预应力结构桥梁火灾后结构检测及结果分析--中国期刊网

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预应力结构桥梁火灾后结构检测及结果分析

发表时间：2021/6/4 来源：《基层建设》2021年第2期作者：颜文涛

[导读] 摘要：对桥梁火灾后的结构进行现场检测，根据检测结果进行混凝土鉴定评级、预应力钢绞线剩余性能和有效预应力的推算和结构承载能力鉴定，以判断火灾对桥梁结构承载能力的影响，并出具相应的加固处理意见，为处理类似工程提供参考。

        上海同丰工程咨询有限公司上海市宝山区 200444
        摘要：对桥梁火灾后的结构进行现场检测，根据检测结果进行混凝土鉴定评级、预应力钢绞线剩余性能和有效预应力的推算和结构承载能力鉴定，以判断火灾对桥梁结构承载能力的影响，并出具相应的加固处理意见，为处理类似工程提供参考。
        关键词：桥梁检测病害火灾鉴定安全鉴定变形无损技术状况评定
        Structural detection and result analysis of prestressed bridge after fire
        Yan Wentao
        （Shanghai Tongfeng Engineering Consulting Co，Ltd.，Baoshan District，Shanghai 200444）
        Abstract：the structure of the bridge after fire is tested on site.According to the test results，the concrete identification and rating，the calculation of residual performance and effective prestress of prestressed steel strand and the identification of structural bearing capacity are carried out，so as to judge the impact of fire on the bearing capacity of the bridge structure，and provide the corresponding reinforcement treatment opinions，so as to provide reference for the treatment of similar projects.
        Key words：bridge detection，disease identification，fire identification，safety identification，deformation，non-destructive technical condition assessment
        一．概况
        吴淞江大桥位于闵行区华翔路上，跨越吴淞江，为一座偏南北走向的29跨预应力混凝土简支+连续梁桥，桥梁全长1165.841m。全桥分东、西两幅，发生火灾的桥跨为东幅桥第29跨（即南边跨），该跨跨径为22.104m~22.845m。南边跨上部结构由7榀预应力混凝土小箱梁组成，小箱梁梁高均为1.6m，底板宽均为1.5m，边梁和中梁跨中截面分别布置有4束As15.20-5和4束As15.20-7的预应力钢绞线（共8根），混凝土设计强度为C50。该桥建于2015年，设计荷载为公路-Ⅰ级，现桥头设有总重40t限载标志牌。
        二．表观缺陷检查及分析
        2.1 火灾情况现场调查
        据初步调查得知，东幅桥南边跨桥孔于2019年1月20日下午2点30分左右发生火灾，火灾为桥下堆积的大量塑料橡胶制品及生活垃圾燃烧引起，现场火烧持续时间约为4个小时。该跨小箱梁、桥墩盖梁及桥台台帽均有火烧熏黑痕迹，局部混凝土剥落，钢筋外露，主着火点位于2#~7#小箱梁下方，着火点距离梁底为1.0m~1.8m。
        2.2 火烧后表观缺陷检查
        受火灾影响，1#小箱梁表面存在明显火烧熏黑痕迹，未见混凝土剥落、露筋等病害，2#~7#小箱梁均存在不同程度的损伤，部分小箱梁梁底及腹板混凝土大面积火烧剥落、钢筋裸露在外，最大剥落深度达60mm。对所有小箱梁用小锤敲击检查发现，部分主梁底板或腹板混凝土粉碎剥落；2、3#~7#梁间湿接带混凝土均存在不同程度的火烧损坏，部分湿接带混凝土存在大面积剥落、箍筋裸露，最大剥落深度达28.0mm（4#~5#梁间湿接带；3、部分小箱梁翼缘火烧熏黑，混凝土轻微剥落，3#~4#、4#~5#、5#~6#梁间中横隔板局部混凝土剥落；E1#桥墩盖梁南侧面于2#小箱梁下方混凝土局部火烧剥落；3#~7#小箱梁北端两侧支座火烧后橡胶开裂、过火面变质损坏。
        2.3 火灾后混凝土构件鉴定评级
        综合表观缺陷检查结果，并根据构件受灾后混凝土颜色、火灾裂缝、锤击反应、混凝土剥落程度等要素进行损伤等级的评定，该桥跨因受火灾影响，3#~7#小箱梁损伤等级为Ⅲ级，属中度烧灼尚未破坏状态，应采取加固或更换措施；2#小箱梁和E1#桥墩盖梁损伤等级为Ⅱb级，属轻度烧灼，应采取提高耐久性或局部处理和外观修复措施；1#小箱梁损伤等级为Ⅱa级，属轻微烧灼，可不采取措施或仅采取提高耐久性的措施。
        2.4 火灾后预应力钢绞线剩余性能和有效预应力的推算
        火灾发生时，混凝土表面受烧灼作用，表面温度会持续升高，内部温度也会逐渐上升，内部钢绞线在高温下，其强度、弹性模量等性能将下降，预应力也将因钢绞线的高温徐变作用而出现损失，当混凝土表面温度过高时，混凝土将发生爆裂剥落，一旦剥落深度达到或超过钢绞线的保护层厚度，内部钢绞线将出现裸露，其将受到火焰的直接烧灼，钢绞线的剩余性能及有效预应力均呈加速下降趋势，这将严重影响上部结构主梁的承载能力，为定量分析受灾后主梁的承载能力，必须对主梁钢绞线的剩余性能和有效预应力进行推算。
        因火灾后评定等级为Ⅱa级和Ⅱb级的1#、2#小箱梁和E1#桥墩盖梁仅受轻度灼伤或未直接遭受烧灼作用，未对结构材料及结构性能产生明显影响，故本次仅对火烧后评定等级为Ⅲ级的小箱梁进行钢绞线的剩余性能和有效预应力推算。
        2.4.1 火灾后预应力钢绞线剩余性能推算

        图1 跨中断面小箱梁钢束位置（单位：mm）
        根据竣工图纸可知，小箱梁内设有N1~N4四种钢束类型（见图1），其中N3、N4钢束中心至梁底最小距离均为0.1m，N1、N2钢束中心至腹板最小距离均为0.95m。本次推算钢束处温度时，完好处保护层厚度用设计值，钢束距受火面的距离还将扣除混凝土的剥落深度。根据火灾时小箱梁混凝土表面最高温度已超过800℃，推断该次火灾极端高温下持续燃烧时间约为60min，推算出火烧桥跨损伤等级为Ⅲ级主梁预应力钢绞线的最高温度及剩余性能，损伤等级为Ⅲ级的主梁钢绞线性能受火灾影响较大，与主梁完好状态相比，火灾后预应力钢筋的剩余强度为84%~99%，剩余弹性模量为83%~95%，两者均有明显降低。
        2.4.2 火灾后钢绞线有效预应力推算
        火灾时预应力钢绞线的预应力松弛主要由预应力钢绞线的短期高温徐变所造成，钢绞线的短期高温徐变曲线是通过钢筋在高温状态时的徐变试验得出，钢筋先在试验炉内加热至预定温度（200℃~600℃），并维持恒温，使其充分膨胀，再很快的施加应力（

=0.2~0.8），随即在保持恒温（±0.5℃）和定应力（±0.5MPa）情况下测定试件的徐变。
小箱梁预应力钢绞线的张拉控制应力为1395MPa，标准抗拉强度为1860MPa，应力水平为0.75倍标准抗拉强度，损伤等级为Ⅲ级小箱梁，火灾时最严重主梁预应力钢绞线的最高温度约为360℃，钢绞线的徐变最接近于温度为400℃、

=0.6的预应力钢绞线的短期高温徐变曲线，由徐变曲线可知火烧约60min后，火烧严重的主梁预应力钢筋的高温徐变约为1.75×10-3，可以推出预应力损失约为341MPa，火灾引起的预应力损失约为24.4％。
        综上所述，损伤等级为Ⅲ级小箱梁，火灾时受火区主梁预应力钢筋的最高温度为360℃，其抗拉强度降低最高为16%，弹性模量降低最高为17%，预应力损失约为24.4%。
        三．混凝土结构无损检测结果与分析
        3.1 主梁上拱度检测
        对全部小箱梁梁底两端、四等分处及跨中进行相对标高检测，从而得到各小箱梁跨中实际上拱度。3#、4#和7#小箱梁（损伤等级均为Ⅲ级）跨中梁底均出现下挠，其中4#小箱梁最大下挠量为56mm，表明火烧对上述主梁跨中挠度产生了一定影响。
        3.2 混凝土保护层厚度检测
        本次抽检的混凝土保护层厚度检测已避开火烧灼伤、露筋的区域，抽检7榀小箱梁钢筋混凝土保护层厚度平均值为34.8mm~41.8mm；抽检的3#~4#小箱梁间湿接带钢筋保护层厚度平均值为33.4mm；抽检的4#~5#小箱梁间湿接带钢筋保护层厚度平均值为45.5mm；E0#桥台保护层厚度平均值为33.0mm，E1#桥墩盖梁保护层厚度平均值为33.2mm，均满足设计要求。
        3.3 混凝土碳化深度检测
        对部分构件混凝土剥落处混凝土碳化深度进行检测，发现混凝土的碳化深度较小，混凝土剥落处预应力筋保护层厚度有明显削减，随着时间的推移，碳化深度将逐渐增大，预应力钢筋也将失去混凝土碱性保护，面临被锈蚀的风险。
        3.4 混凝土强度无损检测
        由于本桥混凝土龄期已超出1000天，且上下部结构已受火灼烧，其回弹检测结果仅供参考。对混凝土火烧灼伤剥落区域回弹测试前先进行整体打磨，抽检上部结构混凝土强度推定值均大于60MPa，抽检的E0#桥台混凝土强度推定值为41.6MPa，抽检的E1#桥墩盖梁混凝土强度推定值为42.4MPa，均满足设计要求。
        四．火灾后小箱梁承载能力鉴定
        该桥火烧桥跨有多榀主梁评定为Ⅲ级受损，对该部分小箱梁进行验算时，考虑其预应力钢绞线的抗拉强度降低最高为16%，弹性模量折减17%，预应力按损失24.4%。目前东幅桥南边跨上部结构预应力混凝土小箱梁承载能力仍能满足原设计荷载公路-Ⅰ级的安全承载要求，但其承载能力安全储备系数存在明显降低。
        五．火烧桥跨技术状况评定
        对吴淞江大桥东幅桥南边跨火烧后的技术状况进行评级，其上部结构评定等级为4类，并根据规范要求，当主要部件评分达到4类或5类且影响桥梁安全时，可按照桥梁主要部件最差的缺损状况评定，故该桥跨技术状况总体评定为4类（主要构件有大的缺损，严重影响桥梁使用功能；或影响承载能力，不能保证正常使用）。
        六．根据检测结果提出的维修处理建议
        受火灾影响，该桥跨3#~7#小箱梁混凝土严重剥落，钢筋裸露，损伤评定为Ⅲ级，中度烧灼尚未破坏，显著影响结构材料或结构性能，明显变形或开裂，对结构安全或正常使用产生不利影响，建议尽快对该跨小箱梁予以维修加固，以确保安全。若条件允许，亦可直接采用换梁（3#~7#梁）的方式予以处理。
        主要维修加固措施建议如下：
        1）采用自流平混凝土将小箱梁梁底受损剥落部位补平，并在2#~7#小箱梁底部增设预应力碳板进行加固。
        2）采用专用修补砂浆修补小箱梁腹板、湿接带及翼缘破损部位。
        3）在湿接带混凝土剥落区域采用粘贴钢板的方法予以局部补强。
        参考文献：
        [1]过镇海、时旭东著《钢筋混凝土的高温性能及其计算》科学出版社 2001
        [2]董毓利著《混凝土结构的火安全设计》科学出版社 2001
        [3]《火灾后建筑结构鉴定标准》（CECS 252：2009），中国工程建设协会 2009
        [4]《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004），中华人民共和国交通部，2004
        [5]《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011），中华人民共和国交通运输部 2011
        [6]《嘉闵高架路（北翟路~G2）及地面道路新建工程》（上海市城市建设设计研究总院）2012