預應力箱梁火災作用后的性能評估及修復策略研究

中交鐵道設計研究總院有限公司，北京 100000

隨著我國橋梁數量的增多，火災引起的橋梁損傷越來越多，火災會使橋梁結構發生損傷。對于預應力箱梁橋而言，火災會使橋梁內部預應力鋼筋、普通鋼筋以及混凝土特性發生劣化，導致橋梁承載能力下降，甚至影響正常使用，因此在橋梁發生火災后，必須對其性能進行評估及制訂相關的修復措施。

在以往相關研究中，Kodur等[1]通過建立結構模型，研究得出火災后橋梁的剩余承載能力與火災最高溫度相關。Gong[2]利用ABAQUS軟件對正交異性鋼梁橋受火災和豎向荷載共同作用下的性能進行了分析研究。王成明等[3]對預應力混凝土空心板梁在火災中的性能特點進行了試驗研究。劉世忠等[4]、蔡正東等[5]、劉華等[6]對火災下箱梁的損傷評估與加固措施進行了研究。張崗等[7]以預應力混凝土（PC）箱梁為研究對象，對不同高溫爆裂指標下的預應力混凝土箱梁極限承載能力進行了計算。張贊鵬等[8]通過建立Midas Civil模型，對某火災后預應力混凝土簡支梁橋損傷程度及剩余承載能力進行了研究。王凱等[9]通過對某火災后橋梁的檢測評估結果進行分析，提出了采用粘貼鋼板法進行橋梁加固的措施。

綜上所述，以往的研究多集中在橋梁某一構件火損后的性能研究，相關修復措施較為單一，關于影響預應力箱梁橋防火性能的因素分析較少，且缺乏系統的性能評估及修復策略。文章基于某實際工程在火災發生后結構性能變化，分析了影響預應力箱梁橋防火性能的主要因素，分別從混凝土、預應力筋以及鋼筋三種材料性能分析了橋梁火災后性能評估及修復策略，以期為類似工程提供參考。

1 工程背景

某為雙幅分離式特大橋，雙向四車道。橋孔布置為左幅26×30m+(35+60+35)m+10×30m+(36+36)m+6×30m，右幅26×30m+(35+60+35)m+9×30m+(36+36)m+7×30m，橋長 1469m。全橋分為12聯，跨長港采用(35+60+35)m懸澆預應力混凝土連續箱梁，跨新港采用(30+36+36+30)m裝配式預應力混凝土連續小箱梁，其余采用30m裝配式預應力混凝土連續箱梁，先簡支后連續體系。下部構造：0號臺采用樁柱式橋臺；47號臺采用肋板式橋臺、樁基礎；主墩采用矩形截面雙柱墩；主橋和引橋間的過渡墩及引橋橋墩為柱式墩配樁基礎。

該特大橋左右幅第一聯第一孔橋下違規堆積稻草，受不明原因引燃并引發火災，火災持續45min后被消防人員撲滅。火災現場照片見圖1。

圖1 火災現場照

根據該橋T梁受火后損傷情況，并參考《火災后建筑結構鑒定標準》（CECS 252：2009）及《火災后混凝土構件評定標準》（DBJ08-219-96）分級標準，將上構受火區域分為A、B、C這3個區域，其中A區域小箱梁混凝土表面呈淺黃色并大面積脫落，存在箍筋外露現象，錘擊該區域小箱梁混凝土的聲音發啞，錘擊后伴有混凝土脫落現象；B區域混凝土表面呈淺灰略帶淺紅，表面有少量混凝土脫皮現象，錘擊聲音較悶，錘擊后有輕微痕跡；C區域表面輕微被熏黑，基本未見混凝土剝落、露筋等病害，錘擊聲音響亮。A區域及C區域損壞現場見圖2。

圖2 受火區現場圖

2 影響預應力箱梁橋防火性能的因素

2.1 橋梁的幾何特征

在火災條件下，橋梁的幾何形狀和尺寸對構件的結構性能有重要影響。如在火災作用下，構件的剪跨比或側向約束等因素會對梁的局部屈曲或扭轉屈曲產生顯著影響，此外混凝土保護層厚度對鋼筋混凝土構件的結構性能有直接影響。

2.2 建筑材料

橋梁在火災作用下的性能高度依賴于構件組成材料的物理性能和機械性能，例如鋼材的導熱系數比混凝土高出50倍。此外，所有材料在高溫下都會產生強度和彈性模量特性的損失，這些特性的損失速率也因材料不同而有所區別，混凝土的強度和剛度特性隨溫度的損失要比鋼材慢得多，普通強度混凝土的強度和剛度在超過400℃時才開始下降，而鋼材的機械性能在250℃左右就開始有明顯下降。

2.3 裝載和支撐條件

荷載的類型、強度以及支撐條件都會影響構件的在火災作用后的結構性能。結構在靜載和較低荷載下的耐火性能比在動態、高荷載作用下要好。高負荷水平使構件承受額外的壓力，因此構件在火災下的儲備能力更小。此外，由于火災造成的試件收縮率的發展可以抵消由荷載產生的彎矩，約束支撐條件可以顯著影響受彎構件的耐火性能。對于固定端混凝土柱而言，約束支撐條件的存在會產生附加力，導致混凝土保護層過早剝落、破壞，最終提高了構件火災易損性。

2.4 火災強度

火災強度和持續時間對構件的性能也有重要的影響，這主要取決于火災發生時對應的燃料類型、數量以及通風特性等。橋梁是相對開放的結構，有無限的氧氣供應，缺乏主動和被動的防火措施。此外，如果構件中存在高度易燃的烴類材料，可能會加速火災的發展速率，加速橋梁結構在火災作用下的破壞。

3 預應力箱梁火災后性能評估及修復策略

3.1 混凝土的評估及養護

根據以上分析，預應力箱梁火災后性能修復可以參考關于鋼筋混凝土結構相關的出版文獻及標準手冊，作為預應力箱梁火災后評估和維修策略。預應力混凝土箱梁的火災損傷可以通過目測和材料測試來進行評估。這個評估通常包括兩個方面：（1）采用無損傷法進行混凝土剩余強度的評估；（2）橋梁受火災影響最嚴重區域的歷史最高溫度評估，這對于評估鋼筋的殘余強度以及確定一些關鍵的化學、物理變化具有重要意義。

外觀檢測包括記錄混凝土剝落、混凝土保護層脫落、混凝土外觀及開裂。其中PCI標準手冊提供了一種通過對比火災發生前后混凝土顏色變化來判斷混凝土可能達到的歷史最高溫度的方法，見表1。

表1 暴露于火災中混凝土顏色和溫度之間的相關性 單位：℃

此外，由于視覺評估具有主觀因素影響，一些研究者提出了基于光學顯微鏡與彩色圖像分析相結合以及數碼相機比色法等替代方法，并提出了暴露在火災下不同時間間隔的混凝土橋梁下翼緣顏色變化：白色、灰白色、白灰色和烏黑色。根據混凝土損傷程度，白色對應火災最嚴重的區域，烏黑色對應熱量最低的區域。這些都是表觀的顏色變化，與表1中提到的構件截面混凝土的內部顏色變化有所不同。

裂縫也是混凝土溫度效應的重要指標。混凝土梁在受拉區域的橫向裂縫可能導致強度和剛度降低，裂縫是取決于混凝土的溫度及抗壓強度的兩個獨立變量，相關研究表明開裂強度將隨著溫度的升高而線性增加。開裂的起始點和嚴重程度取決于混凝土的抗壓強度。暴露在火災下更嚴重的物理問題是發生混凝土剝落，混凝土剝落會使鋼筋直接暴露于大火中，使其更容易遭受重大的強度損失。此外，由于剝落造成的混凝土覆蓋層的損失可能使鋼筋發生腐蝕，一共有以下三種類型的剝落：局部剝落，即小塊從混凝土上剝落；中間部分從混凝土上剝落；劇烈剝落，即大塊混凝土從混凝土梁上剝落。劇烈剝落是高強度混凝土中最常見的現象，主要是由于混凝土的低滲透性和低孔隙率造成的。

通過采集混凝土樣品的核心區域進行巖相檢驗和壓縮試驗。巖相檢驗分析主要涉及混凝土在高溫下的損傷和性能變化，即微裂縫深度、黏結改變（顏色變化和強度軟化）和碳化以及試件內部核心區域的微裂縫。混凝土在加熱階段常見的外觀變化見表2。

表2 混凝土暴露于火災時的物理（外觀）變化 單位：℃

通過以上評估，可以制訂中度損壞構件或嚴重損壞構件的修復策略。混凝土修復的相關規范主要介紹了混凝土橋梁上部結構的修復技術，包括橋墩蓋、梁、甲板、路緣、人行道和軌道等，其給出了損傷評估、修復方法選擇和表面處理的相關建議。然而這些修復方法需要專門用于火災損壞的情況，因為火災損壞與其他類型有很大的不同，建議將火災發生后的混凝土外層去掉，同時在外層涂抹足夠的砂漿和防護材料對表面加強養護，同時在養護之前需要通過注入環氧樹脂對內部裂縫進行修復，從而有效地促進裂縫閉合。

3.2 預應力筋及鋼筋評估及養護

在火災損壞的預應力混凝土橋梁中，由于高溫影響，混凝土、預應力鋼絞線和低碳鋼可能會出現強度和剛度損失，這些材料的剩余強度特性被定義為加熱后冷卻回室溫后試的應力試樣，其初始溫度可達到150～250℃，此后，抗拉強度顯著下降。通過對高溫下直徑為15.2mm的鋼絞線應力狀況進行研究表明，鋼絞線失效與溫度提升速率和冷卻速率無關，且其抗拉強度在93℃時急劇下降，并在760℃時繼續下降，直至達到5%的殘余抗拉強度。當溫度降低后，預應力筋的彈性模量與溫度無關，隨著溫度的升高，彈性模量略有增加，但在接近試驗結束時，彈性模量又有所恢復。

此外，還需要對火災發生后預應力筋的性能狀況進行合理評估。上述討論提出了一些關于高溫下鋼絞線殘余強度的問題，因此必須對火災中鋼絞線達到的溫度進行評估，包裹在鋼絞線周圍的混凝土可以反映鋼絞線所承受溫度的一些特征。盡管鋼絞線周圍的混凝土溫度很高，但在高溫區域內的鋼絞線抗拉強度變化并不明顯，鋼絞線能夠將熱量從受熱區傳導到溫度較低的混凝土上，從而防止屈服應力的大幅度降低。這里提供了兩種考慮火災條件下預應力混凝土橋梁的修復策略。

（1）對火災預應力箱梁進行包裝處理。在損壞的梁周圍設置永久性的約束，以防止混凝土梁的進一步劣化和腐蝕。例如，在構件上采用環氧灌漿的鋼模板，并在其表面噴射混凝土，這種方法的缺點是增加了構件自重。

（2）水噴、預壓、預應力、后澆處理。這種方法包括適當地去除損壞的混凝土并用新混凝土來代替，在澆筑新混凝土之前，要在橋上施加垂直荷載。當預壓荷載被移除時，重新澆筑混凝土或者采用通過施加預應力的方式能達到同樣的效果。

4 結論

文章通過研究某預應力小箱梁在承受火災后的結構性能評估及修復策略，主要得出了以下結論：

（1）火災是導致橋梁結構性能劣化的重要因素之一，其可能導致橋梁材料性能破壞、結構部分或全部垮塌，從而影響橋梁正常交通功能的使用，因此有必要對火災作用后橋梁結構的使用性能進行合理評估。

（2）在火災作用下，橋梁結構的易損性及橋梁自身的重要性是影響預應力箱梁橋防火性能的主要因素，其中橋梁結構的易損性主要包括橋梁的幾何特征、建筑材料、荷載和支撐條件以及火災強度等。