某火烧后装配式预应力空心板梁承载能力分析

朱琳，王晓隆

（1.长春市海威市政工程设计有限公司，吉林 长春 130062；2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090）

随着经济的发展，桥梁遭遇交通事故及可燃物燃烧等火灾情况增多，受火烧影响的桥梁，因体系受弯构件即主梁在火烧上部，温度最高、影响最严重。陆洲导等[1]对火灾后钢筋混凝土连续梁力学性能进行计算分析，提出计算理论及数值算法；高志辉等[2]利用ABAQUS有限元软件，先后对火灾后钢筋混凝土梁的温度场和受弯承载力变化进行数值分析；奚勇[3]对火灾受损桥梁监测评估提出采用定性定量相结合的综合检测方法。目前对于火烧后装配式预应力空心板梁承载能力的研究主要为理论分析及实验室内模拟，现场调查分析较少，文章结合某火烧后桥梁对其承载能力进行全面分析。

1 工程概况及特点

某装配式后张法预应力空心板简支梁跨径20m，主车道桥宽16m，辅道桥宽11m。板梁梁高均为0.95m，板梁底宽均为1.37m，主梁采用C50混凝土，桥梁设计荷载为城A级。

该桥东边跨遭受火灾后，部分板梁底面出现大面积混凝土剥落，最大剥落深度达20mm，板梁钢筋强度、保护层厚度及混凝土强度均有一定程度的削弱，导致板梁的承载能力已有不同程度的降低[4]。此外，该桥上、下部结构及桥面系还存在一些病害，应及时进行维修处理，以改善桥梁结构的耐久性和使用性[5]。

2 全桥表观缺陷检查

主梁底板及两侧腹板外观质量良好，未发现梁板有下挠、混凝土剥落、露筋锈蚀、结构裂缝、渗水等病害。个别梁板之间铰缝存在混凝土松散脱落病害。

支座总体外观质量良好，未发现橡胶支座有老化变形、开裂病害，但支座附近垃圾杂物堆积较多，应及时清除防止腐蚀支座，影响其使用性能。

桥台台帽总体外观质量良好，其中一桥台台帽分布有一条竖向裂缝，最大裂缝宽度为0.12mm，未超过规定的墩台帽允许最大裂缝宽度0.3mm。该裂缝向上未延伸至台帽顶面，向下未延伸至底面，且裂缝宽度变化无明显规律，应是台帽混凝土自身收缩所致。全桥各幅桥台护坡均存在不同程度的塌陷、浆砌块石脱落病害。

桥面铺装外观质量良好，未出现泛油、裂缝、车辙、破损等病害。伸缩缝内均存在沉积物阻塞病害，其中一桥台伸缩缝局部止水带脱落、止水功能失效。人行道外观质量良好，未发现人行道铺装出现网裂、坍塌、残缺等常见病害。护栏整体外观质量较好，但南北两侧人行护栏混凝土局部均存在露筋锈蚀病害。各幅行车道防撞护栏均存在不同程度的混凝土破损、露筋锈蚀、漆面起皮脱落病害，行车道西侧防撞护栏钢管组件缺失。大部分排水孔排水功能良好，一排水孔轻微堵塞影响排水功能。

3 桥梁线形检测

根据本桥结构特点，本次检测在该桥轴线和车行道上、下游边缘线3条线上分别布设，每条线按照桥长布设21点，桥梁横向线形测点在各幅桥跨中处横桥向布设，测点设在车行道两侧及车行道中线处。

根据测量结果，对该桥分别计算其纵向坡度、横向坡度，并与设计值比较。经计算，桥面纵坡平均值分别为0.32%、0.33%、0.35%、0.36%，桥面纵坡设计值为0.3%，可以看出，桥面纵坡平均值在0.32%～0.36%之间，与设计值基本一致。桥面跨中横坡实测值分别为1.56%、1.73%、1.53%、1.34%，桥面横坡设计值为1.5%，可以看出，其中一桥面跨中横坡值为1.34%，与设计值比较偏小，不利于排水。

4 桥梁无损检测分析

4.1 混凝土保护层厚度

本次选取28个构件，共计280个测区进行构造筋及主筋混凝土保护层厚度检测，各构件测点数均为20，检测结果如图1所示。

图1 混凝土保护层厚度检测结果

根据该桥设计图纸资料可知，预应力空心板梁底构造钢筋保护层厚度设计值为35mm，台帽主筋保护层厚度设计值为30mm。由图1可知，抽检的预应力空心板梁底构造钢筋保护层厚度平均值为29mm～32mm，混凝土保护层厚度平均值多数小于设计要求，Dne/Dnd均在0.35～0.79之间，评定标度为3-4，表示混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性有较大影响。抽检台帽主筋保护层厚度小于设计要求Dne/Dnd为0.69、0.63，评定标度为4，表示混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性有较大影响。

4.2 混凝土碳化深度

本次选取28个构件，共84个测区进行碳化深度检测，检测结果如图2所示。

图2 混凝土碳化深度检测结果

检测结果表明，该桥抽检的预应力空心板、桥台台帽、其混凝土碳化深度平均值为10mm，以上抽检各构件Kc值为0.20～0.45，碳化深度评定标度均为1。比较实测混凝土保护层厚度，各构件碳化平均深度均小于实测混凝土保护层厚度最小值，表明这些构件内部钢筋目前不会由于表层混凝土碳化而发生全面锈蚀。

4.3 混凝土强度

本次选取28个构件，共280个测区进行回弹检测，实测结果如图3所示。

图3 混凝土强度无损检测结果

根据该桥设计图纸资料可知，预应力空心板混凝土采用C50混凝土，桥台台帽采用C30混凝土。由图3可知，抽检预应力空心板的混凝土强度推定值均大于50.0MPa，评定标度为1，混凝土强度处于良好状态。抽检桥台台帽的混凝土强度推定值均大于30.0MPa，评定标度为1，混凝土强度处于良好状态。

4.4 混凝土电阻率

本次检测选取某一板梁作为检测对象，测点数为30，测得最小值为70000Ω·cm，标准差为3640Ω·cm，平均值为78900Ω·cm，根据相关规定，可判断其内部钢筋发生锈蚀的速度很慢。

5 全桥技术状况评估

通过检查和检测，桥梁桥面系状况指数BCI评分为79.5；桥梁上部结构三跨状况指数BCI评分分别为58.8、70.0、70.0，上部结构综合评分为66.3；桥梁下部结构桥台、桥墩状况指数BCI评分分别为97.0、80.7、80.7、97.0，下部结构综合评分为88.8。桥梁部位权重分别为0.15、0.40、0.45，BCI评估等级分别为C、C、B，则全桥BCI评分为78.4，技术状况总体评定为C级桥（合格状态）。

6 承载能力分析

6.1 有限元模型建立

检算荷载包括恒载和活载，计算跨径均取19.94m，桥面铺装取厚0.09m的沥青混凝土+0.10m的钢筋混凝土。无损检测结果表明，该桥两边幅空心板梁实测混凝土强度推定值最小为50.0MPa，检算时偏安全考虑，取用混凝土设计强度和实测强度中的较小值，空心板梁混凝土强度采用设计值C50。该桥上部结构空心板梁按四幅分幅独立计算，现场检查未发现车行道桥面存在纵向裂缝，故检算时主梁间横向联系按完好状态考虑。

采用midas Civil 2021计算软件，按照梁格法建立铰接模型进行计算，边幅外边梁为人行道，受力比边幅内边梁小。中幅桥梁有限元模型如图4所示。

图4 中幅桥梁有限元模型

6.2 承载能力极限状态

①正截面抗弯强度

根据承载能力检算判式，主梁跨中截面最不利弯矩组合值及截面极限抵抗弯矩计算结果比较如表1所示。

主梁跨中正截面抗弯强度 表1

由表1可知，目前该桥空心板梁跨中截面抗弯承载能力能够满足原设计荷载城-A级的安全承载要求；考虑承载能力恶化系数0.02后，边幅边梁跨中承载力不能满足现行规范城-A级荷载的安全承载要求，超限0.5%。

②斜截面抗剪强度

根据承载能力检算判式，该桥上部结构主梁梁端h/2处斜截面最大剪力组合值及斜截面抗剪强度比较如表2所示。

主梁梁端斜截面承载能力 表2

由表2可知，目前该桥空心板梁梁端抗剪承载能力能够满足原设计荷载城-A级级荷载的安全承载要求。

6.3 正常使用极限状态

①主梁跨中截面上下缘应力

正常使用状态下边幅边梁、边幅中梁、中幅边梁、中幅中梁跨中截面上缘混凝土最大应力分别为13.351MPa、13.203MPa、10.075MPa、12.848MPa，下缘混凝土最小应力分别为-0.030MPa、-0.045MPa、1.121MPa、1.156MPa（“+”表示压应力，“-”表示拉应力）。汽车荷载作用下，容许值为-1.855～+16.20MPa。

可以看出，在设计荷载城-A级中幅桥边梁及中梁跨中截面下缘混凝土均出现拉应力，但小于容许值，可满足部分预应力A类构件的正常使用要求。

②主梁刚度

C50混凝土挠度增长系数ηθ=1.375，在静活载作用下，该桥静活载下边幅边梁、边幅中梁、中幅边梁、中幅中梁跨中最大挠度计算结果分别为9.4mm、9.0mm、8.0mm、8.0mm，挠度允许值为32.2mm。在城-A级荷载作用下，全桥空心板梁跨中挠度理论计算值小于规范允许值，竖向刚度满足要求。

7 维修处理方法分析

7.1 专项维修处理措施

由于东边跨空心板梁受火灾影响，梁底混凝土严重剥落，建议凿除东边跨被火灼伤的空心板梁梁底起壳混凝土，清理干净后用聚合物修补砂浆补平，再用赛柏斯涂刷两遍，以确保结构的耐久性。若条件允许，可在受火烧影响的空心板梁梁底粘贴碳纤维布进行加固，以确保安全。

鉴于该桥各跨桥面铺装均出现多条纵向裂缝，部分裂缝对应空心板梁间勾缝明显渗水，建议凿除全桥原混凝土铺装层，在板梁顶面补种植剪力筋，修复梁间损坏的剪力铰，然后用C40钢纤维混凝土重筑桥面铺装，适当增加桥面混凝土铺装层的配筋量，恢复空心板梁间的横向联系，在凿除桥面铺装混凝土过程中特别要注意对主梁的保护，在浇筑桥面铺装混凝土前务必将空心板梁顶面混凝土凿毛处理。在改造桥面系的同时，将两端桥头钢板伸缩缝改造为型钢伸缩缝。

7.2 养护性维修处理措施

对全桥存在局部钢筋锈胀、混凝土破损的构件，先凿除破损处疏松的混凝土，对钢筋进行除锈并清理干净后，再用修补砂浆进行修补。在全桥空心板梁梁底较低处钻孔泄水。平顺两端桥头接坡，对接坡局部凹陷、开裂处予以修复。

7.3 桥梁管养措施

目前对该桥实施总重10t限载，待维修完成后最高可实施总重30t限载。立即清除桥下易燃杂物，严禁倾倒垃圾，消除桥下火灾隐患，加强防火管理。维修完成后仍需加强日常养护及定期检查，按规范要求定期对桥梁技术状况进行检查和检测。

8 结论

通过对某火烧后装配式预应力空心板梁承载能力分析，得到如下结论：

①该桥部分板梁间底面勾缝明显通长渗水，其对应位置的梁间剪力铰已损坏，这将导致桥面荷载横向分布集中，大幅度降低上部结构板梁的承载能力，应及时对板梁间的横向联系进行维修处理；

②不考虑承载能力恶化系数0.02时，上部结构中幅、边幅主梁均能够满足设计荷载城-A等级的安全承载要求；考虑承载能力恶化系数0.02后，中幅主梁还能够满足设计荷载城-A等级的安全承载要求，边幅边梁不能满足现行规范城-A级荷载的安全承载要求，但相差很少（0.5%），不影响正常使用；

③目前上部结构主梁承载能力仅能够满足汽车-10级荷载的安全承载要求，若板梁间横向联系修复完好，上部结构主梁承载能力满足原设计荷载汽车-20级（含人群3.5kN/m2）、挂车-100的安全承载要求。