预应力混凝土连续箱梁桥火灾后的检测与损伤评估

杨　灿，刘　辉，俞文彬

(1.江西省交通科学研究院；2.江西省公路科研设计院)



预应力混凝土连续箱梁桥火灾后的检测与损伤评估

杨灿1，刘辉2，俞文彬1

(1.江西省交通科学研究院；2.江西省公路科研设计院)

摘要：结合某大桥火灾的实例，介绍了预应力混凝土连续箱梁火灾受损后的检测和损伤评估的方法，以便对同类病害桥梁的检测和损伤评估提供借鉴。

关键词：连续箱梁；火灾；检测；损伤评估

1火灾受损桥梁概况

某桥西岸引桥为30m跨预应力混凝土连续箱梁，梁高1.8m，6跨一联，单幅主梁采用单箱单室截面，均采用纵、横向预应力体系，下部构件桥墩采用V形墩，箱梁混凝土采用C50混凝土，预应力钢绞线采用ASTMA416-97.270级高强度低松弛钢绞线，标准强度为1 860MPa。纵横向预应力筋均采用金属波纹管成孔。

2014年3月18日13时30分，某桥下报废公交车辆集中停放场发生火灾，50号墩下8辆车猛烈燃烧(51跨侧6辆，50跨侧2辆)。灭火先是喷水，后在14时40分左右对50跨火点采用泡沫灭火；全场火灾扑灭时间大约在15时40分，而51跨火点几乎是烧完自灭的。

2结构损伤表观检测

经检测,过火段第50、51跨梁体损伤较为严重，两跨箱梁内侧及50跨右幅箱梁外侧翼板、腹板混凝土保护层大面积剥落(最大剥落厚度约6cm)、露筋，箱梁损伤情况详见图1所示，图中损伤级别对应的损伤特征见表1。

表1　混凝土损伤级别一览表

图1　箱梁损伤状况示意图

3火灾现场可燃物分布

从现场情况来看51跨处双层公交车车架严重变形情况较其他地方车辆受损都要严重，结合调查结果推断该处为起火点，停放时车间距较密，热轧钢材材质的车架变形弯曲，按《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS252:2009)附录A推断火场温度高于700 ℃。

4火灾温度判断

(1)通过调查火灾燃烧时间来推算火灾温度。根据现场可燃物的特性，本次的火灾时间-温度曲线按ISO834标准曲线描述，该曲线公式为T-T0=345lg(8t+1)，式中t为时间，以“min”计；T为当所用时间为t时，构件所承受的温度值，以“℃”计；T0为初始温度，以“℃”计，计算时设定为20 ℃。这一曲线的特征是30min火场温度达到800 ℃，3h内不会超过1 100 ℃。本次火灾自由燃烧时间为50min，按ISO834标准升温曲线推算得火灾温度为918 ℃。

(2)根据火灾后混凝土结构表面颜色及外观特征判断受火温度。第50跨、51跨梁体翼板及底板混凝土大面积严重剥落，保护层脱落，表面酥碎，表面混凝土呈灰白显浅黄色，未脱落处混凝土经铁锤敲击后开裂混凝土脱落，钢筋外露，且混凝土中石子已石灰化，按《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS252:2009)附录B推断混凝土表面受火温度在900 ℃左右，当量标准升温时间约30~45min。

5主梁混凝土强度检测

本次检测通过分析各测区回弹值的变化为评估火灾后箱梁混凝土的受损程度提供参考。检测发现第51跨左右幅、50跨左幅底板均有不同程度的混凝土受损。

6高温下混凝土爆裂的可能性分析

本桥第51跨内侧翼板、第50跨左幅内侧翼板、第50跨右幅内外侧翼板及第50跨右幅底板局部均出现大面积混凝土剥落现象，对右幅第50跨底板局部波纹管出露段而言，混凝土爆裂后波纹管直接受火灼烧，使波纹管内部的钢绞线温度升高，从而造成较大的预应力损失。另外灭火射水时水流喷射到高温的混凝土表面，由于突然的冷却造成结构表面因收缩开裂，表皮剥落，特别是破坏了梁体混凝土保护层，在火未熄灭前，使火直接灼烧预应力钢束波纹管。

7混凝土灼烧特征温度的测定

7.1　X射线衍射分析

混凝土在高温作用下，不仅会由于脱水反应产生一些氧化物，还会在水化、碳化和矿物分解后又产生许多新的物相。

在各试样的X-射线衍射图谱中，均未发现β-石英，说明河砂中的α-石英未发生或很少发生了晶型转化，可推测混凝土剥落面的可能灼烧温度未超过570 ℃或维持该温度的灼烧时间较短。

表2　X射线衍射分析中混凝土物相特征

图2　4-1#砂浆样品X射线衍射图

7.2　热分析

对火场上采集的混凝土样品采用热重法和差示扫描量热法进行分析。

图3　1#砂浆体TG-DSC曲线

综合XRD和TG—DSC的测试结果，2#、3-1#、4-1#试样均在551.2~598.3 ℃左右有较为弱小的α-石英晶型转变成β-石英，说明α-石英部分存在，因此推测左幅第51跨2.4m处内腹板(距梁底60cm)、左幅第51跨12m处内侧腹板(距梁底85cm)、右幅第50跨12m处外腹板(距梁底80cm)外表面，说明在火灾过程中这三处均出现过α-石英晶型转变成β-石英的现象，但α-石英仍部分存在，因此综合判断这三处混凝土剥落后外表面火灾过程中最高温度均高于551 ℃，但保持时间不长。

8受损部位高温后热轧带肋钢筋力学性能检测

9个试件中有5个试件屈服强度不满足标准要求，按钢筋原屈服强度为335MPa计则屈服强度最大折减约为0.95；9个试件中有3个试件抗拉强度不满足标准要求，按钢筋原抗拉强度为490MPa计则抗拉强度最大折减约为0.94。

9高温对箱梁预应力束的影响分析

(1)底板纵向预应力束

对于左幅第50跨和左幅第51跨，检测发现左幅第50跨23～29m段、第51跨1～10m段存在局部混凝土剥落现象，此区域范围内底板束受影响相对较大，该区域仅内侧腹板局部混凝土剥落最大厚度约4cm，底板束束孔中心与剥落面最小距离为6cm，根据4.2.3分析本桥连续箱梁在高温下混凝土有爆裂可能，当考虑混凝土剥落是火灾过程中形成而非灭火过程中因骤然降温引起，考虑到从混凝土样品X射线衍射分析和热分析结果来看，混凝土表面剥落后形成的剥落面表面温度超过了551 ℃，但保持时间不长，当混凝土表面温度按551 ℃，当量标准升温时间按45min计，根据CECS252:2009附录E推定底板束束孔中心对应处混凝土温度小于100 ℃，其相应的有效预应力小于5%，因此对左幅第50跨、第51跨靠内侧的9根底板束其有效预应力损失按5%计。左幅50-51跨、右幅第50跨受影响的区段腹板底层钢束受火灾影响与底板钢束相近，其有效预应力损失也按5%计。

对于右幅第50跨，根据4.2.3分析本桥连续箱梁在高温下混凝土有爆裂可能，因此如果波纹管外露是由于火灾过程中形成而非灭火过程中因骤然降温引起，则波纹管外露段其在火灾过程中将直接遭受灼烧，则预应力损失将急剧增大，右幅第50跨底板7根波纹管外露的钢束有效预应力将损失殆尽，预应力钢绞线力学性能大幅降低，因此对右幅第50跨底板束按7束波纹管外露的钢束全部失效计。对右幅第51跨其底板受影响范围与左幅第51跨相近，因此其损失也按靠内侧的9根底板束其有效预应力损失按5%计。

(2)翼板横向预应力束。

当考虑混凝土剥落是火灾过程中形成而非灭火过程中因骤然降温引起，则悬臂端部钢绞线处温凝土温度将升高至450 ℃，但距悬臂端0.8m处其钢绞线处混凝土温度将降到100 ℃以下，火灾持续两小时距翼板悬臂端1m处的钢束内部温度仍将保持在100 ℃以下，经计算距悬臂端1m范围内有效预应力总损失值约23%。

10结论

左幅第50跨、第51跨箱梁正弯区段极限承载能力损失约3%。右幅第50跨箱梁正弯区段其极限承载能力损失约8%，右幅第51跨正弯区段受火灾影响范围与左幅第51跨相近，其正弯区段极限承载能力损失约3%。底面大面积钢筋外露处的翼板其极限承载能力损失约17%(根部)～70%(悬臂根部)。

结合现场检测、材料试验和结构分析验算结果，按《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS252:2009)6.1.3条对某桥西岸引桥左右幅第50、51跨结构鉴定评级为d级，严重不符合国家标准要求，严重影响安全。

参考文献：

[1]建筑构件耐火试验方法第1部分：通用要求(GB/T9978.1-2008)[S].北京：中国标准出版社，2009.

[2]混凝土结构现场检测技术标准(GB/T50784-2013) [S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3]城市桥梁设计荷载标准(CJJ77-98) [S].北京：中国建筑工业出版社，1998.

作者简介：杨灿(1982-)，男，江西南昌人，工程师，从事旧桥现状承载能力评定与加固设计工作。

收稿日期：2014-11-03

中图分类号：U442

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2015)08-0117-02