公路橋梁火災后檢測評定及加固策略研究

張新剛 劉后祥 閃志宇

摘要：公路橋梁作為交通網絡的關鍵組成部分，其安全性對于保障人民生命財產安全和社會經濟活動的順暢運行至關重要。然而，橋梁在遭受火災等災害時，其結構完整性和功能性往往受到威脅。本研究分析了火災對橋梁結構材料的熱學影響和結構完整性的潛在損害，重點關注鋼材和混凝土在高溫下的性能變化。詳細討論了非破壞性檢測技術如聲波檢測和紅外熱成像以及結構健康監測系統在橋梁安全評估中的應用。探討了損傷評估模型，特別是計算模擬在理解火災影響方面的作用。在加固與修復策略方面，本文著重于材料選擇、設計方法和施工技術，強調了在實施過程中的安全和環境考量，并提出相關建議。

關鍵詞：橋梁安全；災后恢復；結構健康監測

引言

公路橋梁作為交通網絡的關鍵組成部分，承擔著連接不同地理區域、促進經濟與文化交流的重要任務，不僅是物理結構，更是社會經濟活動的重要支撐。橋梁通過跨越河流、山谷、道路或其他障礙，有效縮短了旅行時間，提高了交通效率，對于維持地區間的經濟活動和社會交往具有不可替代的作用。例如，在城市地區，橋梁有助于緩解交通擁堵；在偏遠地區，常常是連接偏遠地區與外界的唯一途徑。

鑒于火災對公路橋梁潛在的影響，加強橋梁火災后檢測評定和加固策略研究顯得尤為重要。這不僅涉及到橋梁的結構完整性和使用壽命，也關系到公共安全和社會經濟穩定。因此，深入研究火災對橋梁的具體影響、評估現有的檢測和評定方法以及探索有效的加固策略，對于確保公路橋梁的安全運營和服務功能的持續性具有重要意義。

一、火災對橋梁結構的影響

（一）熱學影響：材料的熱膨脹和強度下降

火災是一種極端的熱事件，它對橋梁結構材料的影響主要體現在熱學性質的改變上。橋梁結構通常由鋼材、混凝土等材料構成，這些材料在高溫環境下物理和化學特性會發生顯著變化。

（二）鋼材的熱影響

鋼材是公路橋梁常用材料，具有良好的強度和韌性。然而，在火災中，鋼材的強度和剛度會隨溫度的升高而明顯下降。一般情況下，溫度達到600°C左右時，鋼材的屈服強度會下降到室溫時的一半左右。溫度繼續升高，鋼材的強度將進一步降低，最終導致結構變形或崩塌。此外，鋼材在高溫下會發生熱膨脹，這種不均勻膨脹可能導致局部應力集中，加劇結構損傷。

（三）混凝土的熱影響

混凝土在高溫下的行為更為復雜。隨著溫度升高，混凝土內部的水分開始蒸發，產生蒸汽壓力，可能導致爆裂和剝落。此外，混凝土的化學結構也會發生改變，如碳酸鈣分解，進一步減弱了其結構完整性。在極端情況下，混凝土會失去大部分承載能力，導致嚴重的結構損傷。

二、檢測與評定方法

在火災發生后，及時、準確評估橋梁的結構安全性至關重要。這不僅涉及到橋梁的迅速恢復和再利用，也關系到公眾安全。現代技術提供了多種檢測和評定方法，從非破壞性檢測技術到復雜的結構健康監測系統，再到基于計算的損傷評估模型，這些方法各有其特點和應用場景。

（一）非破壞性檢測技術

非破壞性檢測（NDT）技術在評估橋梁結構完整性，尤其是在火災后的損傷評估中發揮著至關重要的作用。其中，聲波檢測和紅外熱成像是兩種關鍵技術。聲波檢測技術，特別是超聲波檢測，利用聲波在材料中的傳播特性來評估結構的完整性。可以通過分析超聲波在材料中的傳播速度和衰減情況，確定材料內部的裂縫、空洞和其他缺陷。超聲波檢測對于檢測混凝土和金屬結構中的內部損傷尤為有效，能夠精準識別和定位結構損傷。紅外熱成像技術通過檢測材料表面的溫度分布來識別結構中的異常區域。紅外熱成像提供即時的視覺和定量數據，幫助工程師迅速判斷哪些區域需要進一步深入檢查[1]。

（二）結構健康監測

結構健康監測（SHM）是一種先進、動態的檢測方法，通過使用各種傳感器技術來持續監測橋梁的實時狀態。這種方法不僅能夠提供即時的結構信息，還能幫助預測和預防潛在的結構問題。

SHM系統的核心在于其傳感器技術。這些系統通常包括應變計、加速度計、位移傳感器等多種類型的傳感器，它們協同工作，實時收集橋梁的應力、應變、振動等關鍵數據。例如，應變計能夠測量材料在受力時的變形程度，這對于評估材料的應力狀態和潛在的疲勞損傷至關重要。加速度計則用于監測橋梁的動態響應，包括由交通荷載或自然因素（如風或地震）引起的振動。而位移傳感器則能監測橋梁結構的整體位移和變形，從而評估結構的整體穩定性[2]。

通過對這些數據的持續監控和分析，工程師可以及時發現結構性能的任何異常變化。這種早期發現對于預防進一步損傷和確保橋梁的長期安全運行至關重要。例如，通過監測和分析數據，可以在小的裂縫擴展成嚴重損傷之前對其進行修復。同樣，通過識別由環境因素或交通荷載引起的非常規振動，可以及時調整維護策略或實施加固措施[3]。

（三）計算模擬

計算模擬是評估火災對橋梁結構影響的核心方法之一。通過模擬不同火災場景，如溫度分布、持續時間和火源位置，工程師可以詳細評估結構在火災條件下的響應和潛在的損傷程度。這種模擬通常采用有限元方法（FEM），這是一種強大的數值分析工具，能夠模擬和分析復雜結構在各種負載和條件下的行為。在進行火災模擬時，會考慮多種因素，包括材料的熱響應、熱膨脹、強度降低和任何與火災相關的化學變化。例如，對于鋼結構橋梁，模擬將考慮高溫下鋼材強度的下降和熱膨脹對整體結構穩定性的影響。對于混凝土橋梁，模擬將考慮高溫導致的混凝土裂縫、水分損失和結構劣化[4]。

三、加固與修復策略

（一）材料選擇

在火災后對橋梁進行修復時，選擇合適的加固材料是一個關鍵且具有決定性的步驟，它不僅直接影響加固效果，還決定橋梁未來的性能和耐用性。首先，進行適用性評估非常必要，這包括考慮材料的機械性能、與原有結構的兼容性以及對環境因素（如耐腐蝕性和耐候性）的適應能力。例如，如果橋梁主要由鋼結構組成，選用的加固材料應具有與鋼材相匹配的熱膨脹系數，以避免溫差引起的額外應力。此外，考慮到橋梁已遭受火災，選用具有優良耐火性能的材料顯得尤為重要。這可能包括使用耐高溫的混凝土配方、應用耐火涂料，或采用在高溫環境下性能穩定的合成材料，這些措施將有助于在未來類似事件中提供更好保護，并減輕結構損傷[5]。

（二）設計原則

加固設計的核心目標是恢復或提升橋梁的承載能力，同時考慮到未來可能的荷載和環境變化。首先，設計重點在于恢復橋梁原有的承載能力，這常常涉及到對受損區域的加固工作，如應用加固板、加固梁或預應力技術，以增強受損部分的承載力。在進行這些加固措施時，還需細致考慮加固材料與原結構之間的力學關系，確保整體結構的一致性和協調性。此外，在某些情況下，可能不僅要恢復原有承載力，還需提升橋梁的承載能力，以適應未來可能增加的交通流量或其他變化的使用條件。這可能要求進行更為復雜的結構重設計和加固。例如，引入額外的支撐結構或采用新型高性能材料，從而確保橋梁在未來的穩定運作和安全性。

（三）實施過程

1.施工計劃與管理

施工計劃與管理是橋梁加固和修復工程的關鍵，它要求項目團隊進行詳盡的規劃和有效的協調。這個階段包括制定全面的施工計劃，涵蓋施工的各個階段、材料和資源配置以及精確的時間安排。項目管理的有效性不僅體現在工程按計劃進行，還在于對突發情況的應對能力。此外，工程的成功也依賴于各參與團隊（包括設計師、工程師、施工人員）之間的順暢溝通，確保每個環節都有明確的目標和認識[6]。

2.施工技術與方法

選擇適當的施工技術和方法對于確保加固工作的成功至關重要。這包括根據橋梁具體結構和損傷狀況挑選合適的加固技術，并保證這些技術在現場得到有效執行。在某些特殊情況下，如面對難以接近的損傷區域或需要最小化交通干擾時，創新的施工方法變得尤為重要。這可能涉及使用高級機械設備、特別的材料處理技術或實施特殊施工程序，以應對這些挑戰[7]。

3.加固與修復的具體措施

首先，建議對公路橋梁進行定期檢測和維護，特別是在易受火災等災害影響的地區，通過應用先進的結構健康監測技術如實時傳感器和非破壞性檢測方法，可及早發現并防止潛在問題。其次，建議建立和完善橋梁火災后的應急響應和恢復計劃，以確保在發生火災時能迅速評估損害并迅速采取行動，同時制定有效的恢復和重建計劃，以確保最小化時間和經濟成本。此外，對工程師、施工人員和相關管理人員進行專業培訓至關重要，以提高他們對火災后橋梁評估和修復的認識和技能，同時加強高風險地區居民的安全意識和知識。為提高橋梁的耐火性能和抗災能力，鼓勵和支持新材料、新技術研發，同時開發更高效的損傷評估和修復技術，以減輕火災對公路橋梁的長期影響[8]。最后，制定和實施相關政策和法規至關重要，確保橋梁的設計、建造和維護符合安全標準，尤其是在火災風險較高區域，應實施更嚴格的規范和標準。通過這些措施，可以顯著提升公路橋梁在面對火災等災害時的安全性和恢復力。

結語

本文綜合探討了火災后公路橋梁的檢測評定及加固策略，深入分析橋梁在火災后的損傷程度、評估方法和加固修復的關鍵步驟。通過這項研究，我們可以更好理解火災對公路橋梁的影響以及如何有效評估和加固受損的橋梁結構。突出火災對橋梁材料的熱學影響和結構損傷，指出了火災對橋梁結構完整性的潛在威脅。通過詳細分析如聲波檢測和紅外熱成像等非破壞性檢測技術以及結構健康監測系統，提供了有效的方法來評估火災后橋梁的安全狀況。此外，還討論了損傷評估模型的重要性，強調了計算模擬在理解火災對橋梁影響方面的作用。在加固與修復策略方面，著重討論了材料選擇、設計方法以及實施過程中的策略和挑戰。強調了選擇適當加固材料的重要性，并探討了如何設計加固方案以恢復或提升橋梁的承載能力。同時，分析了現場施工的策略和挑戰，包括施工計劃與管理、施工技術與方法以及安全與環境影響。未來，我們期待著這些策略和建議的實施，不僅能增強橋梁的安全性和耐久性，也能促進基礎設施安全管理領域的進步。

參考文獻

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[8]智韶宇.在役橋梁火災損傷檢測及評價.河北高速公路集團有限公司京秦分公司，2022-05-06.