火災后橋梁受損狀態(tài)及結構性能評估

■杜含辰

（新疆交通科學研究院，烏魯木齊 830000）

0 引言

高速公路是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的命脈，而橋梁作為高速公路跨越江河峽谷的重要連接線，在縮短交通運輸距離中發(fā)揮著巨大作用[1-4]。由于高速公路交通量以及油氣資源的運輸量的激增，一旦發(fā)生交通事故引發(fā)火災，將給橋梁結構安全帶來極大地危害[5-6]。橋梁結構大多為鋼筋混凝土結構，在火災高溫影響下，材料性能迅速退化，結構損傷嚴重，直接降低了橋梁結構安全可靠性和穩(wěn)定性[7-8]。

本文以新疆吐和高速公路無名溝8號中橋火災事故為例，通過現(xiàn)場調查方法，分析橋梁結構在發(fā)生火災事故后的結構受損狀態(tài)，并給出相應的建議措施。結合有限元分析模型，對火災后橋梁結構的正截面抗彎承載能力、裂縫寬度及擾度進行評估，為該橋梁的維修加固提供指導意見。

1 橋梁火災事故

無名溝8號中橋是位于新疆吐和高速G3012線下行線K79+926處的一座鋼筋混凝土連續(xù)板梁橋，如圖1所示，跨徑組合為3×16m。橋梁全寬12.75m，橋梁橫向布置：11.75m（行車道）+2×0.5m（防撞護欄）。上部結構為整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土實心連續(xù)板梁，板厚70cm，高跨比約1/22.9，下部結構采用雙/柱式墩，U型橋臺，基礎均采用擴大基礎。橋梁各部位主要材料：現(xiàn)澆箱梁為40號混凝土，橋墩蓋梁、橋臺臺帽、蓋梁采用30號混凝土，墩身、防撞護欄、側墻帽采用25號混凝土，基礎采用20號混凝土，本橋基礎為擴大基礎。鋼筋采用R235和HRB335型鋼筋，設計荷載為：汽車-超20，掛-120級。本橋中心點樁號K205+694m，全橋位于彎曲半徑125m的圓曲線上，橋面縱坡2.98%。

2016年4月15日20:30分左右，一輛原油運輸罐車經(jīng)連續(xù)下坡，車輛失控，隨后撞擊庫米什岸橋頭引道處左側防撞墻，并發(fā)生側翻，隨即車輛滑入到該橋第三孔，同時車輛起火，原油泄漏并燃燒，致使橋下墩臺、板梁底板等多處受到不同程度損傷。

圖1 橋梁側面圖

2 橋梁受損狀態(tài)分析

2.1 橋面鋪裝

全橋橋面受火災影響，瀝青鋪裝層出現(xiàn)不同程度松散化和變色現(xiàn)象，其中第3跨燒灼程度最深，瀝青料松散、無粘結力、呈灰白色，并伴有網(wǎng)狀裂縫，如圖2所示。用鋼釬對該跨油罐車附近瀝青混凝土橋面 （厚度10cm）進行鑿擊，瀝青混凝土酥松、易碎、易鑿除。鑿除瀝青鋪裝層后，對板梁頂板進行敲擊，發(fā)現(xiàn)頂板混凝土質地堅硬，強度并未受到大的影響。此外，受事故車輛原油泄漏的影響，經(jīng)檢查橋面大部分面積污染嚴重。橋梁鋪裝需要鑿出，重新進行鋪裝。

圖2 瀝青鋪裝層受損

2.2 主梁

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，3跨連續(xù)板梁均存在不同程度的損傷，板梁邊角部分混凝土松脆，個別板底混凝土脫落，板底混凝土被熏黑，受大火高溫影響，部分區(qū)域的混凝土表面顏色發(fā)生改變，且混凝土表面存在網(wǎng)狀裂紋，如圖3所示，受損狀況監(jiān)測結果見表1。

圖3 主梁受損

對于主梁受火災溫度影響下的結構變形，用精密水準儀進行測量，各跨跨中實測平均變形值：第一孔為8.98mm、第二孔6.90mm、第三孔7.65mm，均小于規(guī)范值（L/1000），說明橋跨結構沒有明顯下?lián)献冃维F(xiàn)象，橋梁線形未發(fā)生明顯改變。

表1 橋梁板底混凝土受損情況表

檢測結果可知，受高溫影響，板梁底板表皮混凝土受損較大，局部區(qū)域混凝土有剝落現(xiàn)象。但因為混凝土為熱傳導率較小，板底內部混凝土的劣化并不大。

2.3 橋墩

受泄漏原油燃燒的影響，兩個主橋墩受損程度較大，其中1#墩受損最為嚴重，也是整個橋梁里面受損最嚴重的地方，墩身表皮混凝土大面積脫落，內部鋼筋露出（如圖4所示），受損狀況監(jiān)測結果見表2。

圖4 1#、2#主橋墩受損

表2 橋墩受損檢查結果表

根據(jù)橋墩混凝土大面積剝落等現(xiàn)象，預計橋墩混凝土的過火溫度超過800℃，對橋墩造成了嚴重的損傷，承載能力大幅度降低，急需加固以恢復其使用功能。

2.4 橋臺

1#橋臺距離起火地點較遠，受到的影響相對較小，受損較輕。但2#橋臺離起火地點較近，受損比較嚴重，特別是靠棱角的地方，混凝土都比較疏松、破碎，此外，受燃燒高溫影響，擋塊混凝土也受到嚴重燒傷，棱角混凝土破碎，需要重新更換，如圖5所示。

圖5 2#橋臺受損

2.5 支座

受燃燒高溫影響，本橋的橡膠支座受損也特別嚴重，存在橡膠熔化、位移等現(xiàn)象，部分支座墊石也發(fā)生高溫爆裂現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 橋梁支座受損

2.6 其他附屬結構

受燃燒高溫影響，2#橋臺上的橡膠伸縮縫破壞嚴重，橡膠被燒毀，伸縮縫內填滿雜物，受肇事車輛的撞擊，本橋3#橋臺及引道防撞護欄被撞壞，部分管扶手經(jīng)受高溫及撞擊造成表面灼傷、熏黑、脫落等，如圖7所示。

圖7 橋梁附屬設施受損

3 結構性能評估

3.1 有限元分析

對無名溝橋橋梁檢算采用手算結合有限元程序Midas Civil2015建立模型進行，在有限元建模過程中，縱向靜力計算按平面桿系理論，主梁采用梁單元進行模擬，為了比較準確反映結構的受力情況，各個構件截面特性按照結構實際尺寸進行取值，并且結合截面特性進行結構離散。

結構計算分別對承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行了全面的分析，得到了各個狀態(tài)下的結構內力，其中荷載組合按照 《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）進行。

結構計算模型反映了結構分階段形成的特點、各重要工況下的結構特性及荷載狀況。將全橋劃分為68個節(jié)點，61個梁單元，28個彈性連接，28個邊界條件，模型如圖8所示。

圖8 橋梁橋面有限元模型

3.2 正截面抗彎承載能力

由有限元計算模型得出全橋各跨加固前正截面抗彎承載能力計算結果如圖9所示。火災事故后對混凝土強度進行折減并按照 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62-2004）第5.1.5條 驗算全橋各跨跨中截面各單元承載力抗彎極限狀態(tài)基本組合強度計算結果如圖10所示。

圖10 各跨跨中各單元承載力彎矩抵抗圖

從圖7、圖8可知，兩邊跨跨中位置截面本驗算結構所有單元結構重要性系數(shù)×作用效應的組合設計最大值略大于構件承載力設計值，不滿足規(guī)范要求。為保證橋梁的安全及耐久性，建議對部分構件采用預應力CFRP板進行加固以提高抗承載能力。

圖9 正截面抗彎承載能力計算結果

3.3 裂縫寬度

在短期效應組合并考慮長期效應影響，第一跨控制截面的最大裂縫寬度0.2632mm，第三跨控制截面的最大裂縫寬度0.2612mm，結果見表3。按《公路橋涵設計通用規(guī)范》第6.4.1、6.4.2、6.4.3條，鋼筋混凝土構件，在短期效應組合并考慮長期效應影響，裂縫寬度應滿足Wfk≤0.2mm，因此，該橋的裂縫寬度不滿足正常使用階段的裂縫寬度限值。

表3 裂縫寬度驗算結果表

3.4 撓度

按《公路橋涵設計通用規(guī)范》第6.5.5條，鋼筋混凝土受彎構件在消除結構自重產(chǎn)生的撓度不應超過計算跨徑的1/600（本橋允許最大撓度26.67mm）。第一跨自重作用下跨中最大撓度7.655mm，第三跨自重作用下跨中最大撓度7.645mm。全橋在荷載作用下最大撓度變形計算結果如圖11所示，從圖11可知，第一跨和第三跨的在荷載作用下的最大撓度分別為30.969mm、30.945mm。綜合上述結果表明，該橋在自重作用下產(chǎn)生的擾度滿足規(guī)范要求，但在全橋荷載作用下，擾度會顯著增大，建議可采取加固措施，以提高結構剛度。

4 結論

圖11 全橋荷載效應下?lián)隙茸冃螆D

（1）橋梁鋪裝需要鑿除，重新進行鋪裝。受高溫影響，板梁底板表皮混凝土受損較大，局部區(qū)域混凝土有剝落現(xiàn)象。橋墩混凝土大面積剝落等現(xiàn)象，橋墩嚴重損傷，承載能力大幅度降低。

（2）兩邊跨跨中位置截面承載力值不滿足規(guī)范要求。需要對部分構件采用預應力CFRP板進行加固以提高抗承載能力。

（3）在短期效應組合并考慮長期效應影響，第一跨控制截面的最大裂縫寬度0.2632mm，第三跨控制截面的最大裂縫寬度0.2612mm，該橋裂縫寬度不滿足正常使用階段的裂縫寬度限值。

（4）該橋在自重作用下產(chǎn)生的擾度滿足規(guī)范要求，但在全橋荷載作用下，擾度會顯著增大，建議可采取加固措施，以提高結構剛度。

[1]梁巖，毛瑞敏，馮冠杰，等.橋梁火災后力學性能退化研究[J].公路，2017,（10）:246-250.

[2]王寧.混凝土結構橋梁火災處治研究[J].湖南交通科技，2017,43（2）:201-204.

[3]程海潛，王佳宇，張 健，等.火災后橋梁的檢測評估及維修加固技術[J].城市道橋與防洪，2016,（10）:75-79.

[4]孫博，肖汝誠.基于層次分析-模糊綜合評價法的橋梁火災風險評估體系[J].同濟大學學報（自然科學版），2015,43（11）:1619-1625.

[5]許宏元，侯 旭，劉士林.火災后混凝土橋梁的損傷識別與狀態(tài)評估[J].現(xiàn)代交通技術，2009,6（1）:38-41.

[6]余江滔，劉媛，陸洲導，等．火災后混凝土連續(xù)構件的損傷與加固試驗研究[J].同濟大學學報（自然科學版），2012,40（4）:508-514.

[7]黃清．鋼筋混凝土橋梁火災后檢測評估[J].世界橋梁，2014,42（5）：78-82.

[8]程輝．火災后空心板梁橋承載力評定及加固對策研究[D].西安：長安大學，2014.