北京市南三環(huán)東鐵營橋火災后橋梁加固研究

2017-06-01 12:19:20謝大川

城市道橋與防洪 2017年4期

關鍵詞：橋梁混凝土結(jié)構

謝大川

（北京中領工程設計咨詢有限公司，北京市100000）

北京市南三環(huán)東鐵營橋火災后橋梁加固研究

謝大川

（北京中領工程設計咨詢有限公司，北京市100000）

橋梁在火災高溫下，構件混凝土局部爆裂、露筋,使混凝土和鋼筋的強度及變形性能劣化,結(jié)構承載力降低?，F(xiàn)結(jié)合北京市南三環(huán)東鐵營橋火災后檢測評估實例，運用火災中混凝土橋梁破壞機理，研究過火構件設計加固方案。其方法和思路可為處理類似混凝土橋梁火災受損評定與加固提供有益的參考。

東鐵營橋；檢測；混凝土橋梁破壞機理；過火構件加固；設計方案

1 東鐵營橋概況

1.1 原橋概況

東鐵營橋位于南三環(huán)東路（見圖1），該橋橋面系由東向西分別為4跨連續(xù)、3跨連續(xù)和4跨連續(xù)，橋面鋪裝為瀝青混凝土。該立交橋橋梁上部結(jié)構為11跨安裝鋼筋混凝土T梁簡支結(jié)構，在T梁端部處設有橫向聯(lián)系。橋梁墩臺為鋼筋混凝土結(jié)構。橋梁下部結(jié)構為鋼筋混凝土矩型獨立墩，橋梁全長為168.0 m，橋面寬29.0 m，雙向車道，由東向西跨徑組合為：5×15 m＋18 m＋5×15 m。橋梁橫橋方向布置為：（由南向北）1.5 m（步道）+12.0 m（機動車道）+2.0 m（中央隔離帶）+12.0 m（機動車道）+1.5 m（步道），設計荷載等級為城-A級汽車荷載。

圖1 橋梁位置圖

1.2 火災情況

2016年5月24日中午，東鐵營橋橋梁北半幅東側(cè)第二跨下方一輛果皮車起火并引燃臨近的另一輛果皮車。火災使著火車輛上方橋梁結(jié)構受到灼燒，并對其周邊結(jié)構產(chǎn)生煙熏（見圖2、圖3）。為保證橋梁安全,對東營橋橋梁進行檢測并對火災后橋梁進行相關設計加固研究。

圖2 火災后橋梁實景（1）

圖3 火災后橋梁實景（2）

2 橋梁火災后檢測數(shù)據(jù)

2.1 監(jiān)測依據(jù)

根據(jù) 《城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》（CJJ99-2003），《回彈法評定混凝土抗壓強度技術規(guī)程》（JGJ/T23-2011），《混凝土強度檢驗評定標準》（GB/T 50107-2010），《混凝土中鋼筋檢測技術規(guī)程》（JGJ/T 152-2008），《火災后建筑結(jié)構鑒定標準》（CECS252：2009），《公路養(yǎng)護安全作業(yè)技術規(guī)程》（JTJ041-2000）對東鐵營橋過火區(qū)域進行檢測。即：檢測和評定橋梁結(jié)構材料缺陷狀況、結(jié)構性能；對橋梁受力和結(jié)構狀態(tài)等方面進行詳細計算驗證；分析橋梁結(jié)構損傷、缺損的可能原因并提出相關處理建議。

2.2 外觀檢查

火災影響范圍為橋梁北半幅著火點所在橋跨及相鄰兩跨橋梁，影響范圍內(nèi)橋梁長度為45 m、寬度為29 m、總面積為1 305 m2。圖4為過火區(qū)域橋梁主要構件編號圖示；表1為構件編號表。

圖4 過火區(qū)域橋梁主要構件編號圖示

表1 構件編號表

東鐵營橋橋面系體整體狀況一般，橋面存在網(wǎng)裂1處，橋面北側(cè)護欄存在煙熏火燒1處。上部結(jié)構整體狀況較差，著火點附近K2-1、K2-2、K2-3、K2-4等4片主梁局部受燒變?yōu)榛野咨抑苓叾嗥髁菏軣熝兒冢ㄒ妶D5、圖6）。檢測發(fā)現(xiàn)K2-2、K2-3、K2-4等3片受火區(qū)梁類構件最大裂縫寬度均大于0.2 mm（0.22 mm～0.26 mm），最大裂縫深度136 mm～138 mm（見圖7、圖8）；而未受火主梁K3-6最大裂縫寬度為0.17 mm。下部結(jié)構整體狀況良好，檢測未見存在結(jié)構性損傷及開裂。梁與蓋梁搭接嚴密，導致支座情況不可見。東橋臺及G3蓋梁整體狀況良好，G1、G2蓋梁煙熏變黑。

圖5 梁混凝土受火變?yōu)榛野咨畬嵕?/p>

圖6 G1煙熏變黑之實景

圖7 K2-3梁南側(cè)面豎向裂縫之實景

圖8 K2-3梁裂縫示意圖（單位：cm）

2.3 無損檢測結(jié)果

采用回彈法對該橋主體結(jié)構進行混凝土強度檢測。經(jīng)檢測橋主梁混凝土強度推定值介于38.8MPa～43.5 MPa，蓋梁混凝土強度推定值介于51.1 MPa～51.6 MPa?；炷撂蓟疃葯z測主要是對結(jié)構的耐久性進行評價，并間接評價鋼筋的銹蝕狀況。經(jīng)檢測，受火后發(fā)白的區(qū)域混凝土碳化深度介于20 mm～30 mm，受火點外被熏黑的區(qū)域混凝土碳化深度介于12 mm～20 mm，未受火區(qū)域混凝土碳化深度介于10 mm～15 mm。按相關規(guī)范要求對其保護層厚度進行檢驗，經(jīng)檢測，主梁保護層厚度特征值介于31 mm～34 mm。

2.4 橋梁BCI檢測結(jié)果（見表2）

表2 橋梁BCI檢測結(jié)果一覽表

BCI為城市橋梁狀況指數(shù)，以表征橋梁結(jié)構的完好程度，由好到差，評為A至E級。

2.5 小結(jié)

經(jīng)檢測，該橋梁過火后：上部結(jié)構損傷比較嚴重，有不同類型裂縫；下部與橋面系局部被煙熏黑；受火發(fā)白區(qū)域混凝土碳化深度值接近鋼筋保護層厚度（30 mm），混凝土碳化導致鋼筋失去堿性環(huán)境的保護，易發(fā)生銹蝕，影響結(jié)構耐久性；橋梁整體仍在可使用范圍之內(nèi)，但需進行相應加固措施。

3 火災中混凝土橋梁破壞機理

3.1 火災時間溫度標準曲線

火災場所從開始燃燒、發(fā)展、猛烈燃燒、減弱到熄滅全過程中，溫度的變化與時間歷程息息相關。目前中國工程建設協(xié)會標準，火災后建筑結(jié)構鑒定標準CECS252：2009規(guī)定火災標準時間——溫度表達式如下：

式中：T為標準溫度，℃；T0為環(huán)境溫度，℃；t為火災經(jīng)歷時間，min。

通過環(huán)境溫度和火災經(jīng)歷的時間，可以判斷火災標準溫度，對混凝土與鋼筋的破壞研究提供基礎數(shù)據(jù)。

3.2 混凝土破壞原理

國內(nèi)外大量資料表明，混凝土在高溫下及高溫冷卻后力學性能基本上隨溫度的升高而降低?；炷翉姸入S溫度的變化與混凝土的強度等級、骨料品種、溫度的持續(xù)時間和冷卻方式等因素有關。但隨著溫度的升高，這些因素的影響并不明顯。從不同的試驗條件對高溫下及高溫冷卻后混凝土抗壓強度影響來看，總的趨向是隨著溫度的升高而下降并趨于一致。

3.3 鋼筋破壞機理

火災后鋼筋結(jié)構詳細鑒定應包括受火鋼構件的材料特性及承載力。其中，材料特性包括屈服強度與極限強度、延伸率、沖擊韌性、彈性模量，承載力包括截面抗彎承載力、截面抗剪承載力、構件和結(jié)構整體穩(wěn)定承載力、連接強度。

鋼筋在高溫下的抗拉強度隨溫度的升高而降低，由于各種鋼筋所含成分和制造工藝的不同，其抗拉強度的變化也略微有不同，普通熱軋低碳鋼筋在溫度大于200℃時屈服消失，出現(xiàn)強化現(xiàn)象。各種鋼筋在溫度小于400℃后強度下降不明顯，當溫度大于400℃后強度下降顯著。但溫度達到600℃后各種鋼筋抗拉強度下降趨于相同，說明鋼筋此時均以達到了變態(tài)點溫度。而鋼筋在高溫冷卻后其屈服點及抗拉強度與常溫下相等，降低有限。另外，鋼筋在高溫下的延伸率與鋼筋在高溫冷卻后的抗拉強度相同，基本能恢復到原來的塑性狀態(tài)。

3.4 混凝土與鋼筋的黏結(jié)

火災后混凝土經(jīng)高溫作用后，其彈性模量及混凝土與鋼筋間黏結(jié)強度隨溫度的升高而降低。當溫度達到500℃以后，混凝土的彈性模量下降的速度比混凝土抗壓強度降低的速率更為迅速，下降約60%左右，在此溫度下，由于混凝土與鋼筋間的變形差異增大，使得混凝土與鋼筋間黏結(jié)強度也大為降低。但不同級別的鋼筋的自身的摩阻力和合力是不同的，因而在高溫作用后的粘結(jié)強度下降程度也有所不同。例如：HPB235級鋼筋在500℃后黏結(jié)強度下降約50%，而HRB335級鋼筋下降不到20%。當溫度達到700℃ ～800℃以后，混凝土的彈性模量已經(jīng)完全喪失。HPB235級鋼筋已經(jīng)全部喪失，HRB335級鋼筋也喪失60%，可以看出火災對HPB235級鋼筋的黏結(jié)強度影響較大。

3.5 小結(jié)

火災發(fā)生后，溫度隨時間變化，溫度的升高使混凝土與鋼筋不能良好地黏結(jié)，導致橋梁承載力下降，故需及時對橋梁結(jié)構進行相關加固。

4 受火構件加固方案

4.1 受火構件的損傷狀態(tài)等級評定

依據(jù)《火災后建筑結(jié)構鑒定標準》（CECS252：2009）中的有關規(guī)定，根據(jù)構件燒灼損傷、變形、開裂（或斷裂）程度，并結(jié)合橋梁的結(jié)構形式及受力特點，對橋梁主要受火構件的損傷狀態(tài)等級進行評定，東鐵營橋受火構件評定損傷狀態(tài)等級分類如表3所列。

東鐵營橋受火構件經(jīng)過損傷狀態(tài)等級評定，可知大面積輕度灼傷，局部中度灼傷，但尚未破壞，需進行相應加固設計。

表3 東鐵營橋火災后結(jié)構構件損傷狀態(tài)評定等級表

4.2 受火構件設計計算方案

火災后構件承載力的損失主要由鋼筋抗拉強度損失和混凝土燒酥引起構件截面減小所致,因此可采用檢測所得的鋼筋強度和扣除燒傷深度之后的縮小截面進行構件承載力計算。

當混凝土溫度低于300℃時，其強度與常溫強度相同；在300℃～800℃時，混凝土的強度取常溫一半；當混凝土的溫度高于800℃時，其強度為零（見圖9），即：

式中：fTc為混凝土的高溫強度；fc為混凝土的常溫強度。

圖9 高溫混凝土的簡化設計強度曲線圖

高溫下鋼筋的設計強度呈三折線（見圖10）。

圖10 高溫鋼筋的簡化設計強度三折曲線圖

式中：fTy為鋼筋的高溫強度；fy為鋼筋的常溫強度。

經(jīng)計算，東鐵營橋，混凝土與鋼筋強度略微下降，需進行相應加固措施。

4.3 受火構件加固原則

結(jié)構加固設計強調(diào)概念設計，以構造為主，計算為輔，計算與構造兩者相輔相成。各種結(jié)構加固方法的原則是：（1）鏟除損壞的混凝土，必要時加鋼筋來保證結(jié)構具有完全的承載力，按照需要的尺寸用相應的混凝土給截面復原，加固可采用置換、繞絲、粘鋼和粘玻纖等方式。（2）對于不影響結(jié)構部件的承載能力的輕度損害，只要鏟除松弛的混凝土部分再進行填補，作好混凝土表面，以保證鋼筋不受銹蝕。（3）對于能夠造成結(jié)構能力降低的中度損害，應小心地鏟去損害的混凝土層。如果鋼筋強度降低，需要置放附加鋼筋，然后用相應強度的新混凝土給截面復原。新、舊混凝土之間及鋼筋與混凝土之間的結(jié)合必須良好，粘結(jié)力要強。（4）對于嚴重損害，應根據(jù)現(xiàn)場情況個別處理，常常需要局部加固或拆掉重建。

4.4 東鐵營橋設計加固方案

東鐵營橋受火構件主要有以下兩點病害：（1）欄桿地袱、T梁、蓋梁、墩柱均有被熏黑處；（2）T梁不同類型裂縫。對受火構件熏黑處進行混凝土表面清洗，涂刷刷滲透型硅烷混凝土防腐涂料，對T梁不同類型裂縫，進行涂刷封閉或灌注封閉。

4.4.1 滲透型硅烷混凝土防腐涂料（見圖11、圖12）

4.4.2 裂縫處理（見圖13、圖14）

對所有可見裂縫均需進行封閉處理：（1）裂縫寬度小于0.15 mm的進行表面封閉處理。（2）裂縫寬度在0.15 mm至0.3 mm的進行灌注封閉處理。（3）裂縫寬度大于0.3 mm或裂縫深度較深的裂縫應采用鑿槽欠補法進行裂縫處理。（4）裂縫處理前應先將裂縫周圍約5 cm范圍混凝土表面清理干凈，以免影響封閉效果。裂縫表面封閉處理時直接將封閉膠涂刷在裂縫處混凝土表面，應做到連續(xù)無間隔，確保封閉密實。對需要灌注封閉的裂縫，應先在裂縫周圍涂刷封閉膠，在局部留出灌注空隙。（5）注入座沿縫的走向，每米約布置3個，裂縫分叉處的交叉點應布置注入座，選混凝土表面平整處設置，避開剝落部位；對貫通縫，可在一側(cè)布置注入座，另一側(cè)完全封閉，縫寬較大且內(nèi)部暢通時，可以按每米2個的密度來布置。