混凝土橋梁防火設(shè)計初步探討

曹文，張三峰，傅賢超，鄒春蓉

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

混凝土橋梁防火設(shè)計初步探討

曹文，張三峰，傅賢超，鄒春蓉

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

近年來，幾乎每年都有既有混凝土橋梁的火災(zāi)事故發(fā)生，造成了橋梁梁體、墩臺等主要承載結(jié)構(gòu)嚴重損傷，受損橋梁雖然經(jīng)過表面修復(fù)及加固處理，但內(nèi)部鋼筋及混凝土損傷程度卻難以準(zhǔn)確判定，橋梁運營依然存在安全隱患。如果從橋梁設(shè)計之初就考慮防火要求，則可將火災(zāi)所致結(jié)構(gòu)損傷將至最低。本文從災(zāi)后損傷類型、火災(zāi)反應(yīng)機理、設(shè)計階段防火設(shè)計，以及災(zāi)后損傷評定和加固設(shè)計等方面，對混凝土橋梁防火設(shè)計思路進行了初步探討。

混凝土橋梁 防火設(shè)計 結(jié)構(gòu)損傷 加固方案

近年來既有混凝土橋梁的火災(zāi)問題日益突出，幾乎每年都有火災(zāi)事故發(fā)生，造成了橋梁梁體、橋墩等主要承載結(jié)構(gòu)嚴重損傷。雖然經(jīng)過表面修復(fù)及加固處理，但對內(nèi)部鋼筋及混凝土損傷程度卻難以準(zhǔn)確判定，使橋梁后期運營依然存在安全隱患。如果從橋梁設(shè)計之初就考慮防火要求，則可將火災(zāi)所致結(jié)構(gòu)損傷降至最低，進一步保障橋梁的安全運營。本文主要對混凝土橋梁防火設(shè)計思路進行初步探討。

1 火災(zāi)致結(jié)構(gòu)的損傷類型

混凝土結(jié)構(gòu)在遭受火災(zāi)后，材料的物理化學(xué)性質(zhì)在高溫下發(fā)生變化，導(dǎo)致鋼筋和混凝土材料的強度與彈性模量等力學(xué)性能減退，鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強度下降，結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面承載力相應(yīng)降低;其損傷類型主要有混凝土開裂、剝落露筋及應(yīng)力損失等，對橋梁承載力及耐久性影響極大。

現(xiàn)場火災(zāi)致混凝土橋梁典型病害見圖1及圖2。

圖1 火災(zāi)致橋墩梁體剝落露筋

圖2 火災(zāi)致主拱圈混凝土爆裂

2 混凝土結(jié)構(gòu)對火災(zāi)的反應(yīng)機理

2.1 溫度應(yīng)力分析

火災(zāi)溫度的高低和持續(xù)時間直接影響結(jié)構(gòu)的損傷程度，因此判斷受損結(jié)構(gòu)的火災(zāi)溫度十分重要。依據(jù)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 252:2009)附錄B“混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應(yīng)與溫度的關(guān)系”，結(jié)合以往火災(zāi)致結(jié)構(gòu)表面損傷、現(xiàn)場殘留物狀況，可初步判定混凝土結(jié)構(gòu)爆裂露筋部位受火最高溫度一般在500℃～700℃，未爆裂部位受火最高溫度在350℃～500℃。

以鋼筋混凝土橋墩受火災(zāi)情況為例進行溫度應(yīng)力分析。假定橋梁墩柱混凝土為C40，直徑為1.5 m，墩柱高9 m，在墩高5～7 m范圍一側(cè)表面分別施加300℃，500℃，700℃溫度荷載，來考察墩柱表面混凝土拉應(yīng)力(計算結(jié)果如圖3)，混凝土表面拉應(yīng)力分別為3.95，6.23，12.90 MPa，均大于C40抗拉設(shè)計強度2.15 MPa。故墩柱表面在火勢高溫持續(xù)作用下，對墩柱內(nèi)部的影響較大，凝膠體脫水反應(yīng)的收縮同骨料受熱膨脹之間的不協(xié)調(diào)越來越大，造成裂縫繼續(xù)發(fā)展，進而發(fā)生混凝土爆裂。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)對火災(zāi)的反應(yīng)機理

受火后混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能明顯下降，眾多研究者對其機理進行了研究。根據(jù)試驗結(jié)果認為:當(dāng)溫度＜200℃時，混凝土中凝膠體和粗、細骨料均因升溫而發(fā)生體積膨脹，同時凝膠體中C—S—H凝膠體由于受熱脫水而有少量的收縮;溫度在300℃以上時，凝膠體脫水反應(yīng)的收縮同骨料受熱膨脹之間的不協(xié)調(diào)越來越大，造成裂縫繼續(xù)發(fā)展?；炷猎诰S持高溫時，裂縫雖然得到了充足的發(fā)展，但由于骨料膨脹變形的存在，使裂縫寬度增加受到了一定抑制。對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)來說，在長期高溫作用或遭受突發(fā)性高溫沖擊時，會造成材料性能劣化，使結(jié)構(gòu)開裂，變形增大、承載力下降等。預(yù)應(yīng)力混凝土所具有的密實微觀結(jié)構(gòu)在高溫時轉(zhuǎn)化為負面因素，會阻止內(nèi)部水蒸氣逸出，進而引發(fā)混凝土爆裂，其爆裂發(fā)生溫度在350℃～600℃，爆裂面積與混凝土強度等級成正比。相關(guān)研究表明，預(yù)應(yīng)力鋼束的極限強度在300℃以上下降較快，在火災(zāi)中隨著結(jié)構(gòu)溫度持續(xù)升高，由于預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土的熱膨脹系數(shù)差異，將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力的大量損失。

通過混凝土結(jié)構(gòu)在溫度200℃～1 100℃作用下的表面顏色、開裂程度、疏松脫落、露筋及錘擊聲音等特征進行試驗觀察，其表觀特征見表1。

圖3 不同溫度作用下的墩柱應(yīng)力(單位:Pa)

表1 受火后混凝土表觀特征

3 混凝土橋梁防火設(shè)計

3.1 相關(guān)規(guī)定及使用局限

目前《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2012)對鋼管柱及鋼梁的防火保護涂裝層材質(zhì)、厚度及耐火極限做了較為全面而明確的規(guī)定及要求。其中采用LG防火隔熱涂料、保護層厚度為15 mm的鋼梁耐火極限為1.5 h;采用LY防火隔熱涂料、保護層厚度20 mm的鋼梁耐火極限為1.5 h。鋼管樁則采用防火涂料或金屬網(wǎng)抹M5砂漿作保護層，其保護層厚度根據(jù)墩柱截面尺寸從5～90 mm不等。因此鋼結(jié)構(gòu)橋梁的防火設(shè)計參照此規(guī)定直接取用防護材料及厚度即可。

但該規(guī)范對于混凝土梁的防火設(shè)計只對保護層厚度做了要求。其中非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁保護層厚度為10～50 mm，對應(yīng)耐火極限為1.2～3.5 h;采用預(yù)應(yīng)力鋼筋或高強度鋼絲的混凝土梁保護層厚度為25～50 mm，對應(yīng)耐火極限為1～2 h。對鋼筋混凝土墩柱則只對截面尺寸及對于耐火極限提出一些要求，墩柱的截面尺寸與耐火極限成正比?；炷翗蛄航Y(jié)構(gòu)在設(shè)計時的保護層凈厚度一般為30 mm，對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐火極限僅僅為1.2 h，而實際橋梁結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中承受380℃～1 200℃溫度荷載即耐火極限≥1.2 h，因此火災(zāi)發(fā)生后導(dǎo)致嚴重的結(jié)構(gòu)損傷。

3.2 混凝土橋梁的防火設(shè)計

針對有防火要求及存在火災(zāi)隱患的混凝土橋梁，在設(shè)計之初可采取一定的防火技術(shù)措施，主要從混凝土材質(zhì)、保護層材質(zhì)及厚度、防火安全措施等方面進行考慮。

1)采用新型耐火水泥及結(jié)合劑

從混凝土結(jié)構(gòu)材質(zhì)入手，提高耐高溫性能，目前可采用耐火水泥及耐火粗集料，比如鋁酸鹽水泥，由于沒有Ca(OH)2和因溫度變化而引起體積變化效應(yīng)的硅酸二鈣，所配制的混凝土耐火度可達1 300℃～1 400℃。耐火用混凝土結(jié)合劑可采用高濃度陶瓷泥漿，高濃度陶瓷泥漿結(jié)合劑首先由于其分散性介質(zhì)為無機酸、氯化物或溶膠，可出現(xiàn)結(jié)合性能。在制取懸浮液過程中由于各個相的相互作用，便直接形成溶膠，它克服了以水玻璃、磷酸鹽、高鋁水泥做結(jié)合劑的耐久混凝土力學(xué)指標(biāo)和體積密度偏低等缺點，可明顯改善耐火混凝土的能力。

2)提高保護層厚度

對于混凝土結(jié)構(gòu)可適當(dāng)提高保護層厚度，若混凝土保護層厚度取5～8 cm，則耐火極限達到3～5 h，可滿足常規(guī)的耐火要求。

3)采用其他保護層材質(zhì)

混凝土結(jié)構(gòu)保護層可采用防火涂料或外貼陶瓷纖維布，其中陶瓷纖維布具有優(yōu)良的高溫絕緣性能，使用壽命長，連續(xù)使用溫度可達1 000℃，短時間使用溫度可達1 260℃;具有良好的抗酸堿腐蝕性和抗鋁鋅等熔融金屬侵蝕能力;良好的低溫、高溫強度和保溫隔熱性能;且無毒、無害、無氣味，對環(huán)境無不良影響。

4)采用鋼纖維混凝土

采用鋼纖維混凝土，耐高溫力學(xué)性能可明顯提高。相關(guān)研究表明，鋼纖維混凝土高溫后的劈拉強度隨所受最高溫度的升高而下降，300℃以后損失加快，與素混凝土相比，其殘余抗劈拉強度較后者高約20%以上;鋼纖維混凝土高溫后的抗折強度隨溫度升高而下降，100℃后均勻下降且損失較大;鋼纖維混凝土具有較好的高溫后的抗剪性能，最高溫度不超過500℃時，抗剪強度下降很小，高于500℃后強度損失加大，經(jīng)900℃高溫后，殘余抗剪強度仍在40%以上。

5)消防設(shè)施布置

可參照建筑消防設(shè)施的設(shè)置，在橋梁結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位布置自動噴水系統(tǒng)，橋梁用消防給水應(yīng)采用高壓或臨時高壓給水系統(tǒng)。消防用水可由城市給水管網(wǎng)、天然水源或消防水池供給。利用天然水源時，其保證率不應(yīng)小于97%，且應(yīng)設(shè)置可靠的取水設(shè)施。

4 火災(zāi)致結(jié)構(gòu)損傷加固設(shè)計

4.1 橋梁損傷評定

為了全面了解火災(zāi)對橋梁的影響，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的病害狀況及功能退化情況，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有工作狀態(tài)，科學(xué)評定火災(zāi)對混凝土梁體、墩臺等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響或損害，確定橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)，需對災(zāi)后橋梁進行損傷評定。一般包括以下三方面的檢測:①檢查橋梁外觀，并確定橋梁受火溫度區(qū)域和構(gòu)件燒損情況，以利分析受災(zāi)狀況。②測量橋梁線形，考察有無因火災(zāi)導(dǎo)致的梁體下?lián)?。③檢測混凝土，特別是受火區(qū)混凝土強度及碳化深度，并對橋臺進行鉆芯取樣，考察混凝土劣化程度。

1)碳化深度測試。混凝土的碳化是酸性介質(zhì)與堿性混凝土相互作用造成混凝土堿性下降的一種現(xiàn)象。火災(zāi)時，受一定溫度影響下的混凝土構(gòu)件，其表層Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(Ca(OH)2→CaO+H2O)，也會導(dǎo)致混凝土中性化。測試火災(zāi)作用下構(gòu)件的混凝土中性化程度，可采用濃度為1%的酚酞酒精溶液檢測，將其噴灑在取出的混凝土芯樣上，用游標(biāo)卡尺量得碳化深度;或者用沖擊鉆在混凝土表面鉆取小孔，用酚酞酒精溶液噴灑在小孔處，用游標(biāo)卡尺測試構(gòu)件碳化深度。

2)混凝土強度抽測。對于混凝土結(jié)構(gòu)過火部位，需清除表面疏松混凝土層，對內(nèi)部混凝土進行強度測試。對于同結(jié)構(gòu)部件未過火部位，采用回彈法進行混凝土強度回彈抽查，對比設(shè)計強度，檢查未過火部位混凝土強度是否受火災(zāi)影響。

3)火災(zāi)對墩柱內(nèi)部的影響程度，即采用混凝土綜合測試儀，按沖擊彈性波法通過測量被燒過的墩柱與正常墩柱中彈性波傳播的速度，推算受火災(zāi)作用與不受火災(zāi)的墩柱彈性模量，以此來評估墩柱在火災(zāi)作用下的影響。

4)對鋼筋的檢測?；馂?zāi)作用會導(dǎo)致混凝土中鋼筋性能的降低，現(xiàn)場鋼筋暴露。為判斷對主筋和箍筋的影響，現(xiàn)場各截取部分樣品進行試驗。檢測鋼筋抗拉強度、屈服強度是否基本滿足設(shè)計要求。

5)鑒定評級及處理。根據(jù)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 252:2009)，對柱墩火災(zāi)過火范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)進行分析，按照構(gòu)件燒灼損傷、變形、開裂或斷裂程度評定損傷狀態(tài)等級。

4.2 加固設(shè)計

局部混凝土剝落區(qū)域，根據(jù)混凝土疏松情況，一般剔除15～50 mm深度的表層疏松混凝土至堅實面層;無混凝土爆裂表面完好區(qū)域，剔除10 mm表層混凝土后，涂刷界面劑。切除部分受損鋼筋，植入或焊接同規(guī)格或高等級鋼筋，使用砂漿或高強灌漿料對墩柱表層進行修復(fù)處理。

對于需要對承載能力不足的梁板進行加固，經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟比較，一般采用芳玻韌布與高強環(huán)氧樹脂現(xiàn)場粘合形成復(fù)合纖維加固系統(tǒng)。它是由芳綸(Kevlar)與特種玻纖(E-glass)編合的纖維布與配套專用樹脂現(xiàn)場粘合而成的強韌復(fù)合纖維材料，粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的外表面，并形成新的復(fù)合結(jié)構(gòu)?；炷两Y(jié)構(gòu)粘貼芳玻韌布后50年裸露不老化、不腐蝕，耐久、抗撞，抗震性能優(yōu)于碳纖維，最終達到提高原結(jié)構(gòu)承載力的作用。

火災(zāi)致梁體或墩柱混凝土剝落、露筋一般的加固方案如圖4、圖5。

圖4 梁體結(jié)構(gòu)損傷加固示意(單位:cm)

圖5 墩柱結(jié)構(gòu)損傷加固示意(單位:cm)

5 結(jié)語

通過混凝土橋的火災(zāi)反應(yīng)機理分析可見，如果從橋梁設(shè)計之初考慮防火要求，則可將火災(zāi)致結(jié)構(gòu)損傷降至最低，進一步保障橋梁的安全運營。但目前相關(guān)規(guī)范對混凝土橋梁防火設(shè)計規(guī)定還很不完善，各種結(jié)構(gòu)防火材料性能參差不齊，使用效果及防火性能有待更深入研究。

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(責(zé)任審編孟慶伶)

U445.7+5;TU545

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.11

1003-1995(2015)02-0039-04

2014-08-31;

2014-09-23

曹文(1986—)，男，四川廣安人，工程師，碩士研究生。