某PC梁桥火灾后损伤评估及加固设计

冯明扬，刘世忠，黄俊豪，刘欣益，杜立山

(兰州交通大学 道路桥梁与地下工程甘肃省重点实验室，甘肃 兰州 730070)

某PC梁桥火灾后损伤评估及加固设计

冯明扬，刘世忠，黄俊豪，刘欣益，杜立山

(兰州交通大学 道路桥梁与地下工程甘肃省重点实验室，甘肃 兰州 730070)

为了对遭受火灾的某PC梁桥进行损伤评估，利用超声波检测技术、模态试验方法对受火桥跨混凝土火损的波及范围、深度等进行现场检测。利用ANSYS建立受火跨桥梁二维、三维有限元模型模拟实际受火箱梁截面温度场。结果表明有限元仿真识别的混凝土损伤范围、深度与现场检测结果吻合良好。在此基础上提出对受火箱梁采用粘贴钢板和增设预应力碳纤维板等加固修复措施，加固效果为现场静、动力试验和模态实测数据所验证。本文所提出的方法及工程实例可供工程技术人员借鉴。

火灾 PC梁桥 损伤评估 维修加固

近年来，由于自然或人为因素所引发的各种火灾事故多发，桥梁火灾已成为影响在役桥梁性能的灾害之一。由于实际火灾升温曲线的不确定性，桥梁受火空间的变异性，材料热工性能的多变和离散以及材料高温—力学本构关系尚不完善，加之现有规范无法指导PC梁桥抗火设计，现有桥梁检测技术对灾后预应力桥梁的承载力评估准确性较低，给工程技术人员处理火灾事故造成困难。基于此本文提出采用将实桥火灾采样数据与有限元仿真模拟相结合的方法来对灾后桥梁进行损伤评估，并将评估结果用于指导受火桥梁的加固设计，该方法具有一定的工程实用价值。

某五跨(40+3×60+40)m预应力混凝土连续梁桥，双幅设置，主梁采用等高度单箱单室斜腹板箱梁。由于人为纵火，导致边跨桥梁距离桥台5～12 m范围受火，火灾持续时间约为150 min。火灾导致左幅桥箱梁底板、腹板及一侧翼缘板严重烧损，其中桥底烟熏面积为197.83 m2，底板混凝土剥落面积为36.44 m2，最大混凝土剥落深度为9.0 cm，底板无露筋。腹板、翼缘混凝土剥落面积为64.75 m2，露筋面积为21.57 m2。右侧翼缘混凝土最大剥落深度为9.7 cm，且有少量横向预应力束波纹管外露。火损情况如图1所示。

1 火灾影响区域调查与确定

1.1 外观损伤检测

《CECS 252:2009:火灾后建筑结构鉴定标准》(以下简称《标准》)指出，对于暴露于火焰高温烟气的结构构件应全数检查烧灼部位。表观检测主要采用外观目测、锤击回声、探针、开孔探槽等手段对受火构件损伤程度做出详细记录，并依据《标准》附录B-1推测其受火时温度。现场根据火灾作用时间、火场残留物对箱梁火损程度进行区域划分［1］。

图1 火灾后箱梁底板受损

参考原设计图纸中构造钢筋和预应力管道位置，初步判定底板混凝土剥落区剥落深度为2～9 cm，翼缘板混凝土剥落区剥落深度为2～10 cm，腹板混凝土剥落深度为2～6 cm。桥台处支座被严重烧毁，桥墩支座无明显变形。由文献［2］当混凝土所受温度大于800℃时，材料物理性能大幅度下降，混凝土和钢筋黏结力下降，混凝土已丧失抗压强度;在300～800℃区段，混凝土只有常温下抗压强度的0.6倍，300℃以下受火后抗压强度与常温下抗压强度相同。初步判断严重剥落区构造钢筋深度燃烧温度已接近700℃。

1.2 基于超声波的结构表观特征推定

在分布不均匀的火灾高温场作用下，混凝土内部疏松，出现裂纹，强度分布不均匀，超声波在混凝土中传播遇到裂纹后散射，从而声速发生变化。利用超声波在火损混凝土与完好混凝土之间传播时的声速差异，可对火损截面进行损伤评定［3］。

根据外观检测结果，利用NM-4A非金属超声检测分析仪分别对底板、腹板及翼缘板火损区域进行超声波无损检测，底板选取5个测区，每个测区布置9×3个测点，两边对测。腹板选取5个测区，每个测区布置5×9个测点，单边平测。顶板选取2个测区，每个测区布置10×9个测点，单边平测。超声波测试结果经线性回归计算所得混凝土剥落深度见图2(a)，阴影部分为预应力管道外露部位，见图2(b)。

图2 火损严重区域混凝土剥落深度(单位:mm)

1.3 模态数据分析

采用DHDAS动态信号分析系统对受火跨桥梁自振特性进行测试，得到了受火跨桥梁自然激励下自振频率和阻尼比;利用ANSYS建立火灾前该跨桥梁的有限元模型，采用子空间迭代法计算并提取出前3阶自振频率，与现场实测数据对比如表1。

表1 模态分析对比结果

由表1可知火灾后实测前3阶自振频率较受火前分别下降 12.79%，9.17%和 12.87%，平均下降11.61%;阻尼比为1.40% ～3.63%，处在正常范围之内。可见火灾后桥梁的整体刚度降低，使得箱梁的承载能力减弱。

2 火灾下结构温度场有限元分析

为分析受火箱梁内复杂几何区域的温度场，借助ANSYS分别采用PLANE55和SOLID70热分析单元建立受火跨箱梁二维和三维有限元分析模型，对箱梁受火过程进行数值模拟［4-6］。火场采用 ISO-834标准升温曲线模拟，温度荷载按照火损严重区域损伤调查结果以对流形式施加，初始温度取为25℃。

温度场模拟结果显示各节点温度增长梯度随着混凝土深度的增加逐渐变缓，最后趋于0。火灾作用50 min后箱梁底板最高温度为904℃，温度传递深度达12 cm，800℃等温线深度达3 cm，300℃等温线深度达12 cm。腹板最高温度为513℃，温度传递深度达10 cm，300℃等温线深度达8 cm。翼缘板最高温度为708℃，温度传递深度为14 cm，300℃等温线深度达11 cm，二维、三维温度场模拟结果有相似规律。

为验证温度场模拟的正确性，选取距离桥台端4.00，7.00，8.75，10.00和13.70 m 5个关键截面，每个截面对应底板、腹板和翼缘位置分别选取一个区域，依据现场表观检测结果对实际受火桥梁受火损伤程度进行统计、评定等级，并推定实际温度场下的温度值，并将该温度值与数值模拟温度场下温度值相比较，见图3。由图3可见数值模拟得出的温度场分布与现场调查后按照《标准》推定的温度场大致吻合，火损评估结果得到了有限元模型的验证，箱梁二维和三维有限元数值模拟结果一致，从而验证了有限元数值模拟温度场的可行性、正确性。

图3 依据火损情况推定温度值与数值模拟温度值对比

3 加固设计与结果验证

3.1 加固设计

根据火损检测结果及火灾下结构温度场有限元分析结果，对该桥进行有针对性的修复加固设计。具体方案为对底板、腹板及翼缘板采用火损基面打磨、钢筋调直与置换、砂浆修复、注浆、粘贴钢板和增设预应力碳纤维板等加固修复措施［7-8］。

增设预应力碳纤维板的施工流程为:基层打磨→探明原有预应力筋位置→安装预制锚栓→涂抹胶粘剂→安装碳纤维板→安装端部锚板→安装预应力夹具单元和张拉单元→张拉预应力→拆除夹具单元和张拉单元→碳纤维板防护。纵向预应力碳纤维板截面尺寸为100 mm×1.4 mm(宽×厚)，抗拉强度fpk为2 800 MPa，弹性模量E为1.65×105MPa，锚下控制应力为0.55fpk。

3.2 加固后静动载试验结果

加固完成后对受火跨桥梁进行了静、动荷载试验，静、动荷载试验所得位移和应力校验系数均符合规范要求。为对加固前后的模态试验进行对比分析，采用DHDAS动态信号分析系统对加固后桥梁自振特性进行实测如表2。

表2 加固后模态试验数据

由表2可知采用预应力碳纤维板加固后实测前三阶自振频率较理论值分别增长 11.8%，10.7%和8.9%，平均增长10.47%;阻尼比为1.96% ～3.82%，处于正常范围内。表明加固后箱梁刚度得到有效提升，箱梁承载能力显著增强且略高于受火前，说明加固效果明显。

4 结论

本文根据受火桥梁表观检测结果、超声波损伤探测结果和脉动法自振特性测试结果，同时利用ANSYS对一定火灾延时内受火箱梁截面温度场进行有限元仿真来完成受火桥梁损伤评估。结果表明超声波无损检测与脉动试验检测结果真实地反映了火灾对混凝土箱梁结构的损伤，仿真模拟得到的温度分布与混凝土剥落区域划分和超生波损伤探测结果相互佐证，吻合良好。修复加固后的静、动载试验结果显示桥梁刚度增大，承载力得以恢复，证明所提出的修复加固措施切实可行，有效节约了受火灾桥梁拆除重建的资金。本文提出的方法及加固实例，可为火灾后PC梁桥损伤评估和灾后维修加固设计提供借鉴。

［1］张宏，邵永军.火灾后混凝土桥梁损伤评估方法与应用［J］.四川建筑科学研究，2011，37(3):95-100.

［2］过镇海，时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［3］阎继红，胡云昌，林志伸.回弹法和超声回弹综合法判定高温后混凝土抗压强度的试验研究［J］.工业建筑，2011，31 (12):45-47.

［4］时旭东，过镇海.钢筋混凝土结构的温度场［J］.工程力学，1996，13(1):35-43.

［5］张岗，王翠娟.火荷载下混凝土箱梁温度场分布与变形分析［J］.铁道建筑，2011(7):32-35.

［6］房帅平.预应力混凝土箱梁桥抗火性能研究［D］.西安:长安大学，2011.

［7］徐文平，钟华，张宇峰，等.粘钢—体外预应力综合加固T梁的结构特性研究［J］.世界桥梁，2011(2):69-72.

［8］张荣利.广东省某高速公路东莞北特大桥维修与加固［J］.世界桥梁，2013，41(1):71-75.

(责任审编 赵其文)

U445.7+5

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.08

2015-05-09;

:2015-08-03

冯明扬(1990— )，男，硕士研究生。

1003-1995(2015)11-0027-03