某鋼筋混凝土橋梁火災后結構受損鑒定及加固研究

◎ 湖南創高建設有限公司 余異德

一、引 言

隨著火災發生的頻率越來越高，作為當今應用最為廣泛的建筑結構材料——鋼筋混凝土在受到火災作用時,由于鋼筋和混凝土物理和化學性質隨溫度的升高發生了一系列復雜變化導致材料的力學性能隨之產生較大的改變。火災對于整個結構,將引起結構的變形增大和承載力降低,嚴重時甚至有可能導致結構失效發生倒塌。由于結構的損傷受火災影響范圍、受火溫度、持續時間及冷卻方式等許多不定因素影響，定量地得到由火災引起結構性能的降低程度是十分困難的，然而我們可以通過對火災后結構構件剩余強度進行鑒定和檢測，獲得火災后結構的剩余承載能力，重新評估結構是否需要修復加固重新投入使用，抑或拆除重建提供有效的依據。

二、橋梁受火損傷鑒定方法

目前我國許多城市橋梁的橋下空間被利用起來作為民用或商業用房，導致近年來各地經常出現許多橋梁發生火災，導致橋梁受到一定程度的損傷，必須對遭受火災的橋梁受損程度進行科學而準確的鑒定，給出相應的維修加固措施，使橋梁能夠恢復到正常使用要求。我國《火災后混凝土構件評定標準》（DBJ08-219-96）和《火災后建筑結構鑒定標準》（CECS252:2009）建議對火災后建筑結構的剩余性能進行以下三個方面的檢測鑒定：

（1）結構外觀檢查

現場勘察對火災影響范圍內的混凝土顏色改變、表面裂縫、保護層脫落、鋼筋外露等情況，并采用全站儀對結構的變形程度（如撓度，裂縫等）進行測量，初步估計火場燃燒溫度。

（2）材料強度鑒定

在火災影響的區域，采用以下兩種方法對結構中具有典型代表的構件進行混凝土材料與鋼筋進行隨機抽樣檢測鑒定：

①鉆芯法檢測

鉆芯法是現行混凝土強度檢測方法中較為精確的方法，能真實反應實際結構的材料強度，其檢測結果作為校核其他檢測方法結果的基準；但對結構具有一定的破壞作用，因此利用鉆芯法檢測時，鉆芯位置應選在對結構影響較小的位置，避免對結構產生破壞。鉆芯法是現場鉆取標準芯樣（直徑100mm或150mm，高徑比為1.0）然后在萬能試驗機上進行混凝土強度實驗；對于鋼筋則應在受火區域構件中截取不小于20cm長度，然后在材料試驗機上進行屈服強度、極限強度以及延伸率等試驗。

②回彈法檢測

混凝土在受到火災高溫影響后由于火災中溫度場的傳導不均勻，導致混凝土內外達到的溫度不一致，從而使得材料的疏松程度不同其表層會出現裂縫和疏松現象，使得回彈值出現偏高現象，此時應對其進行修正得到火災后混凝土真實的抗壓強度。

(3)承載能力檢測

火災后的結構承載能力檢測應該按照《公路舊橋承載能力鑒定方法》的要求，對災后橋梁重新進行動、靜荷載試驗以確定其剩余的承載能力。該方法主要是通過模擬真實的車載運行情況對橋梁實施動載和靜載試驗，并采用動態和靜態應變儀對橋梁中受損嚴重的的跨孔與鄰近跨孔跨中最大正彎矩以及支座最大負彎矩截面的應力分布進行檢測，同時測量跨中撓度大小，以此判斷該結構的剩余承載能力和剛度火災后是否繼續滿足橋梁原設計要求，若存在較大的衰減，必須對結構進行相應的加固維修以滿足后期結構繼續使用的安全。

三、某橋火災后損傷檢測加固分析

某橋分南、北半幅兩座獨立的橋，全長約400m，橋梁基礎為人工挖孔灌注樁基礎，橋身結構為預應力混凝土箱梁。南半幅箱梁東向第3跨孔由于橋下建筑發生火災導致該跨孔箱梁底板燒損最為嚴重，橋梁底板混凝土發生脫落、酥松和鋼筋外露等現象。在對該結構進行了火災后的現場檢測鑒定，如下所示。

(1) 結構外觀檢查

圖1 混凝土表面附著黑色物質

圖2 混凝土底板裂縫與露筋

由于火災發生在第3個跨孔位置，火災后，橋梁底板遭受大火熏燒，混凝土表面附著大量黑色物質，并在底板上出現了3條短白色物質，如圖1所示。在橋梁第3跨孔3/8～3/4跨度區域由于火燒嚴重，混凝土表面出現明顯的龜裂裂縫，并有大量露筋現象。（如圖1、圖2）

火災帶來的高溫對混凝土材料的化學與物理性能產生了一系列復雜的變化，結構外觀檢查結果在一定程度上可以反映出火災后的混凝土材料破壞特征和形態。

(2)材料強度鑒定

（a）鉆芯法強度檢測

對于連續梁結構一般在各跨的1/4跨處(即反彎點)的彎矩最小。通常在這個位置鉆孔取樣對原有結構損傷最小，并且能夠避開橋梁中密集的鋼筋，對結構承載能力影響最小。檢測的結果如下表1所示。

表1檢測的結果表明，混凝土結構遭受火災影響后，混凝土表層由于燒結作用導致硬化，導致混凝土抗壓強度出現增大現象。

（b）回彈法強度檢測

考慮到鉆芯法是一種有損檢測方法，一定程度上對已受損的結構存在進一步加劇結構的損傷，而回彈法具有對結構無損傷的優勢，因此，為了全面評定火災后橋梁混凝土的強度，通過結構外觀檢查一般可以將火災對混凝土箱梁的破壞情況分為嚴重、一般和輕微受損三種情況，分別對這三種情況以及未受損區域的混凝土進行回彈法強度檢測。箱梁底板具體測區分布如圖3所示，圖中編號（×-×）第一個數據為回彈法檢測斷面的位置編號，從左至右為1～6個位置，第二個數據為回彈法檢測測區編號，從上至下為1～5個區域。（如圖3）

各測區的回彈測試數據如下表2所示：

根據表2中回彈法強度檢測的數據可知，在橋跨跨中位置測區1的混凝土強度最大，而實際上該區域使遭受火災影響最為嚴重的位置。

通過比較鉆芯法與回彈法的檢測結果發現，對于火災影響區域的混凝土強度明顯增大，與實際存在一定區別，分析其原因為：火災的高溫使混凝土表層發生燒結硬化，在實際強度推算中應將此影響進行消除得到真實的剩余強度。

(3) 橋梁剩余承載力檢測

對橋梁各跨孔進行靜載試驗，結果如表3所示。

表中最大應力為現場實測應變轉換得到的應力，理論值為鋼筋容許應力185MPa。

對遭受火災影響最為嚴重的第3橋跨進行動載試驗，橋梁的振動頻率為4.638Hz，根據設計資料該橋梁的第一階振動頻率為5.814Hz。實測值小于理論設計值，表示該橋梁在經受火災影響后的整體剛度比設計要求的整體剛度有所降低。

通過對該橋結構外觀檢查、材料強度檢測和靜、動荷載試驗檢測數據的進行分析，得到以下鑒定結果和加固建議：

（1）受火災影響最為嚴重的橋梁第3跨孔的承載能力下降程度非常大，已無法滿足橋梁原設計使用要求，必須對燒損部位進行清理后采用粘鋼法或底部貼碳纖維法進行加固；

（2）火災影響的橋梁第2跨孔剩余承載能力基本可以滿足橋梁的設計使用要求，對底板部分清理并填補出現的裂縫等；

（3）火災后橋梁的實測頻率小于理論計算值，整體剛度已不能滿足設計要求，應對其進行修復加固。

四、結論

本文從結構外觀檢查、材料強度檢測和靜、動荷載試驗三個方面系統地對遭受火災后的橋梁的受損情況進行了檢測鑒定，得到以下的結論：

（1）遭受火災的橋梁，應嚴格按照火災后鋼筋混凝土結構鑒定標準進行鑒定，首先通過結構外觀檢查確定火災的影響范圍和混凝土的破壞特征，然后對火災影響范圍的混凝土采用鉆芯法和回彈法得到其剩余強度，并截取部分鋼筋進行抗拉強度試驗獲得火災后鋼筋的剩余力學性能，為后期靜、動載試驗提供參考依據。

表1 混凝土芯樣抗壓強度表

圖3 回彈法混凝土強度檢測測區布置

（2）根據結構外觀檢查和材料強度檢測結果，對受損較為嚴重的構件進行靜、動載試驗得到結構的真實承載能力，并作為火災后橋梁受損程度判別的主要依據，為后期加固施工提供指導。

表2 各測區實測回彈混凝土強度（MPa）

表3 預應力混凝土箱梁靜荷載試驗實測結果統計表