预应力连续梁桥火损后的应变监测及分析研究

王利军，唐先习，徐俊兵

(兰州理工大学土木工程学院，兰州，730050)

0 引言

近年来随着社会经济高速发展，我国城市化进程快速推进，基建设施如雨后春笋般崛地而起，尤其是桥梁建设日新月异，但是由于人为或自然因素所引起的各种桥梁火灾事故也接踵而来，通常将其分为三种“典型”火灾场景。

第一种典型场景：最为常见，桥梁破坏或坍塌事故往往由桥下载有易燃化学物、碳氢化合物等物品的车辆着火而引起。对于钢筋混凝土桥梁，若燃料着火点正好位于其下方，那么桥梁坍塌的可能性很大。2007年4月29日，位于旧金山心脏地带处的某一高速公路枢纽，MacArthur Maze大桥由于桥下载有易燃物品的大车失火从而引发火灾，这次事故的直接损失约1200万美元，据最终统计火灾的经济影响高达9000万美元[1,2]。

第二种典型场景：运输液体燃料的槽罐车在桥上发生意外出现罐体破裂或者车辆倾覆，导致燃料溢出引发火灾。2012年10月，位于法国鲁昂的Mathilde大桥，便是发生了该类型的火灾[3-5]。

第三种典型场景：位于桥下的材料由于人为或者自然原因着火，从而引发桥梁火灾。2017年3月，美国亚特兰大 I-85 州际公路上的一座主线桥梁，因人为点燃储存在桥下的存放设备和PVC管等易燃材料引发火灾，导致了严重的交通事故以及巨额经济损失[6,7]。

通常情况下，一旦发生火灾，往往造成巨大的社会危害和经济损失，使得桥梁火灾成为影响在役桥梁的灾害之一。火灾高温会对桥梁结构材料的力学性能产生一系列复杂的影响，如强度下降、弹性模量下降、应变增大等变化。伴随着火灾的蔓延，火灾温度持续升高，结构温度可升至1 000 ℃甚至更高，受火区域构件承载力不断削弱，同时结构内部发生相应的应力重分布，伴随有结构开裂，变形增大，承载力下降，出现局部破损或倒塌等，从而导致巨大的经济损失甚至惨重的人员伤亡。

1 工程背景

图1 连续梁火烧部位现场拍摄图及火灾示意图Fig.1 On-site shooting and fire schematic drawing of continuous beam fire site

2 火灾升温及结构受火特性

火灾现场调查结果显示，火灾发生时火焰温度最高达到1 000 ℃以上，且燃烧时间较长(超过1.5 h)。火灾下钢筋混凝土箱梁的温度变化会受可燃物性质、桥下空间、供氧量、受火位置、燃烧时长等诸多因素影响，其中可燃物性质对于影响火灾时的温升趋势最为显著。目前火灾温度多采用国际标准组织(ISO)提供的ISO 834标准火灾升温公式模拟，该公式能够较好的体现大多数火灾的燃烧特点，具有一定的代表性及规律性，该计算公式如式(1)：

T=T0+345lg(8t+1)

(1)

然而本次火灾由易燃化学物引发，火焰中心基本位于箱梁底板正下方，而且桥下开敞，供氧充足，可在短时间内迅速升温至很高温度，碳氢化合物燃烧(Hydrocarbon)火灾模式下升温迅速，延火时间短，最高温度可达1 000 ℃以上，用该升温曲线模拟桥梁升温模式更为合理，该计算公式如式(2)，式(1)和式(2)两种升温曲线对比如图2所示。

图2 升温曲线对比Fig.2 Comparison of heating curves

(2)

式中：T为t时刻的温度；T0为环境初始温度；t为火灾持续时间。

经初步计算，桥下最高温度可达1 000 ℃以上，同火灾现场初步调查结果相对应。根据经火灾高温后的预应力混凝土结构表观情况，通常可将火灾温度区域划分为以下三种：低温区(≤300 ℃)、中温区(300 ℃～600 ℃)和高温区(≥600 ℃)。

2.1 火灾高温下混凝土破坏机理及其力学性能

1)迎火面表面处温度较其内部升高快，内外温差较大引起混凝土开裂；

2)火灾高温作用下，胶体的粘结力破坏，出现裂缝，表面发毛、起砂、呈蜂窝状、出现龟裂、边角溃散脱落等现象；

3)骨料和水泥石比热容相差较大，导致其出现应力集中以及微裂缝的开展；

4)随着温度的持续升高，钢筋与混凝土之间的变形差异增大，混凝土的抗拉强度降低和混凝土产生内部裂缝，从而导致钢筋与混凝土的粘结力逐渐降低直至完全消失，进而钢筋与混凝土分开，钢筋裸露、松弛变形；

5)高温下混凝土应力-应变关系发生很大变化，表现为弹性模量随着温度升高而逐渐降低，而且在经火灾高温作用后其残余强度会显著降低等[8-12]。

2.2 火灾高温后钢筋的性能

当火灾温度高于200 ℃时，钢筋屈服强度开始下降，当温度在550 ℃～600 ℃时，普通钢筋强度下降约50%左右，预应力钢筋在高温作用下强度下降比非预应力钢筋快，当温度在400 ℃左右时的强度损失可高达50%。温度较低时钢筋与混凝土之间粘结强度下降较少，甚至会出现有所提高的情况；但是当超过一定温度(螺纹钢筋大于600 ℃，光圆钢筋大于400 ℃)时，粘结性能明显下降[13-15]。

预应力筋的高温蠕变将产生附加预应力损失，这将严重影响预应力混凝土结构在火灾下的承载力，这是火灾下预应力混凝土结构不同于普通钢筋混凝土结构的重要特征[16]。

3 检测及监测

3.1 强度检测

混凝土结构经火灾高温作用后，强度会有显著降低，并伴随有开裂、掉块等现象。清除结构受损和掉落混凝土后，采用超声回弹法以及取芯试验法对箱梁剩余部分的混凝土强度进行检测。所以进行超声回弹法(共计60个测区)和取芯试验法(4个试验)检测，该两项检测结果均表明，剩余部分箱梁强度满足原设计的技术要求[17]。

3.2 应变监测

因该桥为新建桥梁尚未通车，所以只考虑梁体结构火损后的材料力学性能及结构力学性能变化而导致的应力重分布，监测分析在自重状态下的应变变化，监控桥梁结构在一段时间段内的稳定性，为后续桥梁结构的加固提供可靠依据。

3.2.1 测点布置

考虑到尽可能的提高观测的精度标准，选用东华DH3821数据采集仪、EY501工具式表面应变计进行全天候24 h监测。为减少温度、湿度等环境因素对应变计的影响，同时为防止应变计脱落对梁体下部可能产生的危害，所以将应变计布设在箱梁内部混凝土结构表面。考虑到交角部位的倒角可能导致的应力集中，应变计距倒角的距离为10 cm。结合梁体受火损的具体部位，应变监测断面在桥梁纵向共布置4个，分别为：

1)监测断面1：梁体6号、7号块连接部位，此部位为靠近跨中方向的火损部位边缘，仅在腹板与底板交角处布置2个监测点。

2)监测断面2：梁体5号块纵向中部，此部位为火损较严重区域，分别在腹板与梁顶底板处交角处共布置4个监测点。

3)监测断面3：梁体4号块纵向中部，此部位为火损较严重区域，分别在腹板与梁顶底板处交角处共布置4个监测点。

4)监测断面4：位于梁体2号、3号块连接部位，此部位为靠近支座方向的火损部位边缘，仅在腹板与底板交角处布置2个监测点。

4个断面共布置12个监测点。测点布置示意图如图3、图4所示。

图3 应变监测点纵向断面布置示意图Fig.3 Diagram of vertical section layout of strain monitoring points

图4 应变监测点横向断面布置示意图Fig.4 Diagram of cross section layout of strain monitoring points

3.2.2 监测数据及其处理

监测期间共测得了受损桥梁所选4个断面共布设的12个应变计1.5月的应变变化值，对所监测数据进行了计算及分析，考虑到温度等其他因素的影响，取12个应变计每天上午7:00的数据，绘制各应变计变化随时间的曲线变化图如图6～图9。

图5 预应力钢束布置图Fig.5 Layout of prestressing steel

图6 梁体1号断面各点应变变化趋势图(微应变单位：1、时间单位：天)Fig.6 Trend chart of strain variation at each point of No.1 Section of beam bridge

图7 梁体2号断面各点应变变化趋势图(微应变单位：1、时间单位：天)Fig.7 Trend chart of strain variation at each point of No.2 section of beam bridge

图8 梁体3号断面各点应变变化趋势图(微应变单位：1、时间单位：天)Fig.8 Trend chart of strain variation at each point of No.3 section of beam bridge

图9 梁体4号断面各点应变变化趋势图(微应变单位：1、时间单位：天)Fig.9 Trend chart of strain variation at each point of No.4 section of beam bridge

火灾下预应力钢绞线处于高应力状态，从而产生显著的应力松弛(或蠕变)[18],使得预应力明显降低，变形增大；高温会导致混凝土材料内部受损，例如界面裂缝、强度降低、失水疏松等现象均可能引起应力集中，伴随着温度的持续升高，混凝土的抗压强度显著下降。结合预应力钢束布置图，见图5，对各点应变变化进行分析。

第6～9天，梁体内部温度开始降低，此时钢束预应力损失和混凝土强度降低达到最大水平，基本不再发生预应力损失和混凝土强度降低，所以梁体应变不再增大且在微应变最大值处波动，近似保持稳定状态；

第7～10天，梁体内部温度开始逐渐降低，类似于1-1截面，此时钢束预应力损失和混凝土强度降低达到最大水平，我们认为基本上不再发生预应力损失和混凝土强度降低，所以梁体应变不再增大且在微应变最大值处波动，近似保持稳定状态；

第7～9天，梁体内部温度开始逐渐降低，类似于2-2截面，此时钢束预应力损失和混凝土强度降低达到最大水平，我们认为基本不再发生预应力损失和混凝土强度降低，所以梁体应变不再增大且在微应变最大值处波动，近似保持稳定状态；

第6～9天，梁体内部温度开始降低，此时钢束预应力损失和混凝土强度降低达到最大水平，基本不再发生预应力损失和混凝土强度降低，所以梁体应变不再增大且在微应变最大值处波动，近似保持稳定状态；

4 结论

根据对梁体进行的强度检测和应变监测结果，结合国内外其他学者对火损预应力梁桥的相关研究，综合分析了火灾高温对预应力混凝土梁桥组成材料(混凝土、普通钢筋和预应力钢筋)的力学性能的影响，得出对于火损后的梁体而言：

1) 火损后结构微应变变化可分为三个阶段：上升、稳定、下降(回升)，总体表现为火灾发生后的一周左右内，应变变化迅速增大，随着时间的推移，应变值变化幅度逐渐缓和下来，最终逐渐趋于稳定；

2) 由于火焰中心位置偏向于梁体右侧，所以梁体东侧(远离火的一侧)应变值变化较小，西侧(靠近火的一侧)应变值变化较大；

3) 箱梁底面为迎火面，箱梁下部应变值变化数值明显大于箱梁上部；

4) 低温区(≤300 ℃)应变变化相对最小、中温区(300 ℃～600 ℃)应变变化相对居中、高温区(≥600 ℃)应变变化相对最大；

5) 在桥梁自重的作用下，火损后的应力重分布过程已基本完成。

因此，在不增加其他外加荷的情况下，梁体结构已趋于稳定，可暂时停止监控，进行下一步的梁体火损检测，如：预应力损失等检测，从而定量地推导出火灾对于整体结构的影响等，并对梁体进行必要的加固。此外通过该分析研究可以对其他同类型桥梁工程提供理论支撑，使得火灾后桥梁评定技术更全面、更具有针对性。