某预应力混凝土箱梁桥火损后检测与加固设计

林爱萍

(福建船政交通职业学院，福州 350007)

随着桥梁公路里程数量的不断增多， 其损伤问题也日益凸显， 各种不可控因素均有可能导致结构出现不同程度的损伤， 其中火灾是众多种类中的一种， 具有突发性，在较短时间内可对桥梁结构构成严重的威胁，甚至中断交通运行。因此，火灾后应第一时间对桥梁结构进行准确、科学、正确的损伤检测评定，以便为后续的结构加固设计提供科学依据[1]。

本文以某遭遇火灾后预应力混凝土连续箱梁为工程案例， 系统分析了桥梁结构在受到火灾后的检测评定方法与加固处治方案， 其研究可为同类梁桥的火损加固设计提供参考。

1 工程背景

某预应力混凝土连续箱梁桥建于2012 年， 并于2014 年竣工通车，全长66.00 m，桥型布置见图1。设计荷载等级为汽车-20 级，挂车-100。 上部结构采用(20×3)m的三孔一联等截面预应力混凝土连续箱梁， 单箱四室箱形截面，顶板宽17.25 m，底板宽13.50 m，中心梁高1.30 m，混凝土强度等级为C50；下部采用桩柱式墩，墩身直径1.30 m，混凝土强度等级为C35，桩基采用钻孔灌注桩基础，直径1.50 m，混凝土强度等级为C30，全桥均采用圆形氯丁橡胶支座。

事故起因于该桥址位置处桥下长期堆积易燃物品如泡沫塑料、轮胎橡胶等材质。 2018 年11 月份因高压线喷射火花引起火源， 使得箱梁底下堆积大量的泡沫塑料等易燃物品燃烧起来，桥梁位置处于低洼处且较为偏僻，大火持续时间约85 min 后被赶来的消防人员扑灭。 易燃物距桥跨底板的高度约为1.60 m。 火灾直接造成梁体、墩柱、支座等构件出现不同程度的损坏。火损后的箱梁底板典型病害示意情况见图2。

图1 桥型布置图

图2 火损后的箱梁底板情况

2 桥梁检测评估方法及结果

2.1 表观检测

采用目测检查、 工具锤击等方式对该桥进行外观检查。 根据外观检查结果，该桥主要存在以下3 种病害：①箱梁底板大面积混凝土剥落、钢筋网外露(图2)；②1# 墩3 个支座上下钢板均被烧脆， 且橡胶层均出现不同程度的焦化(图3)；③1#墩3 个墩身出现不同程度的混凝土剥落等病害(图4)。

图3 支座典型病害

图4 墩柱典型病害

2.2 构件损伤分析

2.2.1 主梁

通过现场调查，此次火源位于箱梁下部，对箱梁构件影响较大，对桥面附属设施影响较小。随着温度的不断升高，主梁受拉钢筋、预应力筋等抗压强度会逐渐减小，且钢筋与混凝土的粘结力强度也会逐渐下降， 当温度达到一定值时，随着燃烧时间的延长，主梁就会逐渐出现混凝土剥落、钢筋网外露、预应力筋失效、承载力下降、严重时导致结构垮塌[2]。

2.2.2 支座

此次受火灾影响的箱梁桥采用板式橡胶支座， 橡胶支座长时间受高温火焰影响，主要表现出橡胶熔化、不同程度的剪切变形、上下钢板材质变脆等现象，导致1-1～1-3 号支座无法恢复自由伸缩变形， 从而威胁到桥梁结构的正常使用功能。

2.2.3 墩柱

该桥1-1～1-3 墩柱(地面值支座段)受火源四周长时间包围燃烧，火势较大且燃烧时间较长时，使得墩柱局部出现被压碎， 由于混凝土材料的抗压强度受温度影响显著，且大多数墩柱均为受压或偏心受压构件，在火灾作用下，墩柱逐渐出现混凝土剥落，有效受压面积逐渐减小，从而影响墩柱的有效承载力。

2.3 火灾温度推算

在大火作用下混凝土构件由于温度的不同会发生不同的化学、 物理反应， 从而导致构件出现不同程度的损伤，混凝土表面颜色、锤击回声也会随着温度的变化而有所不同。因此，对灾害后的混凝土外观颜色观察与敲打回击声并行可大致推定其受火温度值[3]。 梁体、墩柱受火源温度推测见表1。

表1 火场温度推定

2.4 材料强度试验

火灾后的混凝土强度推定依据 《钻芯法检测混凝土强度技术规程》，采取小芯样法检测。 按抽样规定在箱梁底板抽取3 个直径6 cm 的圆柱进行轴心抗压强度试验，以了解火损后的箱梁内部混凝土强度； 并分别随机截取3 段长度为50 cm 的外露钢筋进行试验室抗拉力学性能试验，以确定火损后的钢筋强度退化值；鉴于预应力筋未外露，且与剥落混凝土表面还有一定的距离，故不对预应力进行力学性能试验[4]。

试验结果显示，3 个取芯轴心抗压强度试验值分别为52.9 MPa、57.6 MPa 和59.0 MPa， 均满足C50 抗压强度设计值， 表明此次火灾对箱梁底板内部的混凝土强度未造成较大影响；由钢筋力学试验结果表明，在外力作用下，3 根钢筋断口处均有明显的颈缩现象，且其火灾后的屈服强度、 抗拉强度和伸长率等各个指标也均满足相关规范要求。

3 修复加固设计

结合此次火损后桥梁的实际受损情况、 混凝土损伤推算以及材料性能试验结果等各个指标考虑，并兼顾“安全可靠、简单有效、经济合理”等基本加固设计原则，保证修复的结构能够满足原有的结构功能， 且还要达到改善结构的耐久性，延长结构的使用寿命周期目的。

3.1 箱梁底板修复

对箱梁底板破损处的混凝土区域采用高性能聚合物砂浆修补，并粘贴碳纤维布加固处治。其施工操作步骤如下： 采用高压水枪将梁体熏黑部位进行清洗→将剥落区域表层劣质混凝土凿除， 并将周边区域表层混凝土凿除至新鲜混凝土→凿除区域涂刷阻锈剂， 对外露钢筋进行除锈与整合、置换、补强→涂刷界面剂，对剥落区外露钢筋网外的范围进行逐层修补→在箱梁底板底模灌注聚合物高性能砂浆→将粘贴碳纤维布范围的基底打磨， 涂刷阻锈剂→贴碳纤维布表面防护。 采用碳纤维布加固处治后的箱梁底板见图5。

图5 箱梁底部处治效果图

3.2 支座处治

考虑到1# 墩3 个支座都已出现较为严重的橡胶焦化、无弹性变形，已完全失去自由变形能力，因此对于支座采用全部更换处治。 其施工操作步骤如下：上部箱梁构件临时支撑→脚手架搭设→千斤顶及油泵校验→设观测标志→准备工作→顶升→支座更换。 支座更换后的现场实景见图6。

图6 支座更换处治效果图

3.3 墩柱抱箍补强

鉴于墩柱顶部与地面距离较矮(1.60 m)，不需要搭设施工脚手架等辅助措施，采用抱箍增大截面法修复。其施工操作步骤如下： 采用高压水枪和抛光机将墩体熏黑部位进行清洗→将剥落区域表层劣质混凝土凿除， 并将周边区域表层混凝土凿除至新鲜混凝土→凿除范围涂刷阻锈剂，对外露钢筋进行除锈与整合、置换、补强→墩柱表面植筋→安装模板浇筑混凝土→养护。 墩柱抱箍补强处治后的效果见图7。

4 加固后静动载试验结果

桥梁结构的静、 动载试验是检测桥梁结构性能和承载力的重要检验手段之一[5]。 考虑到第一、二跨为此次的受灾区域，因此，选取第一、二跨为主要试验对象。试验结果表明，加固后的左幅线桥梁静、动载试验结果均满足相关规范要求，并对结构的自振频率进行测试，结果如表2所示。

图7 墩柱抱箍补强加固效果图

表2 加固后的模态试验数值

由模态试验结果可知： 采用高性能聚合物砂浆修补缺陷混凝土和粘贴碳纤维布加固后的火损桥梁结构前3阶自振频率均高于理论值，平均增大率为7.0%，且阻尼比在1.98%～3.81%， 满足 《公路桥梁试验荷载与结构评定》规范中对混凝土结构阻尼比的3%左右要求。 表明采用这种加固方法后，该梁桥刚度得到了改善，且加固后的结构安全富余系数高于理论值。

该桥加固处治1 年后， 再次对其进行外观检测及静动载试验，未有发现新的病害出现，且静动载试验结果值与加固后的试验值基本一致， 表明该维修处治方法较为合理、可靠。

5 结语

火灾后桥梁检测、评估、加固是近年来一个热门的研究专题，也是投入运营中的桥梁结构不可避免的问题。采用何种更为简便的检测评定方法能够更为准确地评估火损后的桥梁真实状况是今后工程界的研究主流方向，也是加固设计依据的前提。