預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋火災(zāi)后的檢測與損傷評估

楊　燦，劉　輝，俞文彬

(1.江西省交通科學(xué)研究院；2.江西省公路科研設(shè)計(jì)院)

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預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋火災(zāi)后的檢測與損傷評估

楊燦1，劉輝2，俞文彬1

(1.江西省交通科學(xué)研究院；2.江西省公路科研設(shè)計(jì)院)

摘要：結(jié)合某大橋火災(zāi)的實(shí)例，介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁火災(zāi)受損后的檢測和損傷評估的方法，以便對同類病害橋梁的檢測和損傷評估提供借鑒。

關(guān)鍵詞：連續(xù)箱梁；火災(zāi)；檢測；損傷評估

1火災(zāi)受損橋梁概況

某橋西岸引橋?yàn)?0m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，梁高1.8m，6跨一聯(lián)，單幅主梁采用單箱單室截面，均采用縱、橫向預(yù)應(yīng)力體系，下部構(gòu)件橋墩采用V形墩，箱梁混凝土采用C50混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用ASTMA416-97.270級高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860MPa?？v橫向預(yù)應(yīng)力筋均采用金屬波紋管成孔。

2014年3月18日13時(shí)30分，某橋下報(bào)廢公交車輛集中停放場發(fā)生火災(zāi)，50號墩下8輛車猛烈燃燒(51跨側(cè)6輛，50跨側(cè)2輛)。滅火先是噴水，后在14時(shí)40分左右對50跨火點(diǎn)采用泡沫滅火；全場火災(zāi)撲滅時(shí)間大約在15時(shí)40分，而51跨火點(diǎn)幾乎是燒完自滅的。

2結(jié)構(gòu)損傷表觀檢測

經(jīng)檢測,過火段第50、51跨梁體損傷較為嚴(yán)重，兩跨箱梁內(nèi)側(cè)及50跨右幅箱梁外側(cè)翼板、腹板混凝土保護(hù)層大面積剝落(最大剝落厚度約6cm)、露筋，箱梁損傷情況詳見圖1所示，圖中損傷級別對應(yīng)的損傷特征見表1。

表1　混凝土損傷級別一覽表

圖1　箱梁損傷狀況示意圖

3火災(zāi)現(xiàn)場可燃物分布

從現(xiàn)場情況來看51跨處雙層公交車車架嚴(yán)重變形情況較其他地方車輛受損都要嚴(yán)重，結(jié)合調(diào)查結(jié)果推斷該處為起火點(diǎn)，停放時(shí)車間距較密，熱軋鋼材材質(zhì)的車架變形彎曲，按《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS252:2009)附錄A推斷火場溫度高于700 ℃。

4火災(zāi)溫度判斷

(1)通過調(diào)查火災(zāi)燃燒時(shí)間來推算火災(zāi)溫度。根據(jù)現(xiàn)場可燃物的特性，本次的火災(zāi)時(shí)間-溫度曲線按ISO834標(biāo)準(zhǔn)曲線描述，該曲線公式為T-T0=345lg(8t+1)，式中t為時(shí)間，以“min”計(jì)；T為當(dāng)所用時(shí)間為t時(shí)，構(gòu)件所承受的溫度值，以“℃”計(jì)；T0為初始溫度，以“℃”計(jì)，計(jì)算時(shí)設(shè)定為20 ℃。這一曲線的特征是30min火場溫度達(dá)到800 ℃，3h內(nèi)不會超過1 100 ℃。本次火災(zāi)自由燃燒時(shí)間為50min，按ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線推算得火災(zāi)溫度為918 ℃。

(2)根據(jù)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)表面顏色及外觀特征判斷受火溫度。第50跨、51跨梁體翼板及底板混凝土大面積嚴(yán)重剝落，保護(hù)層脫落，表面酥碎，表面混凝土呈灰白顯淺黃色，未脫落處混凝土經(jīng)鐵錘敲擊后開裂混凝土脫落，鋼筋外露，且混凝土中石子已石灰化，按《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS252:2009)附錄B推斷混凝土表面受火溫度在900 ℃左右，當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)升溫時(shí)間約30~45min。

5主梁混凝土強(qiáng)度檢測

本次檢測通過分析各測區(qū)回彈值的變化為評估火災(zāi)后箱梁混凝土的受損程度提供參考。檢測發(fā)現(xiàn)第51跨左右幅、50跨左幅底板均有不同程度的混凝土受損。

6高溫下混凝土爆裂的可能性分析

本橋第51跨內(nèi)側(cè)翼板、第50跨左幅內(nèi)側(cè)翼板、第50跨右幅內(nèi)外側(cè)翼板及第50跨右幅底板局部均出現(xiàn)大面積混凝土剝落現(xiàn)象，對右幅第50跨底板局部波紋管出露段而言，混凝土爆裂后波紋管直接受火灼燒，使波紋管內(nèi)部的鋼絞線溫度升高，從而造成較大的預(yù)應(yīng)力損失。另外滅火射水時(shí)水流噴射到高溫的混凝土表面，由于突然的冷卻造成結(jié)構(gòu)表面因收縮開裂，表皮剝落，特別是破壞了梁體混凝土保護(hù)層，在火未熄滅前，使火直接灼燒預(yù)應(yīng)力鋼束波紋管。

7混凝土灼燒特征溫度的測定

7.1　X射線衍射分析

混凝土在高溫作用下，不僅會由于脫水反應(yīng)產(chǎn)生一些氧化物，還會在水化、碳化和礦物分解后又產(chǎn)生許多新的物相。

在各試樣的X-射線衍射圖譜中，均未發(fā)現(xiàn)β-石英，說明河砂中的α-石英未發(fā)生或很少發(fā)生了晶型轉(zhuǎn)化，可推測混凝土剝落面的可能灼燒溫度未超過570 ℃或維持該溫度的灼燒時(shí)間較短。

表2　X射線衍射分析中混凝土物相特征

圖2　4-1#砂漿樣品X射線衍射圖

7.2　熱分析

對火場上采集的混凝土樣品采用熱重法和差示掃描量熱法進(jìn)行分析。

圖3　1#砂漿體TG-DSC曲線

綜合XRD和TG—DSC的測試結(jié)果，2#、3-1#、4-1#試樣均在551.2~598.3 ℃左右有較為弱小的α-石英晶型轉(zhuǎn)變成β-石英，說明α-石英部分存在，因此推測左幅第51跨2.4m處內(nèi)腹板(距梁底60cm)、左幅第51跨12m處內(nèi)側(cè)腹板(距梁底85cm)、右幅第50跨12m處外腹板(距梁底80cm)外表面，說明在火災(zāi)過程中這三處均出現(xiàn)過α-石英晶型轉(zhuǎn)變成β-石英的現(xiàn)象，但α-石英仍部分存在，因此綜合判斷這三處混凝土剝落后外表面火災(zāi)過程中最高溫度均高于551 ℃，但保持時(shí)間不長。

8受損部位高溫后熱軋帶肋鋼筋力學(xué)性能檢測

9個(gè)試件中有5個(gè)試件屈服強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，按鋼筋原屈服強(qiáng)度為335MPa計(jì)則屈服強(qiáng)度最大折減約為0.95；9個(gè)試件中有3個(gè)試件抗拉強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，按鋼筋原抗拉強(qiáng)度為490MPa計(jì)則抗拉強(qiáng)度最大折減約為0.94。

9高溫對箱梁預(yù)應(yīng)力束的影響分析

(1)底板縱向預(yù)應(yīng)力束

對于左幅第50跨和左幅第51跨，檢測發(fā)現(xiàn)左幅第50跨23～29m段、第51跨1～10m段存在局部混凝土剝落現(xiàn)象，此區(qū)域范圍內(nèi)底板束受影響相對較大，該區(qū)域僅內(nèi)側(cè)腹板局部混凝土剝落最大厚度約4cm，底板束束孔中心與剝落面最小距離為6cm，根據(jù)4.2.3分析本橋連續(xù)箱梁在高溫下混凝土有爆裂可能，當(dāng)考慮混凝土剝落是火災(zāi)過程中形成而非滅火過程中因驟然降溫引起，考慮到從混凝土樣品X射線衍射分析和熱分析結(jié)果來看，混凝土表面剝落后形成的剝落面表面溫度超過了551 ℃，但保持時(shí)間不長，當(dāng)混凝土表面溫度按551 ℃，當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)升溫時(shí)間按45min計(jì)，根據(jù)CECS252:2009附錄E推定底板束束孔中心對應(yīng)處混凝土溫度小于100 ℃，其相應(yīng)的有效預(yù)應(yīng)力小于5%，因此對左幅第50跨、第51跨靠內(nèi)側(cè)的9根底板束其有效預(yù)應(yīng)力損失按5%計(jì)。左幅50-51跨、右幅第50跨受影響的區(qū)段腹板底層鋼束受火災(zāi)影響與底板鋼束相近，其有效預(yù)應(yīng)力損失也按5%計(jì)。

對于右幅第50跨，根據(jù)4.2.3分析本橋連續(xù)箱梁在高溫下混凝土有爆裂可能，因此如果波紋管外露是由于火災(zāi)過程中形成而非滅火過程中因驟然降溫引起，則波紋管外露段其在火災(zāi)過程中將直接遭受灼燒，則預(yù)應(yīng)力損失將急劇增大，右幅第50跨底板7根波紋管外露的鋼束有效預(yù)應(yīng)力將損失殆盡，預(yù)應(yīng)力鋼絞線力學(xué)性能大幅降低，因此對右幅第50跨底板束按7束波紋管外露的鋼束全部失效計(jì)。對右幅第51跨其底板受影響范圍與左幅第51跨相近，因此其損失也按靠內(nèi)側(cè)的9根底板束其有效預(yù)應(yīng)力損失按5%計(jì)。

(2)翼板橫向預(yù)應(yīng)力束。

當(dāng)考慮混凝土剝落是火災(zāi)過程中形成而非滅火過程中因驟然降溫引起，則懸臂端部鋼絞線處溫凝土溫度將升高至450 ℃，但距懸臂端0.8m處其鋼絞線處混凝土溫度將降到100 ℃以下，火災(zāi)持續(xù)兩小時(shí)距翼板懸臂端1m處的鋼束內(nèi)部溫度仍將保持在100 ℃以下，經(jīng)計(jì)算距懸臂端1m范圍內(nèi)有效預(yù)應(yīng)力總損失值約23%。

10結(jié)論

左幅第50跨、第51跨箱梁正彎區(qū)段極限承載能力損失約3%。右幅第50跨箱梁正彎區(qū)段其極限承載能力損失約8%，右幅第51跨正彎區(qū)段受火災(zāi)影響范圍與左幅第51跨相近，其正彎區(qū)段極限承載能力損失約3%。底面大面積鋼筋外露處的翼板其極限承載能力損失約17%(根部)～70%(懸臂根部)。

結(jié)合現(xiàn)場檢測、材料試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算結(jié)果，按《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS252:2009)6.1.3條對某橋西岸引橋左右幅第50、51跨結(jié)構(gòu)鑒定評級為d級，嚴(yán)重不符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)重影響安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法第1部分：通用要求(GB/T9978.1-2008)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2]混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50784-2013) [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3]城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)(CJJ77-98) [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

作者簡介：楊燦(1982-)，男，江西南昌人，工程師，從事舊橋現(xiàn)狀承載能力評定與加固設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2014-11-03

中圖分類號：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0117-02