某預應力混凝土箱梁橋火損后檢測與加固設計

林愛萍

(福建船政交通職業學院，福州 350007)

隨著橋梁公路里程數量的不斷增多， 其損傷問題也日益凸顯， 各種不可控因素均有可能導致結構出現不同程度的損傷， 其中火災是眾多種類中的一種， 具有突發性，在較短時間內可對橋梁結構構成嚴重的威脅，甚至中斷交通運行。因此，火災后應第一時間對橋梁結構進行準確、科學、正確的損傷檢測評定，以便為后續的結構加固設計提供科學依據[1]。

本文以某遭遇火災后預應力混凝土連續箱梁為工程案例， 系統分析了橋梁結構在受到火災后的檢測評定方法與加固處治方案， 其研究可為同類梁橋的火損加固設計提供參考。

1 工程背景

某預應力混凝土連續箱梁橋建于2012 年， 并于2014 年竣工通車，全長66.00 m，橋型布置見圖1。設計荷載等級為汽車-20 級，掛車-100。 上部結構采用(20×3)m的三孔一聯等截面預應力混凝土連續箱梁， 單箱四室箱形截面，頂板寬17.25 m，底板寬13.50 m，中心梁高1.30 m，混凝土強度等級為C50；下部采用樁柱式墩，墩身直徑1.30 m，混凝土強度等級為C35，樁基采用鉆孔灌注樁基礎，直徑1.50 m，混凝土強度等級為C30，全橋均采用圓形氯丁橡膠支座。

事故起因于該橋址位置處橋下長期堆積易燃物品如泡沫塑料、輪胎橡膠等材質。 2018 年11 月份因高壓線噴射火花引起火源， 使得箱梁底下堆積大量的泡沫塑料等易燃物品燃燒起來，橋梁位置處于低洼處且較為偏僻，大火持續時間約85 min 后被趕來的消防人員撲滅。 易燃物距橋跨底板的高度約為1.60 m。 火災直接造成梁體、墩柱、支座等構件出現不同程度的損壞。火損后的箱梁底板典型病害示意情況見圖2。

圖1 橋型布置圖

圖2 火損后的箱梁底板情況

2 橋梁檢測評估方法及結果

2.1 表觀檢測

采用目測檢查、 工具錘擊等方式對該橋進行外觀檢查。 根據外觀檢查結果，該橋主要存在以下3 種病害：①箱梁底板大面積混凝土剝落、鋼筋網外露(圖2)；②1# 墩3 個支座上下鋼板均被燒脆， 且橡膠層均出現不同程度的焦化(圖3)；③1#墩3 個墩身出現不同程度的混凝土剝落等病害(圖4)。

圖3 支座典型病害

圖4 墩柱典型病害

2.2 構件損傷分析

2.2.1 主梁

通過現場調查，此次火源位于箱梁下部，對箱梁構件影響較大，對橋面附屬設施影響較小。隨著溫度的不斷升高，主梁受拉鋼筋、預應力筋等抗壓強度會逐漸減小，且鋼筋與混凝土的粘結力強度也會逐漸下降， 當溫度達到一定值時，隨著燃燒時間的延長，主梁就會逐漸出現混凝土剝落、鋼筋網外露、預應力筋失效、承載力下降、嚴重時導致結構垮塌[2]。

2.2.2 支座

此次受火災影響的箱梁橋采用板式橡膠支座， 橡膠支座長時間受高溫火焰影響，主要表現出橡膠熔化、不同程度的剪切變形、上下鋼板材質變脆等現象，導致1-1～1-3 號支座無法恢復自由伸縮變形， 從而威脅到橋梁結構的正常使用功能。

2.2.3 墩柱

該橋1-1～1-3 墩柱(地面值支座段)受火源四周長時間包圍燃燒，火勢較大且燃燒時間較長時，使得墩柱局部出現被壓碎， 由于混凝土材料的抗壓強度受溫度影響顯著，且大多數墩柱均為受壓或偏心受壓構件，在火災作用下，墩柱逐漸出現混凝土剝落，有效受壓面積逐漸減小，從而影響墩柱的有效承載力。

2.3 火災溫度推算

在大火作用下混凝土構件由于溫度的不同會發生不同的化學、 物理反應， 從而導致構件出現不同程度的損傷，混凝土表面顏色、錘擊回聲也會隨著溫度的變化而有所不同。因此，對災害后的混凝土外觀顏色觀察與敲打回擊聲并行可大致推定其受火溫度值[3]。 梁體、墩柱受火源溫度推測見表1。

表1 火場溫度推定

2.4 材料強度試驗

火災后的混凝土強度推定依據 《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》，采取小芯樣法檢測。 按抽樣規定在箱梁底板抽取3 個直徑6 cm 的圓柱進行軸心抗壓強度試驗，以了解火損后的箱梁內部混凝土強度； 并分別隨機截取3 段長度為50 cm 的外露鋼筋進行試驗室抗拉力學性能試驗，以確定火損后的鋼筋強度退化值；鑒于預應力筋未外露，且與剝落混凝土表面還有一定的距離，故不對預應力進行力學性能試驗[4]。

試驗結果顯示，3 個取芯軸心抗壓強度試驗值分別為52.9 MPa、57.6 MPa 和59.0 MPa， 均滿足C50 抗壓強度設計值， 表明此次火災對箱梁底板內部的混凝土強度未造成較大影響；由鋼筋力學試驗結果表明，在外力作用下，3 根鋼筋斷口處均有明顯的頸縮現象，且其火災后的屈服強度、 抗拉強度和伸長率等各個指標也均滿足相關規范要求。

3 修復加固設計

結合此次火損后橋梁的實際受損情況、 混凝土損傷推算以及材料性能試驗結果等各個指標考慮，并兼顧“安全可靠、簡單有效、經濟合理”等基本加固設計原則，保證修復的結構能夠滿足原有的結構功能， 且還要達到改善結構的耐久性，延長結構的使用壽命周期目的。

3.1 箱梁底板修復

對箱梁底板破損處的混凝土區域采用高性能聚合物砂漿修補，并粘貼碳纖維布加固處治。其施工操作步驟如下： 采用高壓水槍將梁體熏黑部位進行清洗→將剝落區域表層劣質混凝土鑿除， 并將周邊區域表層混凝土鑿除至新鮮混凝土→鑿除區域涂刷阻銹劑， 對外露鋼筋進行除銹與整合、置換、補強→涂刷界面劑，對剝落區外露鋼筋網外的范圍進行逐層修補→在箱梁底板底模灌注聚合物高性能砂漿→將粘貼碳纖維布范圍的基底打磨， 涂刷阻銹劑→貼碳纖維布表面防護。 采用碳纖維布加固處治后的箱梁底板見圖5。

圖5 箱梁底部處治效果圖

3.2 支座處治

考慮到1# 墩3 個支座都已出現較為嚴重的橡膠焦化、無彈性變形，已完全失去自由變形能力，因此對于支座采用全部更換處治。 其施工操作步驟如下：上部箱梁構件臨時支撐→腳手架搭設→千斤頂及油泵校驗→設觀測標志→準備工作→頂升→支座更換。 支座更換后的現場實景見圖6。

圖6 支座更換處治效果圖

3.3 墩柱抱箍補強

鑒于墩柱頂部與地面距離較矮(1.60 m)，不需要搭設施工腳手架等輔助措施，采用抱箍增大截面法修復。其施工操作步驟如下： 采用高壓水槍和拋光機將墩體熏黑部位進行清洗→將剝落區域表層劣質混凝土鑿除， 并將周邊區域表層混凝土鑿除至新鮮混凝土→鑿除范圍涂刷阻銹劑，對外露鋼筋進行除銹與整合、置換、補強→墩柱表面植筋→安裝模板澆筑混凝土→養護。 墩柱抱箍補強處治后的效果見圖7。

4 加固后靜動載試驗結果

橋梁結構的靜、 動載試驗是檢測橋梁結構性能和承載力的重要檢驗手段之一[5]。 考慮到第一、二跨為此次的受災區域，因此，選取第一、二跨為主要試驗對象。試驗結果表明，加固后的左幅線橋梁靜、動載試驗結果均滿足相關規范要求，并對結構的自振頻率進行測試，結果如表2所示。

圖7 墩柱抱箍補強加固效果圖

表2 加固后的模態試驗數值

由模態試驗結果可知： 采用高性能聚合物砂漿修補缺陷混凝土和粘貼碳纖維布加固后的火損橋梁結構前3階自振頻率均高于理論值，平均增大率為7.0%，且阻尼比在1.98%～3.81%， 滿足 《公路橋梁試驗荷載與結構評定》規范中對混凝土結構阻尼比的3%左右要求。 表明采用這種加固方法后，該梁橋剛度得到了改善，且加固后的結構安全富余系數高于理論值。

該橋加固處治1 年后， 再次對其進行外觀檢測及靜動載試驗，未有發現新的病害出現，且靜動載試驗結果值與加固后的試驗值基本一致， 表明該維修處治方法較為合理、可靠。

5 結語

火災后橋梁檢測、評估、加固是近年來一個熱門的研究專題，也是投入運營中的橋梁結構不可避免的問題。采用何種更為簡便的檢測評定方法能夠更為準確地評估火損后的橋梁真實狀況是今后工程界的研究主流方向，也是加固設計依據的前提。