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《中國(guó)公路學(xué)會(huì)養(yǎng)護(hù)與管理分會(huì) 第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集》 論文精選 
近年來,，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大,，橋梁火災(zāi)事故日益增多。由于橋梁發(fā)生火災(zāi)后,，容易造成巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失，以及阻斷交通,、影響出行等帶來的間接經(jīng)濟(jì)損失,，因此火災(zāi)后橋梁如何能夠快速檢測(cè)與維修加固，將損失降到最低,，已成為廣大學(xué)者與技術(shù)工程師關(guān)心的重點(diǎn),。針對(duì)橋梁受到火災(zāi)后的處理方法，長(zhǎng)期以來主要靠主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷,，沒有明確規(guī)范規(guī)定,。一般的方法是對(duì)橋梁（梁板）進(jìn)行拆除重建或更換，而受火不嚴(yán)重的梁板可考慮加固利用,，以提高經(jīng)濟(jì)效益,。本文結(jié)合四川綿陽市境內(nèi)某國(guó)省干道梁板受火實(shí)例，運(yùn)用火災(zāi)中鋼筋混凝土破壞機(jī)理,，研究火災(zāi)后橋梁設(shè)計(jì)加固方案,。其研究?jī)?nèi)容可為類似橋梁火災(zāi)后設(shè)計(jì)加固提供有益參考。受火橋梁位于四川省綿陽市境內(nèi)國(guó)道干線上,，于1998年建成通車,。改橋上部結(jié)構(gòu)為3×16m先張法簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，空心板梁高0.75m,，每跨橫向布置22片,，其中4片邊板,，18片中板，沒塊中板寬1.0m,，邊板1.25m,；下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩臺(tái)，墩臺(tái)身直徑為1.4m,，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ),，直徑均為1.5m。橋面為雙向四車道,，全寬23m,，全長(zhǎng)51.74m。橋面鋪裝為10cm厚C40混凝土+6cm厚AC-20C瀝青砼+4cm厚AC-13C瀝青砼,。設(shè)計(jì)荷載：汽-20,，掛-100。2017年4月19日下午7時(shí)左右,，由于橋下廢品回收倉庫發(fā)生火災(zāi),，著火時(shí)間約為2小時(shí)，火災(zāi)使主梁底板,、下部結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?zé)?，見圖1。為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全,，對(duì)本橋進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)加固研究,。
橋梁火災(zāi)后病害檢測(cè)結(jié)果及分析 根據(jù)專業(yè)檢測(cè)報(bào)告，得知橋梁主要外觀病害如下：（1）綿陽側(cè)第一跨空心板板底混凝土普遍剝離,、空洞,、松散、麻面,，鋼筋外露,，局部預(yù)應(yīng)力筋外露。第二跨空心板被火熏狀況明顯,，存在安全隱患,。（2）1#墩受火側(cè)混凝土大面積剝落、開裂,，并露出鋼筋,。（3）發(fā)生火災(zāi)的第一跨橋面瀝青混凝土有明顯的乳化、軟化過程,。橋面過火區(qū)域集中在綿陽側(cè)第一跨整幅范圍內(nèi),，損傷嚴(yán)重區(qū)域主要集中在1#墩至0#墩橋臺(tái)之前，離0#橋臺(tái)約2m距離。該跨在14m范圍內(nèi)損傷最為嚴(yán)重,?；鹧婕袇^(qū)或高溫集中區(qū)（殘留物的區(qū)域內(nèi)）混凝土嚴(yán)重?zé)g，形成大面積的坑洞,，其中部分空心板底被燒至露出預(yù)應(yīng)力鋼筋,。周邊區(qū)域混凝土表面有黑煙或麻點(diǎn)，表面產(chǎn)生細(xì)小但不是很密集的網(wǎng)狀龜裂現(xiàn)象,。綜上所述,，該橋上部主要承重構(gòu)件為5類部件（梓潼岸第三跨未見明顯病害），1#橋墩為4類部件,，且混凝土構(gòu)件在高溫灼烤下脆性增大,，剛度減小，承載力降低,，綜合以上因素評(píng)定該橋?yàn)?類橋,。火災(zāi)發(fā)生后，在一段時(shí)間內(nèi)溫度隨時(shí)間不斷升高,，混凝土與鋼筋粘結(jié)力在高溫下逐漸減弱,，最終變形脫離，材料強(qiáng)度發(fā)生折減,，承載能力下降,。目前國(guó)際上存在許多火災(zāi)升溫曲線，我國(guó)應(yīng)用最廣泛的火災(zāi)升溫曲線是ISO-834標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線,，其計(jì)算公式（1）如下：
式中：T —標(biāo)準(zhǔn)溫度（℃）,；T0—環(huán)境溫度（℃）；t—火災(zāi)經(jīng)歷時(shí)間（min）,。（二）火災(zāi)時(shí)混凝土強(qiáng)度折減特點(diǎn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)混凝土強(qiáng)度的降低主要取決于受火構(gòu)件溫度的高低。溫度從0℃~300℃變化時(shí),，混凝土強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),，這個(gè)現(xiàn)象被稱為拮抗效應(yīng)，是因?yàn)榛炷林形幢皇旎乃嗍艿礁邷刈饔?，繼續(xù)發(fā)生水化熱發(fā)應(yīng),。當(dāng)混凝土溫度達(dá)到300℃~800℃時(shí)，強(qiáng)度基本呈直線下降,。當(dāng)混凝土溫度達(dá)到800℃,，其組成材料中的水泥料完全失去水分，同時(shí)會(huì)伴隨著收縮裂縫的出現(xiàn),，強(qiáng)度變?yōu)榱?。?dāng)溫度到達(dá)800℃~1000℃時(shí)，混凝土開始融化。對(duì)混凝土在溫升過程中強(qiáng)度隨溫度變化的曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化,，如圖,、式所示。當(dāng)混凝土溫度低于300℃時(shí),，其強(qiáng)度與常溫強(qiáng)度相同,；溫度在300~800℃時(shí)，混凝土的強(qiáng)度取常溫時(shí)的一半,；當(dāng)混凝土的溫度達(dá)到800℃時(shí),，其強(qiáng)度為零。
式中：f c為混凝土的常溫強(qiáng)度,；ftc為混凝土的高溫強(qiáng)度,。 
高溫混凝土的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)強(qiáng)度
（三）火災(zāi)時(shí)鋼筋強(qiáng)度折減特點(diǎn)普通鋼筋在高溫下的抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而不斷降低，受火鋼筋強(qiáng)度的變化與鋼筋品種有關(guān),。對(duì)于普通熱軋鋼筋,，當(dāng)溫度小于300℃時(shí)，其屈服強(qiáng)度降低不到10%,，而當(dāng)溫度升高到600℃時(shí),，其屈服強(qiáng)度降低到50%，屈服臺(tái)階也隨溫度的升高而逐漸消失,。鋼筋的彈性模量隨溫度的升高而不斷降低,。如圖、式所示,，高溫下鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度呈三折線模型：
式中：f y為鋼筋的常溫強(qiáng)度,；fty為鋼筋的高溫強(qiáng)度 
鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度，主要是由鋼筋與混凝土間的摩擦力,、鋼筋與水泥膠體間的膠結(jié)力,、鋼筋與混凝土表面的機(jī)械咬合力組成。一方面,，高溫下混凝土的膨脹系數(shù)比鋼筋小,，鋼筋受到混凝土的換向擠壓，使鋼筋與混凝土之間的摩擦力增大,；另一方面,，混凝土的抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而顯著降低，從而降低混凝土與鋼筋之間的膠結(jié)力,。混凝土橋梁遭遇火災(zāi)后,，針對(duì)火災(zāi)程度及橋梁結(jié)構(gòu)的不同，有不同的加固方法,，較為常見的方法有：增大截面法,、外粘型鋼加固法,、粘貼纖維復(fù)合材料加固法、水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固法,、體外預(yù)應(yīng)力和置換法增大截面加固法是以增大混凝土結(jié)構(gòu)截面面積,，來提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固方法，適用于鋼筋混凝土受彎和受壓構(gòu)件的加固,。該方法不僅可以提高被加固構(gòu)件的承載力,，而且還可以增加截面剛度，使結(jié)構(gòu)的性能在一定程度上得到提高,。外粘型鋼加固法是指在混凝土構(gòu)件四周外包型鋼提高承載力的一種加固方法,。該方法利用外包型鋼對(duì)混凝土產(chǎn)生約束作用，是混凝土處于三向受壓狀態(tài),，可以大幅度提高混凝土構(gòu)件的承載能力,。外貼碳纖維加固技術(shù)（CFRP）是近年來廣泛使用的一種加固技術(shù)，通過將碳纖維片材貼于鋼筋混凝土構(gòu)件的表面,，來改善結(jié)構(gòu)的受力性能,。由于CFRP的極限拉應(yīng)力變很大，所以加固后在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下鋼筋的拉應(yīng)力不應(yīng)超過鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,，以免原鋼筋過早屈服,。（四）水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固法水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固法是指在混凝土構(gòu)件表面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，再噴射上高性能復(fù)合砂漿,，使加固層與原構(gòu)件共同工作,，達(dá)到提高構(gòu)件工作性能的目的。高性能復(fù)合砂漿是一種以無機(jī)材料為主的膠結(jié)材料,，相對(duì)于有機(jī)結(jié)構(gòu)膠加固法而言,，具有較好的防火、耐高溫性能,。且該無機(jī)材料與鋼筋混凝土材性接近,，不會(huì)形成材質(zhì)不相容的隔離層，與有機(jī)材料相比基材之間具有更好的相容性,、工作協(xié)調(diào)性和相互滲透性,。采用外加預(yù)應(yīng)力鋼拉桿（分水平拉桿、下?lián)问嚼瓧U和組合拉桿）或撐桿對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法,。該法能降低被加固構(gòu)件的應(yīng)力水平,，不僅加固效果好,，而且還能較大幅度地提高結(jié)構(gòu)整體承載力,，但加固后對(duì)原結(jié)構(gòu)外觀有一定的影響；適用于要求提高承載力強(qiáng)度和抗裂性及加固后占用空間小的混凝土承重結(jié)構(gòu),，包括大跨度或重型結(jié)構(gòu)的加固以及處于高應(yīng)力,、高應(yīng)變重要狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件的加固，但不適用于混凝土構(gòu)件收縮徐變大的構(gòu)件。置換法是直接用同種材料代替火災(zāi)后收到損壞的材料,，以達(dá)到加固目的的方法,。對(duì)于火災(zāi)后變形嚴(yán)重的或不宜增大截面尺寸的鋼筋混凝土構(gòu)件，可以采用置換法,。用于置換的混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比原構(gòu)件混凝土相等或提高一級(jí),。根據(jù)橋梁受損情況，綿陽市公路學(xué)會(huì)專家組成員一致建議對(duì)該橋采取如下方案：（1）綿陽方向第一孔全部22塊梁板整體報(bào)廢,，盡快拆除,；（2）第二孔全部22塊梁板存在安全隱患，整體更換,，視其完好情況可用其他它低等級(jí)橋梁工程,；（3）1#橋墩及墩頂蓋梁拆除并按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)重建；（4）1#橋臺(tái)根據(jù)燒蝕受損實(shí)際情況進(jìn)行修復(fù),；基于以上提出的病害內(nèi)容及意見,，本次維修設(shè)計(jì)加固針對(duì)橋梁的火災(zāi)損壞病害進(jìn)行維修改造,，采取應(yīng)急搶險(xiǎn)措施，盡快恢復(fù)橋梁的正常使用功能,，提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性,。對(duì)橋梁維修改造提出如下措施：（1）附屬結(jié)構(gòu)：鑿除原橋橋面10cm水泥混凝土鋪裝層和10cm瀝青混凝土鋪裝層，鋪設(shè)8cmC40水泥混凝土+6cmAC-20C瀝青混凝土+4cm-AC-13C改性瀝青面層,，并重新設(shè)置橋面交通標(biāo)線和兩橋臺(tái)處的伸縮縫,；拆除全橋防撞護(hù)欄、中央分隔帶,，架設(shè)梁板后恢復(fù)防撞護(hù)欄和中央分隔帶,。（2）上部結(jié)構(gòu)：拆除第一、二跨空心板,，更換44片16m長(zhǎng)的橋板,；頂升第三跨空心板，更換支座并墊5cm厚鋼板消除新舊空心板高差,。（3）下部結(jié)構(gòu)：破除1#墩地系梁以上的墩柱及蓋梁,，重新澆筑1#墩墩身和蓋梁、擋塊,。如圖所示：
第一,、二跨空心板共計(jì)44片，吊裝重量約為19噸,，拆除過程中不能損壞不拆除的梁板,，盡量保護(hù)橋板拆除后的完整性,。拆除吊裝橋板前，先人工對(duì)空心板四周鉸縫內(nèi)的鋼筋混凝土進(jìn)行剔除,，剔除后采用架梁相同的方式拆除,。1#橋墩及蓋梁采用人工配合小型機(jī)具的方法進(jìn)行鑿除，開挖露出地系梁后,，剝除系梁以上墩柱混凝土,，保留鋼筋，并與新澆筑墩柱的鋼筋焊接,。蓋梁混凝土為空中作業(yè),，施工中采用固定支撐模板。第三跨支座更換采用單跨整幅頂升法,，具體施工措施如下：排查全橋支座→安裝施工設(shè)備→試頂→頂升→更換→墊鋼板→落梁,。頂升操作示意圖如圖所示。
國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范和規(guī)程均為提供橋梁結(jié)構(gòu)受到火災(zāi)后的具體加固方法,，通過對(duì)本橋火災(zāi)后的檢測(cè),、設(shè)計(jì)與加固，提出以下幾點(diǎn)建議：
（1）火災(zāi)發(fā)生后,，及時(shí)撲滅并中斷交通,，對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)加固。若橋梁結(jié)構(gòu)損壞程度小,，可適當(dāng)恢復(fù)交通,；若損壞程度較大，應(yīng)及時(shí)設(shè)置導(dǎo)流交通,。（2）火災(zāi)后及時(shí)確定混凝土橋梁構(gòu)件的受火溫度,，溫度升高使混凝土與鋼筋強(qiáng)度降低、破壞兩者粘結(jié)力,，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)加固措施,，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加固強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì),，以構(gòu)造為主,，計(jì)算為輔，計(jì)算與構(gòu)造兩者相輔相成,；針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及火災(zāi)程度的不同,，結(jié)合實(shí)際情況，采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)加固方法,。（4）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,，可對(duì)橋梁火災(zāi)全過程進(jìn)行仿真分析，包括火災(zāi)的產(chǎn)生與發(fā)展,、橋梁構(gòu)件溫度場(chǎng),、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)響應(yīng)等。▎資料來源：《中國(guó)公路學(xué)會(huì)養(yǎng)護(hù)與管理分會(huì)第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集》,，選自《某國(guó)省干道預(yù)應(yīng)力梁板火災(zāi)后檢測(cè)評(píng)估與加固設(shè)計(jì)》,，作者：徐富樑，周子豪,，康孝先,，毛廣茂；西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,、綿陽市交通運(yùn)輸局 |
