某PC梁橋火災后損傷評估及加固設計

馮明揚，劉世忠，黃俊豪，劉欣益，杜立山

(蘭州交通大學 道路橋梁與地下工程甘肅省重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

某PC梁橋火災后損傷評估及加固設計

馮明揚，劉世忠，黃俊豪，劉欣益，杜立山

(蘭州交通大學 道路橋梁與地下工程甘肅省重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

為了對遭受火災的某PC梁橋進行損傷評估，利用超聲波檢測技術、模態試驗方法對受火橋跨混凝土火損的波及范圍、深度等進行現場檢測。利用ANSYS建立受火跨橋梁二維、三維有限元模型模擬實際受火箱梁截面溫度場。結果表明有限元仿真識別的混凝土損傷范圍、深度與現場檢測結果吻合良好。在此基礎上提出對受火箱梁采用粘貼鋼板和增設預應力碳纖維板等加固修復措施，加固效果為現場靜、動力試驗和模態實測數據所驗證。本文所提出的方法及工程實例可供工程技術人員借鑒。

火災 PC梁橋 損傷評估 維修加固

近年來，由于自然或人為因素所引發的各種火災事故多發，橋梁火災已成為影響在役橋梁性能的災害之一。由于實際火災升溫曲線的不確定性，橋梁受火空間的變異性，材料熱工性能的多變和離散以及材料高溫—力學本構關系尚不完善，加之現有規范無法指導PC梁橋抗火設計，現有橋梁檢測技術對災后預應力橋梁的承載力評估準確性較低，給工程技術人員處理火災事故造成困難。基于此本文提出采用將實橋火災采樣數據與有限元仿真模擬相結合的方法來對災后橋梁進行損傷評估，并將評估結果用于指導受火橋梁的加固設計，該方法具有一定的工程實用價值。

某五跨(40+3×60+40)m預應力混凝土連續梁橋，雙幅設置，主梁采用等高度單箱單室斜腹板箱梁。由于人為縱火，導致邊跨橋梁距離橋臺5～12 m范圍受火，火災持續時間約為150 min。火災導致左幅橋箱梁底板、腹板及一側翼緣板嚴重燒損，其中橋底煙熏面積為197.83 m2，底板混凝土剝落面積為36.44 m2，最大混凝土剝落深度為9.0 cm，底板無露筋。腹板、翼緣混凝土剝落面積為64.75 m2，露筋面積為21.57 m2。右側翼緣混凝土最大剝落深度為9.7 cm，且有少量橫向預應力束波紋管外露。火損情況如圖1所示。

1 火災影響區域調查與確定

1.1 外觀損傷檢測

《CECS 252:2009:火災后建筑結構鑒定標準》(以下簡稱《標準》)指出，對于暴露于火焰高溫煙氣的結構構件應全數檢查燒灼部位。表觀檢測主要采用外觀目測、錘擊回聲、探針、開孔探槽等手段對受火構件損傷程度做出詳細記錄，并依據《標準》附錄B-1推測其受火時溫度。現場根據火災作用時間、火場殘留物對箱梁火損程度進行區域劃分［1］。

圖1 火災后箱梁底板受損

參考原設計圖紙中構造鋼筋和預應力管道位置，初步判定底板混凝土剝落區剝落深度為2～9 cm，翼緣板混凝土剝落區剝落深度為2～10 cm，腹板混凝土剝落深度為2～6 cm。橋臺處支座被嚴重燒毀，橋墩支座無明顯變形。由文獻［2］當混凝土所受溫度大于800℃時，材料物理性能大幅度下降，混凝土和鋼筋黏結力下降，混凝土已喪失抗壓強度;在300～800℃區段，混凝土只有常溫下抗壓強度的0.6倍，300℃以下受火后抗壓強度與常溫下抗壓強度相同。初步判斷嚴重剝落區構造鋼筋深度燃燒溫度已接近700℃。

1.2 基于超聲波的結構表觀特征推定

在分布不均勻的火災高溫場作用下，混凝土內部疏松，出現裂紋，強度分布不均勻，超聲波在混凝土中傳播遇到裂紋后散射，從而聲速發生變化。利用超聲波在火損混凝土與完好混凝土之間傳播時的聲速差異，可對火損截面進行損傷評定［3］。

根據外觀檢測結果，利用NM-4A非金屬超聲檢測分析儀分別對底板、腹板及翼緣板火損區域進行超聲波無損檢測，底板選取5個測區，每個測區布置9×3個測點，兩邊對測。腹板選取5個測區，每個測區布置5×9個測點，單邊平測。頂板選取2個測區，每個測區布置10×9個測點，單邊平測。超聲波測試結果經線性回歸計算所得混凝土剝落深度見圖2(a)，陰影部分為預應力管道外露部位，見圖2(b)。

圖2 火損嚴重區域混凝土剝落深度(單位:mm)

1.3 模態數據分析

采用DHDAS動態信號分析系統對受火跨橋梁自振特性進行測試，得到了受火跨橋梁自然激勵下自振頻率和阻尼比;利用ANSYS建立火災前該跨橋梁的有限元模型，采用子空間迭代法計算并提取出前3階自振頻率，與現場實測數據對比如表1。

表1 模態分析對比結果

由表1可知火災后實測前3階自振頻率較受火前分別下降 12.79%，9.17%和 12.87%，平均下降11.61%;阻尼比為1.40% ～3.63%，處在正常范圍之內。可見火災后橋梁的整體剛度降低，使得箱梁的承載能力減弱。

2 火災下結構溫度場有限元分析

為分析受火箱梁內復雜幾何區域的溫度場，借助ANSYS分別采用PLANE55和SOLID70熱分析單元建立受火跨箱梁二維和三維有限元分析模型，對箱梁受火過程進行數值模擬［4-6］。火場采用 ISO-834標準升溫曲線模擬，溫度荷載按照火損嚴重區域損傷調查結果以對流形式施加，初始溫度取為25℃。

溫度場模擬結果顯示各節點溫度增長梯度隨著混凝土深度的增加逐漸變緩，最后趨于0。火災作用50 min后箱梁底板最高溫度為904℃，溫度傳遞深度達12 cm，800℃等溫線深度達3 cm，300℃等溫線深度達12 cm。腹板最高溫度為513℃，溫度傳遞深度達10 cm，300℃等溫線深度達8 cm。翼緣板最高溫度為708℃，溫度傳遞深度為14 cm，300℃等溫線深度達11 cm，二維、三維溫度場模擬結果有相似規律。

為驗證溫度場模擬的正確性，選取距離橋臺端4.00，7.00，8.75，10.00和13.70 m 5個關鍵截面，每個截面對應底板、腹板和翼緣位置分別選取一個區域，依據現場表觀檢測結果對實際受火橋梁受火損傷程度進行統計、評定等級，并推定實際溫度場下的溫度值，并將該溫度值與數值模擬溫度場下溫度值相比較，見圖3。由圖3可見數值模擬得出的溫度場分布與現場調查后按照《標準》推定的溫度場大致吻合，火損評估結果得到了有限元模型的驗證，箱梁二維和三維有限元數值模擬結果一致，從而驗證了有限元數值模擬溫度場的可行性、正確性。

圖3 依據火損情況推定溫度值與數值模擬溫度值對比

3 加固設計與結果驗證

3.1 加固設計

根據火損檢測結果及火災下結構溫度場有限元分析結果，對該橋進行有針對性的修復加固設計。具體方案為對底板、腹板及翼緣板采用火損基面打磨、鋼筋調直與置換、砂漿修復、注漿、粘貼鋼板和增設預應力碳纖維板等加固修復措施［7-8］。

增設預應力碳纖維板的施工流程為:基層打磨→探明原有預應力筋位置→安裝預制錨栓→涂抹膠粘劑→安裝碳纖維板→安裝端部錨板→安裝預應力夾具單元和張拉單元→張拉預應力→拆除夾具單元和張拉單元→碳纖維板防護。縱向預應力碳纖維板截面尺寸為100 mm×1.4 mm(寬×厚)，抗拉強度fpk為2 800 MPa，彈性模量E為1.65×105MPa，錨下控制應力為0.55fpk。

3.2 加固后靜動載試驗結果

加固完成后對受火跨橋梁進行了靜、動荷載試驗，靜、動荷載試驗所得位移和應力校驗系數均符合規范要求。為對加固前后的模態試驗進行對比分析，采用DHDAS動態信號分析系統對加固后橋梁自振特性進行實測如表2。

表2 加固后模態試驗數據

由表2可知采用預應力碳纖維板加固后實測前三階自振頻率較理論值分別增長 11.8%，10.7%和8.9%，平均增長10.47%;阻尼比為1.96% ～3.82%，處于正常范圍內。表明加固后箱梁剛度得到有效提升，箱梁承載能力顯著增強且略高于受火前，說明加固效果明顯。

4 結論

本文根據受火橋梁表觀檢測結果、超聲波損傷探測結果和脈動法自振特性測試結果，同時利用ANSYS對一定火災延時內受火箱梁截面溫度場進行有限元仿真來完成受火橋梁損傷評估。結果表明超聲波無損檢測與脈動試驗檢測結果真實地反映了火災對混凝土箱梁結構的損傷，仿真模擬得到的溫度分布與混凝土剝落區域劃分和超生波損傷探測結果相互佐證，吻合良好。修復加固后的靜、動載試驗結果顯示橋梁剛度增大，承載力得以恢復，證明所提出的修復加固措施切實可行，有效節約了受火災橋梁拆除重建的資金。本文提出的方法及加固實例，可為火災后PC梁橋損傷評估和災后維修加固設計提供借鑒。

［1］張宏，邵永軍.火災后混凝土橋梁損傷評估方法與應用［J］.四川建筑科學研究，2011，37(3):95-100.

［2］過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［3］閻繼紅，胡云昌，林志伸.回彈法和超聲回彈綜合法判定高溫后混凝土抗壓強度的試驗研究［J］.工業建筑，2011，31 (12):45-47.

［4］時旭東，過鎮海.鋼筋混凝土結構的溫度場［J］.工程力學，1996，13(1):35-43.

［5］張崗，王翠娟.火荷載下混凝土箱梁溫度場分布與變形分析［J］.鐵道建筑，2011(7):32-35.

［6］房帥平.預應力混凝土箱梁橋抗火性能研究［D］.西安:長安大學，2011.

［7］徐文平，鐘華，張宇峰，等.粘鋼—體外預應力綜合加固T梁的結構特性研究［J］.世界橋梁，2011(2):69-72.

［8］張榮利.廣東省某高速公路東莞北特大橋維修與加固［J］.世界橋梁，2013，41(1):71-75.

(責任審編 趙其文)

U445.7+5

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.08

2015-05-09;

:2015-08-03

馮明揚(1990— )，男，碩士研究生。

1003-1995(2015)11-0027-03