混凝土結(jié)構(gòu)橋梁火災(zāi)處治研究

王 寧

(邢臺(tái)路橋建設(shè)總公司，河北 邢臺(tái) 054001)

混凝土結(jié)構(gòu)橋梁火災(zāi)處治研究

王 寧

(邢臺(tái)路橋建設(shè)總公司，河北 邢臺(tái) 054001)

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在施工及使用過程中均存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，而橋梁火災(zāi)一旦發(fā)生將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響?；诨炷两Y(jié)構(gòu)橋梁在火災(zāi)作用下的材料性能演變分析，指導(dǎo)火災(zāi)過程中的滅火措施，力求對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)最大限度的保護(hù)；探討了混凝土結(jié)構(gòu)橋梁災(zāi)后損傷評(píng)定方法，并提出若干災(zāi)后修復(fù)等處治措施。結(jié)合某特大橋橋塔火災(zāi)處治案例，為今后的橋梁火災(zāi)處治提供參考。

混凝土橋梁；火災(zāi)；損傷評(píng)估；處治措施

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通需求量急速上升。由于新建山區(qū)公路橋隧比重大，橋梁建設(shè)發(fā)展迅猛，作為橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段的重要危險(xiǎn)源，橋梁火災(zāi)越來越受到人們的重視[1]。近年來，在橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)生火災(zāi)的事件時(shí)有發(fā)生[2-4]，橋梁火災(zāi)一旦發(fā)生將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，有效的滅火措施、火災(zāi)中橋梁結(jié)構(gòu)的保護(hù)、災(zāi)后的損傷評(píng)估及修復(fù)等處治尤為重要。

本文首先分析了混凝土結(jié)構(gòu)橋梁在火災(zāi)作用下的材料性能演變，指導(dǎo)火災(zāi)過程中的滅火措施，力求對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)最大限度的保護(hù)；基于混凝土結(jié)構(gòu)橋梁災(zāi)后損傷評(píng)定結(jié)果，提出災(zāi)后修復(fù)等處治措施。結(jié)合某特大橋橋塔火災(zāi)處治案例，為今后的橋梁火災(zāi)處治提供參考。

1 火災(zāi)作用下橋梁材料性能演變

混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的材料如主要混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力束等的力學(xué)性能在常規(guī)設(shè)計(jì)中均采用定值，而在火災(zāi)中高溫作用下，其強(qiáng)度、彈模及材料間的相互嵌固作用均會(huì)產(chǎn)生明顯的變化[5]。

1.1 材料性能演變

相關(guān)研究表明，混凝土材料的高溫性能演變與混凝土標(biāo)號(hào)、高溫作用時(shí)長(zhǎng)、骨料類型以及高溫后的冷卻過程相關(guān)，且材料性能與火災(zāi)溫度整體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即火災(zāi)溫度越高，材料性能衰減越明顯。

混凝土材料在300 ℃以下的溫度作用下，其性能演變由結(jié)合水及殘存水泥熟料導(dǎo)致，此時(shí)，部分結(jié)合水汽化，水泥石將產(chǎn)生一定的收縮效應(yīng)，而骨料性能無明顯變化，因而混凝土材料的強(qiáng)度損失較小；而在火災(zāi)溫度高達(dá)400 ℃時(shí)，混凝土中的水泥石產(chǎn)生明顯膨脹，在骨料與水泥石的界面上的內(nèi)應(yīng)力增大，材料性能進(jìn)一步降低；在火災(zāi)溫度高達(dá)500 ℃時(shí)，水泥石中的重要組成原料將產(chǎn)生分解反應(yīng)而脫水，水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，水泥石與骨料脫開并在混凝土中產(chǎn)生裂縫，其力學(xué)性能將明顯降低，彈模降幅可達(dá)60%；而火災(zāi)溫度達(dá)到700 ℃以上時(shí)，骨料受熱分解、膨脹，骨料與水泥石的變形不再協(xié)調(diào)，其黏結(jié)力喪失，抗拉壓性能大幅降低，材料的彈?；締适?。

鋼筋在高溫作用下的性能演變較混凝土簡(jiǎn)單，其抗拉壓強(qiáng)度隨火災(zāi)溫度升高而減小，其中HRB400鋼筋在200 ℃溫度作用下強(qiáng)度便開始下降，HPB300鋼筋強(qiáng)度亦將在300 ℃溫度作用下開始降低。與混凝土材料的性能演變過程相比，鋼筋性能具有可逆性，即冷卻后的強(qiáng)度、延性等可基本與火災(zāi)前保持相當(dāng)。

處于高應(yīng)力水平的預(yù)應(yīng)力粗鋼筋及鋼絞線等，其性能受火災(zāi)影響更為明顯，如預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛與蠕變等性能將明顯變差，且在300 ℃溫度下鋼絞線強(qiáng)度將下降到原來的70%左右。

由于混凝土材料的導(dǎo)熱性差，火災(zāi)的作用持續(xù)時(shí)間一般不長(zhǎng)，故除受火災(zāi)直接作用的混凝土面及淺層鋼筋性能演變較為劇烈外，后張預(yù)應(yīng)力束等受火災(zāi)的影響一般較小。

1.2 材料間黏結(jié)強(qiáng)度演變

火災(zāi)作用過程中和災(zāi)后的材料間的黏結(jié)強(qiáng)度均隨火災(zāi)溫度的上升而下降。由于帶肋鋼筋與混凝土間的嵌固力作用，相對(duì)而言，光圓鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度受火災(zāi)高溫影響更為顯著。即便如此，當(dāng)鋼筋混凝土溫度達(dá)到700 ℃以上時(shí)，帶肋鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度亦僅存40%以下。

2 橋梁結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷評(píng)估

為評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)在遭受火災(zāi)后的受損程度，需要針對(duì)火災(zāi)的影響范圍、火場(chǎng)溫度和橋梁結(jié)構(gòu)的損傷以及危險(xiǎn)程度等進(jìn)行鑒定，我國已經(jīng)出臺(tái)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[5]，可供橋梁火災(zāi)損傷評(píng)估參考。

2.1 火場(chǎng)溫度評(píng)估

在橋梁火災(zāi)中，其影響區(qū)域一般在著火點(diǎn)附近，可根據(jù)災(zāi)后的混凝土開裂狀況觀測(cè)、錘擊試驗(yàn)、混凝土變色程度及脫落等判斷火災(zāi)時(shí)的火場(chǎng)溫度。在舊橋的火災(zāi)損傷評(píng)估時(shí)仍應(yīng)注意區(qū)分橋梁結(jié)構(gòu)原有的裂紋等病害與火災(zāi)造成的病害，其具體做法是：對(duì)受災(zāi)橋梁的非火災(zāi)影響區(qū)域或相鄰跨的基本情況進(jìn)行調(diào)查，以推斷受災(zāi)區(qū)域的災(zāi)前狀態(tài)，再與災(zāi)后狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到區(qū)分結(jié)構(gòu)原有裂縫和火災(zāi)導(dǎo)致的裂縫。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估

在完成火場(chǎng)溫度評(píng)估后，基于該結(jié)果進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估，其主要評(píng)估內(nèi)容包括混凝土殘余強(qiáng)度、鋼筋與混凝土間的黏結(jié)以及預(yù)應(yīng)力束影響程度等[6～9]。

混凝土殘余強(qiáng)度評(píng)估常采用鉆芯取樣和回彈法進(jìn)行，其中回彈法操作較為簡(jiǎn)便且對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小，但其評(píng)估結(jié)果受諸多因素影響，離散性較大，需通過涂裝方式、碳化程度、火場(chǎng)溫度及受災(zāi)后冷卻方式等對(duì)回彈法結(jié)果進(jìn)行修正。

順筋裂縫分布情況是判斷鋼筋與混凝土的黏結(jié)狀態(tài)的簡(jiǎn)易方法，而具體判斷宜選取典型部位鑿除保護(hù)層進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)應(yīng)避免選取鋼筋生銹區(qū)域以減小結(jié)果誤差。由于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力束的混凝土保護(hù)層厚度較大，且混凝土傳熱能力差，預(yù)應(yīng)力束受到破壞的可能性較小，但仍應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力鋼絞線在高溫作用下的應(yīng)力松弛及錨固裝置受到火災(zāi)直接作用導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力失效。

對(duì)于普通鋼筋，由于其災(zāi)后各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均能基本恢復(fù)到災(zāi)前狀態(tài)，一般可不進(jìn)行損傷評(píng)估?；跒?zāi)情的初步判斷，如有必要需通過荷載試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能進(jìn)行評(píng)估。

3 橋梁火災(zāi)處治措施

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)橋梁，由于其自身不具可燃性，故而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的火災(zāi)可能為建設(shè)過程中的可燃性材料堆積引發(fā)火災(zāi)、運(yùn)營(yíng)過程中橋上或周圍通行車輛及貨物燃燒引發(fā)火災(zāi)等。在發(fā)現(xiàn)火災(zāi)險(xiǎn)情后，制定應(yīng)急處治措施時(shí)應(yīng)基于事發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及火災(zāi)特點(diǎn)，采取針對(duì)性的措施保證橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力的同時(shí)，力爭(zhēng)做到對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損壞程度降至最低。

3.1 橋梁火災(zāi)應(yīng)急措施

基于多座橋梁火災(zāi)事故調(diào)查結(jié)果分析，確定了以下橋梁火災(zāi)應(yīng)急措施，最大程度地保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)。

3.1.1 合理選擇滅火方式

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)橋梁遭受火災(zāi)時(shí)，采用的滅火方式不應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成其他形式的損傷，此外需對(duì)燃燒材料及環(huán)境因素進(jìn)行綜合考慮。

常用的滅火方式可分為降溫法、隔離法、窒息法以及化學(xué)方法等。降溫法通過將著火物的溫度降低到燃點(diǎn)以下達(dá)到滅火的效果。降溫法滅火的典型代表就是水滅火法，對(duì)于一般的混凝土結(jié)構(gòu)橋梁火災(zāi)，災(zāi)后混凝土自然降溫后其強(qiáng)度可達(dá)災(zāi)前的90%左右，而采用水滅火的混凝土強(qiáng)度僅為災(zāi)前的75%～80%，故用水滅火并非最優(yōu)滅火方式。窒息法滅火時(shí)采用砂石材料覆蓋火源，但由于砂石材料密度較大，可能對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受災(zāi)區(qū)域形成新的荷載，而此時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)削弱，該法存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。泡沫滅火將火源與空氣隔離達(dá)到滅火的目的，干粉滅火則采用化學(xué)方法阻燃，此二種方法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響最小，在火災(zāi)處治時(shí)宜優(yōu)先采用。

3.1.2 封閉交通

滅火過程中，橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到損傷，其強(qiáng)度和使用性能均相應(yīng)降低，此時(shí)應(yīng)盡快封閉交通，以確保車輛和橋梁結(jié)構(gòu)的安全。救援車輛的停放位置應(yīng)盡量選擇在火災(zāi)影響橋跨以外，并控制上橋的救援車輛數(shù)目。需在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估并采取修復(fù)措施后方可開放交通。

3.1.3 火場(chǎng)轉(zhuǎn)移

當(dāng)火災(zāi)由可移動(dòng)燃燒物引發(fā)時(shí)，應(yīng)盡可能牽引貨車離開橋梁區(qū)域或橋梁重要的受力構(gòu)件區(qū)域，如預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的錨具集中區(qū)域，跨中區(qū)域及連續(xù)T梁的負(fù)彎矩區(qū)域等。

3.2 災(zāi)后修復(fù)處治

受災(zāi)橋梁結(jié)構(gòu)的修復(fù)處治措施應(yīng)基于可靠的結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估，綜合考慮受災(zāi)構(gòu)件的受力特點(diǎn)、修復(fù)難度及可靠性，最終確定最為合理的修復(fù)處治方案。常用的處治方案主要有更換構(gòu)件、受災(zāi)部位粘貼碳纖維布或鋼板以及局部補(bǔ)強(qiáng)受災(zāi)區(qū)域混凝土等，對(duì)于條件允許的情況下還可增加永久支撐，減小結(jié)構(gòu)跨度。

對(duì)于火災(zāi)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、火場(chǎng)溫度高、構(gòu)件受災(zāi)嚴(yán)重難以通過修補(bǔ)方式達(dá)到使用性能的情況，宜采用更換構(gòu)件的方式，更換構(gòu)件時(shí)應(yīng)考慮拆除受災(zāi)構(gòu)件對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的影響，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行專門的計(jì)算分析確定。

對(duì)于橋梁火災(zāi)影響不大的構(gòu)件，可通過局部修復(fù)后粘貼碳纖維布或鋼板予以處治，對(duì)于景觀要求不高的橋梁，增大構(gòu)件局部尺寸提高承載能力的方案亦是有競(jìng)爭(zhēng)力的方案。此時(shí)應(yīng)保證受損混凝土完全清除后方可進(jìn)行上述修復(fù)措施，否則可能為今后的橋梁運(yùn)營(yíng)留下安全隱患。

4 案例分析

4.1 火災(zāi)事故概況

某高速公路特大橋主橋?yàn)樗乃A(yù)應(yīng)力混凝土箱梁雙索面斜拉橋，跨徑布置為165 m+3×380 m+165 m，橋面總寬28 m。在該橋引橋部分已全部完工，主橋4個(gè)索塔全部封頂，1個(gè)邊索塔完成邊跨合攏段施工，其余3個(gè)索塔最后的懸澆段澆筑完成，合攏段合攏暫未施工時(shí)，在其中一個(gè)中間索塔施工時(shí)發(fā)生火災(zāi)，事故導(dǎo)致該索塔一側(cè)斷落9根斜拉索，懸臂外端橋面下沉量最大值達(dá)2.192 m，主梁頂板、底板、腹板、橫隔板等部位出現(xiàn)不同程度裂縫，索塔縱向位移達(dá)8 cm，索塔間橫梁出現(xiàn)延伸裂紋，橋梁其他構(gòu)件未出現(xiàn)明顯損傷。

4.2 結(jié)構(gòu)災(zāi)后評(píng)估

事故發(fā)生后，專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)橋梁災(zāi)后損傷情況進(jìn)行了評(píng)估，其主要損傷如下：

測(cè)試分析表明受災(zāi)索塔布置的6R11 — X～6R23 — X斜拉索(共13根)不能滿足要求，拉索及配套錨固裝置需要進(jìn)行更換；受災(zāi)索塔大里程側(cè)主梁10#～15#節(jié)段頂板及該范圍的橫隔板和靠近拉索附近的腹板開裂嚴(yán)重，在滿足結(jié)構(gòu)壽命周期耐久性的前提下，主梁存在修復(fù)加固后繼續(xù)使用的條件；受災(zāi)索塔受火區(qū)的鋼錨梁、塔壁鋼板、塔壁鋼板厚的混凝土及混凝土內(nèi)的普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋等均可繼續(xù)使用；索塔索力過火區(qū)的鋼錨梁、錨固區(qū)鋼構(gòu)件過火溫度低于400 ℃，不影響鋼材的力學(xué)性能，仍能正常使用。

4.3 火災(zāi)處治方案

火災(zāi)撲滅后，采取了以下臨時(shí)應(yīng)急處治措施：

1)在大里程側(cè)相鄰索塔懸臂端設(shè)置2輛25 t汽車吊，每輛起吊力15 t，吊點(diǎn)在事故索塔大里程懸臂端左側(cè)；借助剛性連接預(yù)埋件，采用直徑22 mm鋼絲繩將大里程側(cè)索塔小里程懸臂端與事故索塔大里程懸臂端進(jìn)行張緊連接，增加一道柔性支撐。

2)實(shí)施事故索塔左側(cè)(下游側(cè))的2束臨時(shí)索交替穿索張拉工作，R22 — X臨時(shí)索鋼絞線張拉至45束，R18 — X臨時(shí)索鋼絞線張拉至40束，單根鋼絞線張拉力12 t，緩解相鄰的R23 — X索壓力，確保整體結(jié)構(gòu)安全。

3)其他梁端按順序依次進(jìn)行R15 — X、R20 — X、R13 — X、R19 — X、R16 — X、R21 — X、R17 — X、臨時(shí)索穿索張拉，每根臨時(shí)索穿設(shè)鋼絞線20束，單根鋼絞線張拉力15 t控制，每根臨時(shí)索分2次交替張拉操作。

4)監(jiān)控單位及時(shí)根據(jù)標(biāo)高現(xiàn)行恢復(fù)情況核對(duì)臨時(shí)索張拉效果，報(bào)專家組審查。

5)施工、監(jiān)控單位對(duì)塔頂、主梁位移進(jìn)行24 h不間斷觀測(cè)，每半小時(shí)提供數(shù)據(jù)上報(bào)指揮部，并對(duì)梁、塔關(guān)鍵部位進(jìn)行損傷情況檢查和監(jiān)測(cè)。

6)加強(qiáng)搶險(xiǎn)安全管理工作，對(duì)裂紋進(jìn)行有效保護(hù)，防止水和灰塵的侵入。

在采取相應(yīng)的應(yīng)急措施后，橋梁結(jié)構(gòu)基本損傷基本得到控制，再基于橋梁結(jié)構(gòu)的災(zāi)后評(píng)估報(bào)告，制定了一系列的斜拉索、索塔、主梁修復(fù)和替換處治方案。

5 結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)作為道路的重要咽喉區(qū)構(gòu)造物，橋梁火災(zāi)的滅火措施以及災(zāi)后處治均應(yīng)以保證結(jié)構(gòu)安全為核心展開。滅火過程中采用的應(yīng)急措施不應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成二次損傷，災(zāi)后應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的損傷評(píng)估，并從方案的可行性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)影響等各方面對(duì)處治方案進(jìn)行比選，綜合確定最優(yōu)的處治方案。本文案例橋梁在遭受火災(zāi)后，災(zāi)情得到有效控制，災(zāi)后處治措施有序進(jìn)行，大橋完工開通在即。

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