預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋過(guò)火后破壞模式

甘亮丁 王力波 郝朝偉

(1.廣東梅平高速公路有限公司 廣東梅州 514700; 2.吉林省交通科學(xué)研究所吉林長(zhǎng)春 130021; 3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 北京 100088)

預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋是國(guó)內(nèi)最廣泛使用的橋梁類(lèi)型之一，因其卓越的力學(xué)性能和便捷的建造工藝而在江、河、峽谷等各種地形中得到廣泛應(yīng)用。近幾十年來(lái)，我國(guó)交通行業(yè)迅速發(fā)展，橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)不可或缺的組成部分，一旦受到損害，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)交通系統(tǒng)癱瘓，尤其是在城市交通系統(tǒng)中，造成的損失是不可估量的。火災(zāi)通常被定義為由不可控制的時(shí)間和空間內(nèi)的燃燒所引發(fā)的災(zāi)害或損害[1]。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的提高，社會(huì)財(cái)富的不斷增加，火災(zāi)損失的上升和火災(zāi)威脅范圍的擴(kuò)大是一個(gè)客觀趨勢(shì)。現(xiàn)實(shí)表明：火災(zāi)是當(dāng)今世界上發(fā)生頻率較高的多發(fā)性災(zāi)害之一[2-3]，也是時(shí)間和空間跨度最廣泛的災(zāi)害之一。美國(guó)紐約和加利福尼亞州的交通運(yùn)輸部于2008 年進(jìn)行了一項(xiàng)橋梁坍塌事故的調(diào)查，匯總了1 746起橋梁事故垮塌的案例。研究結(jié)果揭示了一個(gè)顯而易見(jiàn)的事實(shí)：火災(zāi)是導(dǎo)致橋梁坍塌事件發(fā)生的原因之一，其發(fā)生率是地震導(dǎo)致橋梁坍塌事件的3倍多。這一高比例迫切凸顯了對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究的重要性和必要性。

隨著科技進(jìn)步和生產(chǎn)技術(shù)提升，我國(guó)公路和鐵路建設(shè)中，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的質(zhì)量和數(shù)量持續(xù)提高。另一方面，隨著生活水平的改善，截至2019年6月，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)總數(shù)已達(dá)3.4億輛[4]，并保持7%左右的年增長(zhǎng)率，燃料和危險(xiǎn)品運(yùn)輸也日益頻繁。另外，近年來(lái)我國(guó)大力發(fā)展新能源汽車(chē)，新能源汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為汽車(chē)行業(yè)的新向?qū)А５?019 年6 月，我國(guó)新能源汽車(chē)存量已達(dá)344萬(wàn)輛，占總數(shù)的1.37%。與此同時(shí)，新能源汽車(chē)的事故率也不斷上升，僅2019年前8個(gè)月，我國(guó)新能源汽車(chē)就發(fā)生40多起燃燒事故。此外，某些地區(qū)居民常在公路橋洞下堆積易燃物，或從事較危險(xiǎn)的社會(huì)活動(dòng)（如市場(chǎng)等）。由于這些不利因素，橋梁火災(zāi)發(fā)生率逐年上升，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成不可忽視的損害，甚至導(dǎo)致部分或完全坍塌，給橋梁管理和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大壓力。根據(jù)國(guó)內(nèi)2012—2015年部分橋梁火災(zāi)案例統(tǒng)計(jì)[2]，混凝土梁橋占事故總數(shù)90%以上，主要是預(yù)應(yīng)力混凝土橋。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者專(zhuān)注于研究預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的獨(dú)特特性，開(kāi)展了較多的抗火研究，多集中于材料性能熱工性能，有效預(yù)應(yīng)力損失機(jī)理、縮尺后構(gòu)件抗火試驗(yàn)及整橋數(shù)值模擬分析。本文結(jié)合在役橋梁真實(shí)過(guò)火后的材料性能試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究過(guò)火后預(yù)應(yīng)力混凝土梁破壞機(jī)理，以期為此類(lèi)橋梁的抗火實(shí)用設(shè)計(jì)方法及其維修加固等后續(xù)養(yǎng)護(hù)提供決策依據(jù)。

1 工程概況

空心板半平面圖及配筋示意圖如圖1和圖2所示，混凝土強(qiáng)度C50，底板14根鋼束，有效長(zhǎng)度詳如表1所示，每根預(yù)應(yīng)力鋼束型號(hào)為6ΦJ15.2，凈保護(hù)層厚度為49.4 mm。根據(jù)外觀檢測(cè)結(jié)果，空心板梁腹板損傷較輕，火災(zāi)過(guò)程中未受火源直接灼燒，抗剪承載能力幾乎未受影響。

圖1 空心板半平面圖和半立面圖

圖2 空心板配筋圖

2 材料參數(shù)

利用頻率法測(cè)試過(guò)火后空心板有效預(yù)應(yīng)力。頻率法測(cè)鋼絞線（索）永存應(yīng)力的主要因素是邊界和抗彎剛度。為減小這些影響，對(duì)選取的鋼絞線進(jìn)行兩次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試時(shí)，鋼絞線長(zhǎng)度L為1.1 m，然后從梁板上取下并用拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，以修正現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 （單位：MPa）

按照相關(guān)文獻(xiàn)的要求，進(jìn)行橋梁上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度和彈性模量試件的現(xiàn)場(chǎng)取樣工作。芯樣尺寸為直徑70 mm、高度70 mm的圓柱形試樣，長(zhǎng)徑比為1.0。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 （單位：MPa）

鋼絞線力學(xué)性能的試驗(yàn)按照《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》（GB/T 21839-2019）[5]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，取樣長(zhǎng)度l=0.5 m。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 鋼絞線屈服強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（單位：MPa）

鋼筋的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量等性能都可以通過(guò)拉伸試驗(yàn)獲得，拉伸試驗(yàn)按照《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1 部分:室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1-2021）[6]進(jìn)行。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)取樣長(zhǎng)度l=400 mm，測(cè)試結(jié)果如表5 所示。由表5可知，光圓鋼筋（箍筋）強(qiáng)度略有提高，2#梁光圓鋼筋強(qiáng)度相對(duì)于1#梁略有提高。

表5 光圓鋼筋拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（單位：MPa）

通過(guò)材質(zhì)試驗(yàn)知，因1#、2#梁箍筋強(qiáng)度變化很小，導(dǎo)致破壞模式不同的原因主要是以下4 個(gè)方面：有效預(yù)應(yīng)力、受拉區(qū)混凝土強(qiáng)度、鋼絞線強(qiáng)度及鋼筋（鋼絞線）與混凝土黏結(jié)力。擬通過(guò)數(shù)值模擬深入分析。

3 有限元模型

利用大型通用有限元軟件ANSYS 10.0 建立過(guò)火后空心板模型，采用SOLID65 單元模擬過(guò)火后混凝土力學(xué)行為，LINK8單元模擬過(guò)火后的鋼筋及鋼絞線（與混凝土的黏結(jié)滑移未考慮，預(yù)應(yīng)力通過(guò)降溫施加）的力學(xué)行為。混凝土應(yīng)力-應(yīng)變模型采用隨動(dòng)硬化法，用于非線性分析。張開(kāi)裂縫剪切傳遞系數(shù)為0.7，閉合裂縫系數(shù)為0.95，均基于經(jīng)驗(yàn)和試算。單軸應(yīng)力-應(yīng)變綜合了Hognestad 和GB 50010-2010 標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)火后鋼絞線采用BISO 模型考慮強(qiáng)化效應(yīng)。普通鋼筋以固定配筋率分布到混凝土單元中，避免應(yīng)力集中。加載點(diǎn)和支座處彈性模量為混凝土的100倍。六面體映射網(wǎng)格劃分，總計(jì)5 918個(gè)單元和8 266個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究[7-9]可知：預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模量小于700 ℃時(shí)，變化不大，當(dāng)達(dá)800 ℃以后，有所下降，試驗(yàn)梁保護(hù)層厚度3 cm，能夠?qū)︿摻g線起到較好保護(hù)作用，確保在1 000 ℃溫度場(chǎng)中，鋼絞線溫度低于800 ℃，即高溫冷卻后鋼絞線彈性模量基本不降低，實(shí)測(cè)高溫后的彈性模量同樣也證明鋼絞線彈性模量基本不變。有研究表明：鋼絞線高溫后有限預(yù)應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度均與過(guò)火溫度呈正相關(guān)，均隨著過(guò)火溫度升高而降低或減少[10-11]。綜合以上因素，采用計(jì)算工況如表6 所示，表中混凝土抗拉強(qiáng)度采用與立方體抗壓強(qiáng)度回歸公式換算而來(lái)。

表6 計(jì)算工況 （單位：MPa）

4 機(jī)理分析

提取各工況接近破壞時(shí)的主拉應(yīng)力及鋼絞線應(yīng)力結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

接近破壞時(shí)，工況A 和工況D 在四分之一跨的主拉應(yīng)力小于跨中；工況B 和C 四分之一跨處的主拉應(yīng)力與跨中基本接近，尤以工況C 四分之一跨處應(yīng)力梯度更為明顯，極易導(dǎo)致裂縫寬度加大。對(duì)比工況A 和D 知，受拉區(qū)混凝土強(qiáng)度降低不是造成空心板過(guò)火后抗彎承載能力破壞機(jī)理改變的主要原因；接近破壞時(shí)，工況A 和工況B 的鋼絞線均已屈服，但工況B 鋼絞線屈服強(qiáng)度僅為工況A 的76.3%，所提供于彎剪區(qū)的軸壓力降低明顯，嚴(yán)重降低抗剪承載力。對(duì)比工況A、B、C 可知，造成破壞機(jī)理改變的主要原因是有效預(yù)應(yīng)力減少和鋼絞線強(qiáng)度降低。有效預(yù)應(yīng)力降低或鋼絞線提前屈服，導(dǎo)致能阻滯斜裂出現(xiàn)和開(kāi)展的軸壓力降低，減少了混凝土剪壓區(qū)高度，從而降低混凝土所承擔(dān)的抗剪能力；混凝土的斜裂縫長(zhǎng)度有所縮短，也降低了斜裂縫內(nèi)箍筋的抗剪能力。

5 結(jié)語(yǔ)

以在役高速公路橋梁真實(shí)受火后拆除的預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁為樣本，對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析，研究了先張法預(yù)應(yīng)力空心板過(guò)火后破壞模式，結(jié)論如下：（1）隨著火災(zāi)灼燒程度的加重，預(yù)應(yīng)力空心板梁發(fā)生剪切破壞的概率較純彎破壞逐漸增大；（2）有效預(yù)應(yīng)力及鋼絞線強(qiáng)度的降低是造成過(guò)火后空心板破壞模式改變的主要原因；（3）先張法預(yù)應(yīng)力空心板過(guò)火后評(píng)估應(yīng)采取有效手段測(cè)試有效預(yù)應(yīng)力，以便準(zhǔn)確計(jì)算剩余承載能力。