火災(zāi)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(zāi)，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(xué)作用使鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)構(gòu)件火災(zāi)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(jīng)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(zāi)后的詳細火災(zāi)調(diào)查、檢測及加固設(shè)計，為相關(guān)研究提供一定的研究數(shù)據(jù)。
1橋梁概況
某城市橋梁主要結(jié)構(gòu)為20m裝配式預(yù)應(yīng)力先簡支后連續(xù)預(yù)制箱梁，分別為8孔一聯(lián)及9孔一聯(lián)不等，橋?qū)?6m，分上下行；下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、埋置式橋臺和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁設(shè)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(jīng)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(fēng)險源。該橋所發(fā)生的火災(zāi)即由于垃圾場內(nèi)不明火星引起?；馂?zāi)時適逢大雨，因此并沒有危及大范圍的建筑物，火災(zāi)導(dǎo)致垃圾環(huán)繞的一個墩柱嚴(yán)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(yán)重。
2火災(zāi)后橋梁檢測
火災(zāi)不僅對橋梁混凝土結(jié)構(gòu)本身造成破壞，而且危及公路尤其是高速公路網(wǎng)的正常運營?；馂?zāi)后，必須及時、科學(xué)的對受損構(gòu)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(shù)據(jù)支持；并制定合理的加固方案。
因此本文將針對火災(zāi)后現(xiàn)場的特殊情況，強調(diào)火災(zāi)現(xiàn)場初步調(diào)查的重要性，引入火災(zāi)原因和火況分析，根據(jù)火源火勢特點、橋梁構(gòu)造特點以及滅火方式等因素對火災(zāi)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(jù)此確定合理的加固方式。
2.1火災(zāi)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(jié)構(gòu)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(gòu)件顏色相同；
4片主梁跨中底板、腹板均未發(fā)現(xiàn)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(wǎng)狀龜裂，人工敲擊主梁未發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(cè)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(cè)表面熏黑，損傷較輕。整體未見因高溫承載力降級產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫。僅邊角處有局部經(jīng)人工錘擊有混凝土剝落；
3.墩柱
6號橋墩北側(cè)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(xiàn)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(zāi)現(xiàn)場調(diào)查
1.火況調(diào)查：
經(jīng)走訪調(diào)查，本次火災(zāi)主要燃燒物性質(zhì)：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。火災(zāi)持續(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(cè)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(zāi)發(fā)生在雨天，著火期間風(fēng)力較大，導(dǎo)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)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(yīng)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(yīng)等于火場最大溫度即600～700℃；而根據(jù)混凝土表面出現(xiàn)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(yīng)為250～350℃。上部結(jié)構(gòu)由于高于火焰高度，應(yīng)主要為熱輻射和熱對流。
2.3主要受力構(gòu)件損傷分析
由于我國目前還沒有出臺相關(guān)的火災(zāi)后構(gòu)件承載能力計算方法，因此，我們只能通過橋梁混凝土構(gòu)件的各項損傷來推定其總體的失效百分比，從而指導(dǎo)我們的加固設(shè)計。
1.混凝土材質(zhì)損傷分析
同時，按照《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》附錄E中，混凝土構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下溫度場實用曲線圖，可推定出在不同的火災(zāi)持續(xù)時間內(nèi)混凝土構(gòu)件內(nèi)部的溫度，從而確定火災(zāi)后構(gòu)件內(nèi)部混凝土強度及彈性模量折減系數(shù)。
根據(jù)前文中的相關(guān)調(diào)查結(jié)果，主梁混凝土表面灼燒溫度為350℃左右，根據(jù)表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)，推定箱梁底板及腹板表面混凝土強度折減系數(shù)約為0.65，混凝土彈性模量折減系數(shù)約為0.61。
同時，距箱梁底板及腹板3.5cm深度混凝土在火災(zāi)持續(xù)30分鐘時，其內(nèi)部溫度為200℃左右，根據(jù)表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)，推定箱梁底板及腹板表面混凝土強度折減系數(shù)約為0.85，混凝土彈性模量折減系數(shù)約為0.90。
6#墩北側(cè)墩柱由于受燃燒物包圍，為所有構(gòu)件中受火災(zāi)影響最嚴(yán)重的受力構(gòu)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(nèi)，距離墩柱表面5cm深內(nèi)部混凝土溫度為90℃～100℃。即墩柱表面混凝土強度折減系數(shù)約為0.32，混凝土彈性模量折減系數(shù)約為0.08，說明火災(zāi)對墩柱表面混凝土造成的較嚴(yán)重的影響；而其5cm深內(nèi)部混凝土強度折減系數(shù)為0.95，混凝土彈性模量折減系數(shù)為0.98，說明火災(zāi)對墩柱內(nèi)部混凝土影響較小。
2.鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋力學(xué)衰減分析
根據(jù)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》附錄E中所涉及到的混凝土構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部所屬的普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼束溫度為200℃～220℃。
根據(jù)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》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(shù)，可初步推定對于普通鋼筋及預(yù)應(yīng)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(zāi)對普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼束力學(xué)性能的影響較小。
3.鋼筋與混凝土粘結(jié)強度衰減
同理推定本橋腹板、底板及蓋梁在3.5cm深度內(nèi)部所屬的普通鋼筋溫度為200℃～220℃。根據(jù)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》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(jié)強度折減系數(shù)，可初步推定，火災(zāi)后普通鋼筋與混凝土粘結(jié)強度折減系數(shù)分別為0.95，火災(zāi)對鋼筋與混凝土之間粘結(jié)強度的影響較小。
3檢測評估結(jié)論
通過對火災(zāi)受損區(qū)域的外觀檢測及構(gòu)件熱損傷分析，我們可以看到本次火災(zāi)影響范圍波及范圍為兩跨，尤其以6號墩附近最為嚴(yán)重。
同時，根據(jù)火場溫度推定及構(gòu)件內(nèi)部溫度場推定，火災(zāi)已經(jīng)對混凝土、鋼筋及鋼筋混凝土的粘結(jié)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(dāng)幅度的降低。過火更導(dǎo)致了混凝土內(nèi)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(chǎn)生的有害化學(xué)物質(zhì)侵入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，大大加速鋼筋腐蝕，影響結(jié)構(gòu)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(shè)計
根據(jù)前文的材料損傷分析，雖然我們不能有效結(jié)合現(xiàn)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(jù)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(cè)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(jù)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(fù)，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(jié)構(gòu)抗彎和抗剪承載能力。
6、建議對火災(zāi)影響區(qū)域及煙霧影響區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)，采用復(fù)合氨基醇類阻銹劑進行涂裝，以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。
5 結(jié)論
本文給出了一個火災(zāi)后橋梁評估的新方向，僅通過外觀檢測即可進行結(jié)構(gòu)的材料分析，進而確定結(jié)構(gòu)的損傷程度，據(jù)此選擇合適的加固方案，精心施工，結(jié)構(gòu)承載能力是可以恢復(fù)的，修復(fù)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(xiàn)有規(guī)范承載能力驗算方式無法確定結(jié)構(gòu)損傷程度的缺點，為此類工程應(yīng)用提供了參考。
