预应力箱梁火灾作用后的性能评估及修复策略研究

2021-04-15

工程技术研究 2021年5期

中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100000

随着我国桥梁数量的增多，火灾引起的桥梁损伤越来越多，火灾会使桥梁结构发生损伤。对于预应力箱梁桥而言，火灾会使桥梁内部预应力钢筋、普通钢筋以及混凝土特性发生劣化，导致桥梁承载能力下降，甚至影响正常使用，因此在桥梁发生火灾后，必须对其性能进行评估及制订相关的修复措施。

在以往相关研究中，Kodur等[1]通过建立结构模型，研究得出火灾后桥梁的剩余承载能力与火灾最高温度相关。Gong[2]利用ABAQUS软件对正交异性钢梁桥受火灾和竖向荷载共同作用下的性能进行了分析研究。王成明等[3]对预应力混凝土空心板梁在火灾中的性能特点进行了试验研究。刘世忠等[4]、蔡正东等[5]、刘华等[6]对火灾下箱梁的损伤评估与加固措施进行了研究。张岗等[7]以预应力混凝土（PC）箱梁为研究对象，对不同高温爆裂指标下的预应力混凝土箱梁极限承载能力进行了计算。张赞鹏等[8]通过建立Midas Civil模型，对某火灾后预应力混凝土简支梁桥损伤程度及剩余承载能力进行了研究。王凯等[9]通过对某火灾后桥梁的检测评估结果进行分析，提出了采用粘贴钢板法进行桥梁加固的措施。

综上所述，以往的研究多集中在桥梁某一构件火损后的性能研究，相关修复措施较为单一，关于影响预应力箱梁桥防火性能的因素分析较少，且缺乏系统的性能评估及修复策略。文章基于某实际工程在火灾发生后结构性能变化，分析了影响预应力箱梁桥防火性能的主要因素，分别从混凝土、预应力筋以及钢筋三种材料性能分析了桥梁火灾后性能评估及修复策略，以期为类似工程提供参考。

1 工程背景

某为双幅分离式特大桥，双向四车道。桥孔布置为左幅26×30m+(35+60+35)m+10×30m+(36+36)m+6×30m，右幅26×30m+(35+60+35)m+9×30m+(36+36)m+7×30m，桥长 1469m。全桥分为12联，跨长港采用(35+60+35)m悬浇预应力混凝土连续箱梁，跨新港采用(30+36+36+30)m装配式预应力混凝土连续小箱梁，其余采用30m装配式预应力混凝土连续箱梁，先简支后连续体系。下部构造：0号台采用桩柱式桥台；47号台采用肋板式桥台、桩基础；主墩采用矩形截面双柱墩；主桥和引桥间的过渡墩及引桥桥墩为柱式墩配桩基础。

该特大桥左右幅第一联第一孔桥下违规堆积稻草，受不明原因引燃并引发火灾，火灾持续45min后被消防人员扑灭。火灾现场照片见图1。

图1 火灾现场照

根据该桥T梁受火后损伤情况，并参考《火灾后建筑结构鉴定标准》（CECS 252：2009）及《火灾后混凝土构件评定标准》（DBJ08-219-96）分级标准，将上构受火区域分为A、B、C这3个区域，其中A区域小箱梁混凝土表面呈浅黄色并大面积脱落，存在箍筋外露现象，锤击该区域小箱梁混凝土的声音发哑，锤击后伴有混凝土脱落现象；B区域混凝土表面呈浅灰略带浅红，表面有少量混凝土脱皮现象，锤击声音较闷，锤击后有轻微痕迹；C区域表面轻微被熏黑，基本未见混凝土剥落、露筋等病害，锤击声音响亮。A区域及C区域损坏现场见图2。

图2 受火区现场图

2 影响预应力箱梁桥防火性能的因素

2.1 桥梁的几何特征

在火灾条件下，桥梁的几何形状和尺寸对构件的结构性能有重要影响。如在火灾作用下，构件的剪跨比或侧向约束等因素会对梁的局部屈曲或扭转屈曲产生显著影响，此外混凝土保护层厚度对钢筋混凝土构件的结构性能有直接影响。

2.2 建筑材料

桥梁在火灾作用下的性能高度依赖于构件组成材料的物理性能和机械性能，例如钢材的导热系数比混凝土高出50倍。此外，所有材料在高温下都会产生强度和弹性模量特性的损失，这些特性的损失速率也因材料不同而有所区别，混凝土的强度和刚度特性随温度的损失要比钢材慢得多，普通强度混凝土的强度和刚度在超过400℃时才开始下降，而钢材的机械性能在250℃左右就开始有明显下降。

2.3 装载和支撑条件

荷载的类型、强度以及支撑条件都会影响构件的在火灾作用后的结构性能。结构在静载和较低荷载下的耐火性能比在动态、高荷载作用下要好。高负荷水平使构件承受额外的压力，因此构件在火灾下的储备能力更小。此外，由于火灾造成的试件收缩率的发展可以抵消由荷载产生的弯矩，约束支撑条件可以显著影响受弯构件的耐火性能。对于固定端混凝土柱而言，约束支撑条件的存在会产生附加力，导致混凝土保护层过早剥落、破坏，最终提高了构件火灾易损性。

2.4 火灾强度

火灾强度和持续时间对构件的性能也有重要的影响，这主要取决于火灾发生时对应的燃料类型、数量以及通风特性等。桥梁是相对开放的结构，有无限的氧气供应，缺乏主动和被动的防火措施。此外，如果构件中存在高度易燃的烃类材料，可能会加速火灾的发展速率，加速桥梁结构在火灾作用下的破坏。

3 预应力箱梁火灾后性能评估及修复策略

3.1 混凝土的评估及养护

根据以上分析，预应力箱梁火灾后性能修复可以参考关于钢筋混凝土结构相关的出版文献及标准手册，作为预应力箱梁火灾后评估和维修策略。预应力混凝土箱梁的火灾损伤可以通过目测和材料测试来进行评估。这个评估通常包括两个方面：（1）采用无损伤法进行混凝土剩余强度的评估；（2）桥梁受火灾影响最严重区域的历史最高温度评估，这对于评估钢筋的残余强度以及确定一些关键的化学、物理变化具有重要意义。

外观检测包括记录混凝土剥落、混凝土保护层脱落、混凝土外观及开裂。其中PCI标准手册提供了一种通过对比火灾发生前后混凝土颜色变化来判断混凝土可能达到的历史最高温度的方法，见表1。

表1 暴露于火灾中混凝土颜色和温度之间的相关性单位：℃

此外，由于视觉评估具有主观因素影响，一些研究者提出了基于光学显微镜与彩色图像分析相结合以及数码相机比色法等替代方法，并提出了暴露在火灾下不同时间间隔的混凝土桥梁下翼缘颜色变化：白色、灰白色、白灰色和乌黑色。根据混凝土损伤程度，白色对应火灾最严重的区域，乌黑色对应热量最低的区域。这些都是表观的颜色变化，与表1中提到的构件截面混凝土的内部颜色变化有所不同。

裂缝也是混凝土温度效应的重要指标。混凝土梁在受拉区域的横向裂缝可能导致强度和刚度降低，裂缝是取决于混凝土的温度及抗压强度的两个独立变量，相关研究表明开裂强度将随着温度的升高而线性增加。开裂的起始点和严重程度取决于混凝土的抗压强度。暴露在火灾下更严重的物理问题是发生混凝土剥落，混凝土剥落会使钢筋直接暴露于大火中，使其更容易遭受重大的强度损失。此外，由于剥落造成的混凝土覆盖层的损失可能使钢筋发生腐蚀，一共有以下三种类型的剥落：局部剥落，即小块从混凝土上剥落；中间部分从混凝土上剥落；剧烈剥落，即大块混凝土从混凝土梁上剥落。剧烈剥落是高强度混凝土中最常见的现象，主要是由于混凝土的低渗透性和低孔隙率造成的。

通过采集混凝土样品的核心区域进行岩相检验和压缩试验。岩相检验分析主要涉及混凝土在高温下的损伤和性能变化，即微裂缝深度、黏结改变（颜色变化和强度软化）和碳化以及试件内部核心区域的微裂缝。混凝土在加热阶段常见的外观变化见表2。

表2 混凝土暴露于火灾时的物理（外观）变化单位：℃

通过以上评估，可以制订中度损坏构件或严重损坏构件的修复策略。混凝土修复的相关规范主要介绍了混凝土桥梁上部结构的修复技术，包括桥墩盖、梁、甲板、路缘、人行道和轨道等，其给出了损伤评估、修复方法选择和表面处理的相关建议。然而这些修复方法需要专门用于火灾损坏的情况，因为火灾损坏与其他类型有很大的不同，建议将火灾发生后的混凝土外层去掉，同时在外层涂抹足够的砂浆和防护材料对表面加强养护，同时在养护之前需要通过注入环氧树脂对内部裂缝进行修复，从而有效地促进裂缝闭合。

3.2 预应力筋及钢筋评估及养护

在火灾损坏的预应力混凝土桥梁中，由于高温影响，混凝土、预应力钢绞线和低碳钢可能会出现强度和刚度损失，这些材料的剩余强度特性被定义为加热后冷却回室温后试的应力试样，其初始温度可达到150～250℃，此后，抗拉强度显著下降。通过对高温下直径为15.2mm的钢绞线应力状况进行研究表明，钢绞线失效与温度提升速率和冷却速率无关，且其抗拉强度在93℃时急剧下降，并在760℃时继续下降，直至达到5%的残余抗拉强度。当温度降低后，预应力筋的弹性模量与温度无关，随着温度的升高，弹性模量略有增加，但在接近试验结束时，弹性模量又有所恢复。

此外，还需要对火灾发生后预应力筋的性能状况进行合理评估。上述讨论提出了一些关于高温下钢绞线残余强度的问题，因此必须对火灾中钢绞线达到的温度进行评估，包裹在钢绞线周围的混凝土可以反映钢绞线所承受温度的一些特征。尽管钢绞线周围的混凝土温度很高，但在高温区域内的钢绞线抗拉强度变化并不明显，钢绞线能够将热量从受热区传导到温度较低的混凝土上，从而防止屈服应力的大幅度降低。这里提供了两种考虑火灾条件下预应力混凝土桥梁的修复策略。

（1）对火灾预应力箱梁进行包装处理。在损坏的梁周围设置永久性的约束，以防止混凝土梁的进一步劣化和腐蚀。例如，在构件上采用环氧灌浆的钢模板，并在其表面喷射混凝土，这种方法的缺点是增加了构件自重。

（2）水喷、预压、预应力、后浇处理。这种方法包括适当地去除损坏的混凝土并用新混凝土来代替，在浇筑新混凝土之前，要在桥上施加垂直荷载。当预压荷载被移除时，重新浇筑混凝土或者采用通过施加预应力的方式能达到同样的效果。