火灾后的损伤桥梁检测与有限元仿真分析

郭 钊，张 新

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410000)

近年来，随着交通强国战略的大力实施，我国的公路通车里程有了显著增长，截至2020年底，桥梁总数已达100万余座，各类桥梁遭受车辆起火等原因而导致重大事故的情况屡见不鲜[1]。桥梁遭受火灾不仅会造成巨大的经济损失，还会对桥梁结构的性能造成影响。在高温的作用下，结构表面的混凝土发生剥落、松散，混凝土强度随之降低，碳化深度加深，使得钢筋与混凝土之间不能形成有效粘结，进而导致桥梁结构的承载力降低，最终致使桥梁存在安全隐患并危及行车安全[2-4]。因此，对发生火灾后的桥梁及时进行检测评估，有利于对桥梁结构的损伤程度做出正确的判断，以便于为后续制定桥梁的维修加固方案提供依据[5]。本文介绍了湘西州某高速路桥火灾后的检测评估情况，并借助有限元软件模拟分析了桥梁的剩余承载力以及梁体开裂情况，可为今后同类桥梁在遭受火灾后进行检测评估提供参考借鉴。

1 工程概况

受火桥梁位于杭瑞高速吉怀段，该桥于2012年检测通车，为整体式路基桥梁。其上部构造采用30 m装配式预应力混凝土T梁，跨径组合为：左幅(5×30)+(5×30)m；右幅(5×30)+(6×30)m，为先简支后结构连续体系；下部结构为双圆柱桥墩、桩基础；桥台采用肋板式桥台、U型桥台、桩基础。桥梁全长306.5 m；设计荷载等级：公路-I级；桥面铺装采用10 cm厚沥青混凝土桥面铺装+防水层+8 cm厚混凝土现浇层；桥梁两侧分别安装有墙式护栏和波形梁护栏。

该桥在2020年12月29日凌晨，在凤凰县往吉首市方向发生交通事故并导致车辆起火。

2 火灾后桥梁检测及结果分析

2.1 桥体外观检测

经初步检查发现，桥面铺装的沥青混凝土按损伤情况可分为两个区段，纵桥向第8跨距7#墩6 m至第8#墩范围以及第9跨距8#墩0～8 m范围，横桥向整个桥面宽度为过火区段1，该区段桥面受火后出现表层局部沥青脱落，桥面出现坑槽，最大坑槽深度达到4～5 cm之间；纵桥向第7跨距6#墩14～30 m，第8跨距7#墩0～6 m以及第9跨距8#墩8～12 m，横桥向整个桥面宽度为过火区段2，该区段桥面受火后出现表面火烧痕迹，局部松散、露骨、坑槽。桥面铺装损伤见图1所示。

图1 桥面火烧区域分布示意图(单位：cm)

桥上护栏也因火灾影响出现不同程度的损伤，其中：第7跨左侧护栏距7#墩0～18 m范围内混凝土面浅灰白，护栏受火后出现表层局部混凝土脱落，少量露筋的现象，小锤敲击声音较闷，混凝土脱落，留下痕迹；第8跨距7#墩大里程方向0～24 m范围内左侧护栏，以及第7跨距7#墩顶0～16 m范围内右侧护栏混凝土表面浅灰，受火后出现其表面轻微松散；第8跨距8#墩0～6 m范围内左侧护栏，以及第九跨距8#墩0～18.5 m范围内轻微过火，混凝土表面基本无影响。火灾对桥梁伸缩缝装置无影响。依据规范《火灾后工程结构鉴定标准》(T/CECS 252—2019)中有关火灾后混凝土结构构件初步鉴定评级标准，应及时对因火灾受损严重的栏杆进行加固处理。

护栏撞损对应位置T梁外侧翼缘板根部未见明显开裂。该桥上部承重构件主要病害为T梁剥落露筋，外侧T梁泄水孔下方位置多处锈胀开裂、露筋，此次火灾事故未对上部结构造成重大影响。此外，火灾对下部结构及附属设施的影响也有限，下部结构基本没有火损。

2.2 桥面铺装钻芯检测及分析

在桥梁左幅烧毁影响较大、影响较低、没有影响的三处区域分别钻取3个芯样，现场量取沥青面层厚度并观察外观。

影响较大区域为桥梁左幅第8跨，影响较低区域为桥梁左幅第7跨，没有影响区域为桥梁左幅第4跨。根据检测结果，影响较大区域的沥青混凝土铺装层均出现上面层烧毁，裸露表面松散的情况，但上面层与下面层沾结紧密；影响较低区域的沥青混凝土铺装层上面层仅出现轻微烧失的现象，而无影响区域的钻芯检测结果显示芯样基本完整、密实。这说明在火灾影响较大区域的桥面铺装层混凝土受损严重，应及时加以修复以确保车辆通行安全。

2.3 混凝土回弹强度

结合本桥结构特征及外观检测情况，此次混凝土强度测区的选择为T梁腹板、翼板底板位置。根据检测结果分析可知：该桥桥面过火严重的第8跨上部结构T梁(腹板、翼缘板)及桥面火灾影响较轻区域第7跨、第9跨上部结构T梁腹板混凝土强度未见明显下降。护栏直接过火区域左幅第8跨左侧护栏强度相对未受火灾影响的左幅第1跨左侧护栏强度略有降低。

2.4 混凝土轴心抗压强度

对桥面火灾影响严重区域、影响较轻区域及无影响区域进行桥面钻芯取样，钻取混凝土调平层芯样进行抗压试验，芯样直径为10 cm。混凝土调平层设计强度为C50，火损严重区的混凝土芯样抗压强度平均值为48.7 MPa，芯样轴心抗压强度试验结果表明受火灾影响严重区域与未受火灾影响区域调平层混凝土强度相比有所降低，但下降幅度不大，强度折减系数0.935。根据该折减系数可反推算出桥面过火严重区域的混凝土调平层表面过火温度约为65 ℃。

2.5 钢筋抗拉强度

钢筋在高温作用下会发生相变，进而导致钢筋强度的降低，尤其对于预应力混凝土结构，钢筋强度的降低必定影响结构的安全，因此需要对火灾后的钢筋强度进行检测，从而判定是否需要替换火损钢筋，以便对预应力混凝土结构进行加固。

分别在过火较区域1的第8跨、第9跨护栏处截取1根型号为HRB335，直径为12 mm，长度为60 cm的钢筋以及未过火区域的第5跨护栏撞损处取1根型号为HRB335，直径为12 cm，长度为150 cm的钢筋进行抗拉强度试验。

检测结果表明，无论是从过火严重区域还是未过火区域截取下的钢筋屈服强度、抗拉强度、伸长率均符合规范《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》GB/T 1499.2—2018的要求，故所火灾事故的发生对混凝土内部钢筋的性能产生的影响较小。

3 有限元损伤模拟

3.1 火灾温度场的确定

结合现场护栏火烧后外观、锤击检测情况，初步判断现场护栏位置火场最高温度为500～700 ℃。

沥青混凝土桥面最高温度，按混凝土护栏处实际检测初步推算最不利过火温度700 ℃考虑，假设沥青混凝土层、混凝土调平层以及T梁顶板作为一个整体，其厚度达到34 cm。参考板厚度H=20 cm的单面受火混凝土实心板在标准升温条件下的截面温度场曲线，如图2所示。可计算得到距沥青混凝土表面10 cm处混凝土调平层顶面温度约61 ℃(与混凝土调平层芯样抗压强度反算温度65 ℃相近)，距沥青混凝土表面18 cm处T梁上翼缘顶面温度约28 ℃，距沥青混凝土表面32 cm处T梁上翼缘顶面温度约0 ℃，如表1所示。

图2 单面受火混凝土实心板在标准升温条件下的截面温度场曲线

表1 最高温度区域混凝土内部温度分布

3.2 主要设计参数

实际主梁采用的混凝土强度等级为C50，考虑了受火后混凝土的抗压强度和弹性模量的降低，本次计算偏安全的将结构混凝土取为C45号。

3.3 有限元模型的建立

采用有限元分析软件建立了该桥的空间梁格模型，按后张法部分预应力混凝土A类构件进行承载能力极限状态验算以及火灾升温应力验算。

3.4 结果分析

(1)承载能力极限状态验算

考虑主梁混凝土材料力学性能的劣化后，各片T梁的弯矩和剪力效应曲线均在抗力包络曲线内部，表明火灾作用后主梁的正截面抗弯和斜截面抗剪承载力仍满足原设计规范的要求。其中，正截面抗弯和斜截面抗剪承载力的安全富余度最小值分别为31.1%和33.5%。

(2)火灾升温应力验算

火灾升温和恒荷载作用效应组合下：①各片T梁上缘的正截面拉应力最大值为0.003 MPa；②各片T梁除中支点墩顶现浇段下缘的正截面拉应力最大值为3.86 MPa外，其余截面均为压应力。

在火灾升温作用下，中支点墩顶现浇段下缘区域可能出现开裂。严重过火区域位于第8跨距7#墩6 m至第8#墩范围以及第9跨距8#墩0～8 m范围，7#、8#墩为墩梁固结，7#、8#墩墩顶现浇段下缘可能出现的细微裂缝不影响梁体向墩柱传力。

4 结 语

以某高速受火桥梁为例详细地阐述了桥梁受火后的检测结果，结合损伤状况与评估结论，引入有限元软件分析评估了桥梁发生火灾事故后的剩余承载力。检测时依据受火轻重对桥体上部结构受损程度进行了对比，便于后期加固时分类施策。对混凝土强度的评定中采用回弹法以及钻芯取样法进行了综合评定，进一步验证混凝土强度受火灾的影响程度，为决策者以及后续研究者提供相应的依据。对过火桥体的承载力进行有限元分析无疑为评估桥梁受损程度提供了进一步的保障。采用传统检测方法与有限元分析结合的方式可帮助检测者准确评估桥梁的因火受损情况，从而为后期及时开展维修加固提供了可靠参考。