某高速公路通道中桥火灾后检测评估及加固设计

寇新阳（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院）

某高速公路通道中桥火灾后检测评估及加固设计

寇新阳
（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院）

近年来随着公路建设快速发展，桥梁数量迅速增加，由火灾导致桥梁受损的事件也常有发生。文章以某高速公路通道中桥为例，介绍了火灾发生后桥梁结构检测评估及加固处治设计，为今后同类型桥梁火灾病害处治提供了借鉴。

桥梁；火灾；检测评估；加固设计

1　概述

该通道中桥位于四川省某高速公路上，跨越水沟及人行道。该桥全长26.04m，全宽24.5m，整幅桩柱式桥台；桥梁上部结构分左右两幅，每幅8片空心板，均为1-20m预应力混凝土简支空心板，梁高90cm，中板宽145cm，边板宽169cm。桥梁支座均为圆板橡胶支座。2014年某个深夜，该通道中桥两侧竹林不明原因发生燃烧，引燃桥下堆积的柴草，造成桥梁结构受损，因此对该桥进行了检测评估及加固处治设计。

2　检测情况

2.1病害描述

⑴该桥桥下大面积过火，梁板大部分被火灼烧，现场检测发现所有梁板板底均出现网状裂缝，大部分板底有沿箍筋方向的横向贯通裂缝，裂缝宽度多在0.2～0.5mm之间。部分梁板在火灾前存在纵向渗水泛碱现象，检测中发现这些部位均存在纵向裂缝，且渗水现象加剧；部分以前无病害的梁板也出现了渗水现象。

⑵部分梁板板底的混凝土有剥落现象，钢筋外露，剥落厚度多在3～5cm之间；左幅桥4#梁板混凝土剥落现象最为严重，剥落最深处达到8cm，且主筋和箍筋均外露，部分箍筋弯曲。梁板底部混凝土有明显松动现象，锤击时混凝土表层脱落。

⑶全桥铰缝大部分脱落，局部未脱落处填料疏松，轻微敲击可造成脱落。

⑷全桥支座均被火灼烧，大部分支座存在开裂、鼓包、变形、表面焦裂等病害。

⑸两岸桥台混凝土表面均存在网状裂缝，部分区域混凝土剥落，钢筋外露。桥台锥坡砂浆开裂严重、破损明显。

图1

2.2火场温度推定及对桥梁的影响

《公安消防大队对于某高速通道中桥火灾情况的说明》中推测的火场温度为300～600℃。国内外有关资料表明，混凝土表面颜色和外观与受火温度的关系大致如表1所示：

表1　混凝土表面颜色与受火温度的关系

从现场检测情况看，该桥梁板底部混凝土表面普遍存在网状裂缝，部分梁板出现贯通性横向和纵向裂缝，混凝土剥落最严重部分混凝土表面为灰白色偏黄。结合表1，初步判断火场温度高于500℃，混凝土构件局部受火温度可能达到800～900℃。

该桥火灾发生期间因用水扑灭火灾，灼热的混凝土表面遇水急速冷却，造成混凝土构件内外应力差，加重了混凝土表面的开裂和剥落情况。火灾对该桥混凝土构件受力和耐久性的影响主要体现在以下方面：

⑴由于混凝土爆裂及剥落，混凝土结构有效净面积将减小，使结构承载能力降低。

⑵混凝土强度遇火灾高温后降低。

⑶混凝土的弹性模量对温度相当敏感，当温度达到200～700℃时，混凝土的弹性模量线性降低。该桥过火时间较长，过火温度在500℃以上，混凝土弹性模量有所降低。

⑷该桥混凝土在高温作用下，水化物脱水分解，其内部微空隙增加，结构疏松，混凝土与钢筋在高温下热变形不协调.形成大量界面裂缝，导致混凝土与钢筋之间粘结力降低。

⑸根据现场碳化深度检测结果，该桥梁底混凝土的游离氧氧化钙在高温下产生热分解，混凝土呈中性。使其保护钢筋的作用大为降低，从而影响混凝土构件的耐久性。

在影响混凝土性能的同时，火灾对钢筋性能也有很大的影响。普通钢筋属于低碳钢，当受火温度大于200℃时钢筋极限强度、屈服强度、弹性模量、延伸率等指标均开始下降，材料脆性增加。

针对该桥的实际情况，由于火灾温度较高，且混凝土表面普遍开裂剥落，因此混凝土内部钢筋的力学性能不可避免有所下降，且与混凝土之间粘结力降低，从而影响桥梁整体承载能力。

2.3检测结论

目前国外有关火灾后混凝土结构的安全评估，主要以英国混凝土学会所提出的评估程序与方法为主，可以作为一种初步判别火灾损伤的方法。

本桥梁底和桥台混凝土表面呈大面积网状裂缝，裂缝宽度多在0.2～0.5mm之间，混凝土剥落深度大部分在30mm左右，且混凝土强度明显降低，根据火灾结构构件受损综合评定指标表中分类，该桥受损程度判断为2级（中度损伤），结构承载能力下降10%～30%。

由于火灾温度较高，且混凝土表面普遍开裂剥落，因此混凝土内部钢筋的力学性能不可避免有所下降，同时与混凝土（砂浆）粘结力也有较大的下降。即使预应力筋未直接受损，但其正常的工作状态由于高温松弛和应力重分布影响而无法恢复。而混凝土弹性模量降低，使结构变形加大，预应力由于弹性压缩而发生损失，也使结构有效预应力发生明显损失。

表2　结构构件受损程度综合评定指标

图2　桥梁加固设计示意图

3　加固处治设计

3.1加固设计原则

原桥结构受损较为严重，其混凝土表面普遍开裂剥落，结构承载能力发生明显损失。该桥桥下净高较小，设计时考虑在桥下修筑横墙对原桥梁板进行支撑，改变桥梁结构形式，减小跨中正弯矩；因该桥原结构为简支体系，顶板配筋较为薄弱，设计时考虑多增加支点减小顶板负弯矩，在原桥结构下，增设4道横墙对原结构进行支撑。因火灾过程中结构有效预应力明显损失，且无法定量评估其下降的程度，为保证桥梁结构安全可靠，设计计算时将预应力钢束考虑为普通钢筋进行计算，结构作为普通钢筋混凝土构件。

3.2计算结果

3.2.1计算参数

梁体采用C40混凝土，普通钢筋采用Ⅱ级钢筋，预应力采用φ15.24高强度低松弛钢绞线（不考虑预应力效应）。计算时考虑设计荷载为公路-Ⅰ级，车行道数量为3车道。10cm厚钢筋混凝土调平层参与结构受力。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，承载能力极限状态设计时，验算荷载为：组合Ⅰ（基本组合）；正常使用极限状态设计时，验算组合为组合Ⅱ（荷载长期效应组合），组合Ⅲ（荷载短期效应组合）。计算模式如图3所示：

图3

3.2.2计算结果

⑴承载能力极限状态计算

①正截面抗弯承载能力验算

荷载组合Ⅰ作用下梁板抗弯承载能力验算结果见表3。由表可知，5-5截面最大弯矩为1324kN·m，小于截面抗力1369kN·m。计算结果表明，承载能力极限状态正截面抗弯强度满足规范要求。

②斜截面抗剪承载能力验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，选取距桥台支座中心h/2（h为板高）处的截面与距1#墩支座中心h/2处截面验算梁体斜截面抗剪承载能力，验算结果见表4。从表中可以看出，简支板斜截面剪力均小于结构设计抗力。空心板抗剪承载能力验算满足规范要求。

表3　正截面抗弯承载能力计算结果

表4　斜截面抗剪承载能力验算结果

⑵正常使用极限状态验算

①变形验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第 6.5.3条，简支板跨中最大挠度限值为L/600=3900/600=6.5mm。

梁板的挠度值见表5。由表可知，梁板正常使用极限状态的变形满足规范要求。

表5　梁板正常使用极限状态挠度验算

②裂缝宽度计算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.4.2条，钢筋混凝土受弯构件在荷载短期效应并考虑长期效应影响下，最大裂缝宽度不应超过0.2mm。

裂缝宽度计算结果见表6。从表中可以看出，组合Ⅲ作用下梁体5-5截面裂缝宽度最大，为0.20mm，满足规范要求。

表6　裂缝宽度计算结果

3.3加固设计内容

⑴对原桥梁板及桥台混凝土破损处凿除，然后进行修补，对裂缝进行封闭。

⑵在桥台上设置千斤顶，同步顶升半幅梁板，更换原桥桥台上的支座。

⑶改移原桥下水沟及水管。

⑷设置横墙对原桥梁板进行支撑。

3.4加固处治施工重点

本桥加固处治要改变桥梁受力体系，因此，新设置的支座与梁体结合好坏成为影响加固施工效果的关键。加固处治完成后，支座应与原桥紧密接触，保证在受力状态下，新设支墩与原桥台共同承担竖向荷载。

加固施工中支座安装步骤及注意事项如下：

⑴同时顶升半幅梁板更换原桥支座（更换支座后将梁板放置在新支座上）；

⑵对梁板底部高程（支座处）进行放样。因新更换支座和原桥受损支座弹性模量变化，更换支座后对梁板高程进行测量能保证高程的准确性。测量时注意测量精度；

⑶根据测量结果确定横墙顶面高程（预留支座垫石、钢板及支座高度），然后浇筑基础、浇筑横墙并预埋支座垫石钢筋；

⑷再次顶升梁板（不超过2cm），因考虑千斤顶无法长期承受荷载，采用枕木或型钢对梁板进行临时支撑，立模浇筑支座垫石，浇筑时注意垫石顶面高程，浇筑完成后将垫石顶面抹平，安装钢板（根据之前梁板高程数据，调整支座垫石高度，垫石含钢板最低高度20cm），钢板安装后用砂浆将钢板周边封闭，保证钢板固定；

⑸安装支座，待垫石混凝土达到强度后，取消临时支撑，将梁板放下，保证梁板和横墙新设支座接触紧密，原桥台支座与新设支座共同受力。

在横墙施工之前，应对桥梁受损混凝土进行修复，新老混凝土的结合也是影响该桥加固效果的关键点，要求：

⑴原砼结构表面的处理：浇筑新混凝土前，应将原砼结构表面打毛、糙化，同时应除去浮浆、尘土，并用高压水冲洗干净。

②原砼结构缺陷的处理：施工时应对桥梁各个部位进行仔细检查，凡有砼缺损、蜂窝、麻面和钢筋外露、锈蚀等现象均应进行处理，处理原则为：凿除缺陷砼，去除浮浆、杂质至密实部位，并对钢筋进行除锈，然后用环氧砂浆进行修补；修补后应采用临时支撑将修补处顶紧，保证环氧砂浆和原梁板混凝土结合紧密；梁底裂缝的宽度在0.15mm以下时，采用改性环氧树脂胶封闭的方法处理；对裂缝的宽度在0.15～1.5mm，应采用自动低压压注改性环氧化学浆液的方法进行处理。修补破损和裂缝后，在梁板底部涂刷涂料进行防护。

4　结论

桥梁结构经受火灾后，混凝土强度与钢筋有效应力降低，原结构体系大多不能满足正常通行。本文提出对受损上部结构增加支撑，改变桥梁结构体系，增加超静定约束进行加固，这样既保留受火灾桥梁的主体结构，又使该桥能够正常通行，是一种既经济又实用的方案，对受火灾损毁桥梁的加固方法具有借鉴意义。●

［1］许宏元，候旭，刘士林.火灾后混凝土桥梁的损伤识别与状态评估［J］.现代交通技术，2009，2.

［2］陈建夫，曹建洋.火灾后桥梁技术状况的评定［J］.浙江交通科技，2002，3.

［3］李毅，项贻强，王建江.火灾后桥梁结构的损伤检测及安全性评估，中国市政工程，2006，10.

［4］四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院.某高速公路通道中桥火灾后应急检测报告，2014，3.

［5］四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院.某高速公路通道中桥病害维修处治一阶段施工图设计，2014，4.