基于火災后靜載試驗結(jié)果修正預應力連續(xù)箱梁有限元模型及其承載能力評價

■林建凡

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州　350004）

基于火災后靜載試驗結(jié)果修正預應力連續(xù)箱梁有限元模型及其承載能力評價

■林建凡1，2

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州350004）

通過某橋梁火災后的專項檢查和靜載試驗結(jié)果，指導有限元模型修正，使修正后的有限元模型盡可能模擬現(xiàn)場火災后的實際受損情況，并在修正有限元模型上進行基于原設計標準火災前后橋梁抗彎承載能力分析比較，鑒定火災對橋梁結(jié)構受力性能的影響程度，為加固設計提供依據(jù)。

橋梁火災靜載試驗修正有限元模型承載能力

1　橋梁概況

某大橋位于國道G324線，橋梁總長608.66m，橋?qū)捊M合為：1.50m（人行道）+12.00m（車行道）+1.50m（人行道），設計荷載為汽車-20級，掛車-100級，人群3.50kN/m2。該橋上部結(jié)構采用40m等跨、等截面預應力混凝土連續(xù)箱型梁，箱梁為單箱單室結(jié)構，頂板寬14.0m，底板寬6.0m，箱梁高2.50m，跨中截面底板厚度為0.22m。上部結(jié)構采用強度等級為40#混凝土，預應力鋼束采用12Φ15mm和4Φ15mm兩種規(guī)格高強鋼絞線，縱向普通鋼筋主筋為HRB335熱軋帶肋鋼筋。橋墩采用鋼筋混凝土雙柱式墩身直接對接鉆孔樁基礎，墩柱、樁身直徑均為1.5m。橋臺采用混凝土耳墻式，鉆孔樁基礎。該橋由于橋下堆積的廢舊塑料制品起火燃燒，大火持續(xù)燃燒約2個小時左右后被撲滅。

2　橋梁火災受損情況

火災后，立即對橋梁的受損情況進行詳細檢查發(fā)現(xiàn)：

（1）墩柱墩身受火災影響，混凝土沿環(huán)向發(fā)生剝落，露筋，混凝土受損深度最大達78.42mm，混凝土表面呈土黃色、局部呈灰白色，裸露的混凝土呈顆粒狀；同時用錘子敲擊完好區(qū)域有空鼓沉悶聲，推斷內(nèi)部混凝土已經(jīng)出現(xiàn)分層。

（2）蓋梁底部被大火烘烤，混凝土保護層剝落，底部混凝土分層，敲擊聲音較沉悶且部分混凝土脫落，深度達20.20mm。

（3）支座（盆式固定）鋼板防銹油漆表面被熏黑，且有脫皮現(xiàn)象。

（4）箱梁梁底過火位置混凝土剝落，混凝土表面網(wǎng)狀龜裂，其中1處大面積露筋，面積S=3.50×8.50m2，出露縱向主筋、橫向鋼筋，混凝土受損最大深度45.00mm；其它位置梁底混凝土保護層剝落，梁底混凝土表面呈淺灰色，角部出現(xiàn)裂縫，錘擊聲音較沉悶，且混凝土表面留下錘擊痕跡。

（5）參考上海市地方標準《火災后混凝土構件評定標準》（DBJ08-219-96）對火災后混凝土回彈強度進行修正，檢測結(jié)果表明箱梁第12跨直接受火區(qū)域腹板砼強度由原設計40#砼降低至接近于C30砼強度。

（6）根據(jù)外觀檢測結(jié)果，參照《火災后建筑結(jié)構鑒定標準》（CECTS252-2009）對該橋受火災影響的梁體和墩柱進行初步鑒定評級。結(jié)果表明箱梁第12跨梁體、墩柱、蓋梁均評定為III級（III級：中度灼傷尚未破壞，顯著影響結(jié)構材料或結(jié)構性能，明顯變形或開裂，對結(jié)構安全性或正常使用產(chǎn)生不利影響，應采取加固或局部更換措施）。

3　火災后靜載試驗和修正有限元模型建立

3.1試驗目的

本次靜載試驗基于原設計標準：汽車－20、掛車－100級。由于該橋火災后結(jié)構中度灼傷，試驗采用分級加載，并盡量使用輕荷載試驗。修正有限元模型根據(jù)前期專項外觀檢查火災后現(xiàn)場橋梁的損傷情況和靜載試驗結(jié)果，對材料及箱梁截面、預應力進行削減，使其盡可能接近于現(xiàn)場受損情況。最終通過火災受損前后箱梁有限元模型計算結(jié)果的比較，鑒定火災對橋梁結(jié)構受力性能的影響程度，為加固設計提供依據(jù)。

3.2靜載試驗結(jié)果

根據(jù)前期對橋梁外觀專項檢查，針對受損情況，對第12跨跨中截面、距11#墩11.50m梁底受損最深截面、11#墩支點負彎矩截面進行靜載試驗檢測。測試內(nèi)容包括控制截面的撓度及應力應變等。

3.2.1撓度測試結(jié)果

在各級試驗荷載作用下，橋梁第12跨各撓度控制截面分級荷載與撓度關系曲線如圖1所示。

圖1　橋梁第12跨控制截面荷載-撓度關系曲線

3.2.2應變測試結(jié)果

在各級試驗荷載作用下，橋梁第12跨各控制截面荷載與應變關系曲線如圖2所示。

圖2　橋梁第12跨控制截面荷載-應變關系曲線

3.2.3中性軸位置測試結(jié)果

各控制截面應變值沿梁高變化情況如圖3所示。

圖3　應變沿梁高變化圖

3.2.4靜載試驗測試結(jié)果與分析

從圖1～圖3可以看出，在分級荷載作用下，橋梁第12跨各控制截面荷載與撓度、應變基本保持線性關系；實測各控制截面中性軸位置與理論計算的截面中性軸位置基本相同，且應變沿梁高呈線性變化，表明在試驗荷載作用下梁體處于彈性范圍之內(nèi)。

在分級荷載作用下，各控制截面撓度、應變實測值與修正有限元模型計算結(jié)果較為接近，各測試截面校驗系數(shù)均接近于1.00，表明修正有限元模型假設條件與現(xiàn)場災后情況較為接近，修正有限元模型的計算結(jié)果可反映橋梁的實際受損情況。

4　修正有限元模型的承載能力評定

承載能力評定是檢算橋梁第12跨上部主體結(jié)構火災后承載能力是否滿足汽車-20、掛-100級、人群3.5kN/m2設計荷載標準的要求，同時通過比較火災前后橋梁抗彎承載能力，判定此次火災對橋梁的影響程度。

4.1.1火災后修正有限元模型承載力驗算條件

根據(jù)前期對橋梁受損情況的專項檢查結(jié)果以及靜載試驗的結(jié)果分析，對火災后的橋梁有限元模型進行以下條件的修正：

（1）火災對橋梁第12跨的混凝土強度造成一定的影響，降低至接近于C30砼的強度，彈性模量Ec=3.00× 104MPa，軸心抗壓強度標準值fcd=20.1MPa，抗拉強度標準值ftd=2.01MPa；

（2）橋梁第12跨距11#墩22.00m～6.00m范圍內(nèi)梁底0mm～45mm高度范圍內(nèi)的混凝土退出了整體受力工作；

表1　第12跨控制截面受災前后抗彎承載能力檢算結(jié)果表

（3）根據(jù)火場推定溫度以及火災后的外觀檢查結(jié)果，推定火災對橋梁第12跨范圍內(nèi)的預應力造成20%損失。

4.1.2基于原設計標準火災前后橋梁抗彎承載能力分析比較

在原設計標準荷載作用下橋梁火災前后承載能力極限狀態(tài)受彎荷載效應基本組合計算結(jié)果如圖4所示，第12跨控制截面抗彎承載能力檢算結(jié)果見表1。

圖4　橋梁承載能力極限狀態(tài)受彎荷載效應圖

由表1可知，橋梁控制截面在承載能力極限狀態(tài)下經(jīng)抗彎承載力驗算得到火災后以上兩處驗算截面的正截面抗彎承載力能夠滿足設計荷載等級要求，火災后截面抗力效應較火災前降低最大幅度為5%。

5　結(jié)論及建議

（1）橋梁受災破壞后，由于損傷程度的不確定性，筆者提出通過橋梁靜載試驗結(jié)果修正有限元模型，其實測值與修正理論值較為接近，表明修正有限元模型假設條件與現(xiàn)場災后情況較為接近，修正有限元模型的計算結(jié)果可反映橋梁的實際受損情況，在結(jié)構驗算中可更加確切地獲得橋梁的現(xiàn)有承載力。

（2）經(jīng)抗彎承載力驗算得到火災后橋梁驗算截面的正截面抗彎承載力能夠滿足設計荷載等級要求，火災后截面抗力效應較火災前降低最大幅度為5%。

（3）以恢復至原設計抗彎承載力為目的，立即對火災受損部位進行加固修復。

［1］JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.

［2］CECTS252-2009，火災后建筑結(jié)構鑒定標準［S］.

［3］DBJ08-219-96，火災后混凝土構件評定標準［S］.