北京市南三环东铁营桥火灾后桥梁加固研究

2017-06-01 12:19谢大川

城市道桥与防洪 2017年4期

关键词：构件火灾桥梁

谢大川

（北京中领工程设计咨询有限公司，北京市100000）

北京市南三环东铁营桥火灾后桥梁加固研究

谢大川

（北京中领工程设计咨询有限公司，北京市100000）

桥梁在火灾高温下，构件混凝土局部爆裂、露筋,使混凝土和钢筋的强度及变形性能劣化,结构承载力降低。现结合北京市南三环东铁营桥火灾后检测评估实例，运用火灾中混凝土桥梁破坏机理，研究过火构件设计加固方案。其方法和思路可为处理类似混凝土桥梁火灾受损评定与加固提供有益的参考。

东铁营桥；检测；混凝土桥梁破坏机理；过火构件加固；设计方案

1 东铁营桥概况

1.1 原桥概况

东铁营桥位于南三环东路（见图1），该桥桥面系由东向西分别为4跨连续、3跨连续和4跨连续，桥面铺装为沥青混凝土。该立交桥桥梁上部结构为11跨安装钢筋混凝土T梁简支结构，在T梁端部处设有横向联系。桥梁墩台为钢筋混凝土结构。桥梁下部结构为钢筋混凝土矩型独立墩，桥梁全长为168.0 m，桥面宽29.0 m，双向车道，由东向西跨径组合为：5×15 m＋18 m＋5×15 m。桥梁横桥方向布置为：（由南向北）1.5 m（步道）+12.0 m（机动车道）+2.0 m（中央隔离带）+12.0 m（机动车道）+1.5 m（步道），设计荷载等级为城-A级汽车荷载。

图1 桥梁位置图

1.2 火灾情况

2016年5月24日中午，东铁营桥桥梁北半幅东侧第二跨下方一辆果皮车起火并引燃临近的另一辆果皮车。火灾使着火车辆上方桥梁结构受到灼烧，并对其周边结构产生烟熏（见图2、图3）。为保证桥梁安全,对东营桥桥梁进行检测并对火灾后桥梁进行相关设计加固研究。

图2 火灾后桥梁实景（1）

图3 火灾后桥梁实景（2）

2 桥梁火灾后检测数据

2.1 监测依据

根据《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003），《回弹法评定混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T23-2011），《混凝土强度检验评定标准》（GB/T 50107-2010），《混凝土中钢筋检测技术规程》（JGJ/T 152-2008），《火灾后建筑结构鉴定标准》（CECS252：2009），《公路养护安全作业技术规程》（JTJ041-2000）对东铁营桥过火区域进行检测。即：检测和评定桥梁结构材料缺陷状况、结构性能；对桥梁受力和结构状态等方面进行详细计算验证；分析桥梁结构损伤、缺损的可能原因并提出相关处理建议。

2.2 外观检查

火灾影响范围为桥梁北半幅着火点所在桥跨及相邻两跨桥梁，影响范围内桥梁长度为45 m、宽度为29 m、总面积为1 305 m2。图4为过火区域桥梁主要构件编号图示；表1为构件编号表。

图4 过火区域桥梁主要构件编号图示

表1 构件编号表

东铁营桥桥面系体整体状况一般，桥面存在网裂1处，桥面北侧护栏存在烟熏火烧1处。上部结构整体状况较差，着火点附近K2-1、K2-2、K2-3、K2-4等4片主梁局部受烧变为灰白色，且周边多片主梁受烟熏变黑（见图5、图6）。检测发现K2-2、K2-3、K2-4等3片受火区梁类构件最大裂缝宽度均大于0.2 mm（0.22 mm～0.26 mm），最大裂缝深度136 mm～138 mm（见图7、图8）；而未受火主梁K3-6最大裂缝宽度为0.17 mm。下部结构整体状况良好，检测未见存在结构性损伤及开裂。梁与盖梁搭接严密，导致支座情况不可见。东桥台及G3盖梁整体状况良好，G1、G2盖梁烟熏变黑。

图5 梁混凝土受火变为灰白色之实景

图6 G1烟熏变黑之实景

图7 K2-3梁南侧面竖向裂缝之实景

图8 K2-3梁裂缝示意图（单位：cm）

2.3 无损检测结果

采用回弹法对该桥主体结构进行混凝土强度检测。经检测桥主梁混凝土强度推定值介于38.8MPa～43.5 MPa，盖梁混凝土强度推定值介于51.1 MPa～51.6 MPa。混凝土碳化深度检测主要是对结构的耐久性进行评价，并间接评价钢筋的锈蚀状况。经检测，受火后发白的区域混凝土碳化深度介于20 mm～30 mm，受火点外被熏黑的区域混凝土碳化深度介于12 mm～20 mm，未受火区域混凝土碳化深度介于10 mm～15 mm。按相关规范要求对其保护层厚度进行检验，经检测，主梁保护层厚度特征值介于31 mm～34 mm。

2.4 桥梁BCI检测结果（见表2）

表2 桥梁BCI检测结果一览表

BCI为城市桥梁状况指数，以表征桥梁结构的完好程度，由好到差，评为A至E级。

2.5 小结

经检测，该桥梁过火后：上部结构损伤比较严重，有不同类型裂缝；下部与桥面系局部被烟熏黑；受火发白区域混凝土碳化深度值接近钢筋保护层厚度（30 mm），混凝土碳化导致钢筋失去碱性环境的保护，易发生锈蚀，影响结构耐久性；桥梁整体仍在可使用范围之内，但需进行相应加固措施。

3 火灾中混凝土桥梁破坏机理

3.1 火灾时间温度标准曲线

火灾场所从开始燃烧、发展、猛烈燃烧、减弱到熄灭全过程中，温度的变化与时间历程息息相关。目前中国工程建设协会标准，火灾后建筑结构鉴定标准CECS252：2009规定火灾标准时间——温度表达式如下：

式中：T为标准温度，℃；T0为环境温度，℃；t为火灾经历时间，min。

通过环境温度和火灾经历的时间，可以判断火灾标准温度，对混凝土与钢筋的破坏研究提供基础数据。

3.2 混凝土破坏原理

国内外大量资料表明，混凝土在高温下及高温冷却后力学性能基本上随温度的升高而降低。混凝土强度随温度的变化与混凝土的强度等级、骨料品种、温度的持续时间和冷却方式等因素有关。但随着温度的升高，这些因素的影响并不明显。从不同的试验条件对高温下及高温冷却后混凝土抗压强度影响来看，总的趋向是随着温度的升高而下降并趋于一致。

3.3 钢筋破坏机理

火灾后钢筋结构详细鉴定应包括受火钢构件的材料特性及承载力。其中，材料特性包括屈服强度与极限强度、延伸率、冲击韧性、弹性模量，承载力包括截面抗弯承载力、截面抗剪承载力、构件和结构整体稳定承载力、连接强度。

钢筋在高温下的抗拉强度随温度的升高而降低，由于各种钢筋所含成分和制造工艺的不同，其抗拉强度的变化也略微有不同，普通热轧低碳钢筋在温度大于200℃时屈服消失，出现强化现象。各种钢筋在温度小于400℃后强度下降不明显，当温度大于400℃后强度下降显著。但温度达到600℃后各种钢筋抗拉强度下降趋于相同，说明钢筋此时均以达到了变态点温度。而钢筋在高温冷却后其屈服点及抗拉强度与常温下相等，降低有限。另外，钢筋在高温下的延伸率与钢筋在高温冷却后的抗拉强度相同，基本能恢复到原来的塑性状态。

3.4 混凝土与钢筋的黏结

火灾后混凝土经高温作用后，其弹性模量及混凝土与钢筋间黏结强度随温度的升高而降低。当温度达到500℃以后，混凝土的弹性模量下降的速度比混凝土抗压强度降低的速率更为迅速，下降约60%左右，在此温度下，由于混凝土与钢筋间的变形差异增大，使得混凝土与钢筋间黏结强度也大为降低。但不同级别的钢筋的自身的摩阻力和合力是不同的，因而在高温作用后的粘结强度下降程度也有所不同。例如：HPB235级钢筋在500℃后黏结强度下降约50%，而HRB335级钢筋下降不到20%。当温度达到700℃ ～800℃以后，混凝土的弹性模量已经完全丧失。HPB235级钢筋已经全部丧失，HRB335级钢筋也丧失60%，可以看出火灾对HPB235级钢筋的黏结强度影响较大。

3.5 小结

火灾发生后，温度随时间变化，温度的升高使混凝土与钢筋不能良好地黏结，导致桥梁承载力下降，故需及时对桥梁结构进行相关加固。

4 受火构件加固方案

4.1 受火构件的损伤状态等级评定

依据《火灾后建筑结构鉴定标准》（CECS252：2009）中的有关规定，根据构件烧灼损伤、变形、开裂（或断裂）程度，并结合桥梁的结构形式及受力特点，对桥梁主要受火构件的损伤状态等级进行评定，东铁营桥受火构件评定损伤状态等级分类如表3所列。

东铁营桥受火构件经过损伤状态等级评定，可知大面积轻度灼伤，局部中度灼伤，但尚未破坏，需进行相应加固设计。

表3 东铁营桥火灾后结构构件损伤状态评定等级表

4.2 受火构件设计计算方案

火灾后构件承载力的损失主要由钢筋抗拉强度损失和混凝土烧酥引起构件截面减小所致,因此可采用检测所得的钢筋强度和扣除烧伤深度之后的缩小截面进行构件承载力计算。

当混凝土温度低于300℃时，其强度与常温强度相同；在300℃～800℃时，混凝土的强度取常温一半；当混凝土的温度高于800℃时，其强度为零（见图9），即：

式中：fTc为混凝土的高温强度；fc为混凝土的常温强度。

图9 高温混凝土的简化设计强度曲线图

高温下钢筋的设计强度呈三折线（见图10）。

图10 高温钢筋的简化设计强度三折曲线图

式中：fTy为钢筋的高温强度；fy为钢筋的常温强度。

经计算，东铁营桥，混凝土与钢筋强度略微下降，需进行相应加固措施。

4.3 受火构件加固原则

结构加固设计强调概念设计，以构造为主，计算为辅，计算与构造两者相辅相成。各种结构加固方法的原则是：（1）铲除损坏的混凝土，必要时加钢筋来保证结构具有完全的承载力，按照需要的尺寸用相应的混凝土给截面复原，加固可采用置换、绕丝、粘钢和粘玻纤等方式。（2）对于不影响结构部件的承载能力的轻度损害，只要铲除松弛的混凝土部分再进行填补，作好混凝土表面，以保证钢筋不受锈蚀。（3）对于能够造成结构能力降低的中度损害，应小心地铲去损害的混凝土层。如果钢筋强度降低，需要置放附加钢筋，然后用相应强度的新混凝土给截面复原。新、旧混凝土之间及钢筋与混凝土之间的结合必须良好，粘结力要强。（4）对于严重损害，应根据现场情况个别处理，常常需要局部加固或拆掉重建。

4.4 东铁营桥设计加固方案

东铁营桥受火构件主要有以下两点病害：（1）栏杆地袱、T梁、盖梁、墩柱均有被熏黑处；（2）T梁不同类型裂缝。对受火构件熏黑处进行混凝土表面清洗，涂刷刷渗透型硅烷混凝土防腐涂料，对T梁不同类型裂缝，进行涂刷封闭或灌注封闭。

4.4.1 渗透型硅烷混凝土防腐涂料（见图11、图12）

4.4.2 裂缝处理（见图13、图14）

对所有可见裂缝均需进行封闭处理：（1）裂缝宽度小于0.15 mm的进行表面封闭处理。（2）裂缝宽度在0.15 mm至0.3 mm的进行灌注封闭处理。（3）裂缝宽度大于0.3 mm或裂缝深度较深的裂缝应采用凿槽欠补法进行裂缝处理。（4）裂缝处理前应先将裂缝周围约5 cm范围混凝土表面清理干净，以免影响封闭效果。裂缝表面封闭处理时直接将封闭胶涂刷在裂缝处混凝土表面，应做到连续无间隔，确保封闭密实。对需要灌注封闭的裂缝，应先在裂缝周围涂刷封闭胶，在局部留出灌注空隙。（5）注入座沿缝的走向，每米约布置3个，裂缝分叉处的交叉点应布置注入座，选混凝土表面平整处设置，避开剥落部位；对贯通缝，可在一侧布置注入座，另一侧完全封闭，缝宽较大且内部畅通时，可以按每米2个的密度来布置。