进行加固，加固范围为北幅2号墩整个墩柱范围。
3、凿除梁体烧疏部位的混凝土，采用聚合物砂浆或聚合物自密实混凝土进行修补，修补范围根据梁体清洗完毕后表观状况确定；
4、对38孔已烧毁的原碳板进行恢复，同时，针对北半幅38、39孔主梁底板分别新增两道碳纤维板。
5、针对桥墩盖梁和主梁，粘贴U型和L型钢板，提高结构抗弯和抗剪承载能力。
6、建议对火灾影响区域及烟雾影响区域的混凝土结构，采用复合氨基醇类阻锈剂进行涂装，以提高结构的耐久性。
5 结论
本文给出了一个火灾后桥梁评估的新方向，仅通过外观检测即可进行结构的材料分析，进而确定结构的损伤程度，据此选择合适的加固方案，精心施工，结构承载能力是可以恢复的，修复加固远比拆除更换要节省时间、节约费用并取得良好的社会效益。本文避免了采用现有规范承载能力验算方式无法确定结构损伤程度的缺点，为此类工程应用提供了参考。
