火灾后铁路预应力混凝土箱梁运营性能评定

苏永华

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京 100081)

火灾是混凝土建筑物发生概率较大、损失较严重的一种灾害，混凝土结构火灾后的检测和加固修复技术极为重要[1]。随着铁路建设规模的增大，桥梁保有量逐年增多，桥下空间状态日趋复杂，经常发生火灾、撞击等意外情况，对桥梁造成了损伤，甚至影响线路正常运营。铁路桥梁的梁部结构以钢筋混凝土简支梁和预应力混凝土简支梁为主，桥墩以混凝土结构和钢筋混凝土结构为主，支座以橡胶支座和钢支座为主，火灾极易对桥梁结构造成损伤。

火灾对于铁路混凝土桥梁属于偶发特殊事件，除特殊设计防火结构外，混凝土结构物在设计时并未考虑火灾影响。混凝土结构自身具有一定的抗火特性，通常情况下遭受火灾损伤后可通过修复加固达到继续使用的目的。

本文以1孔铁路预应力混凝土简支箱梁受火灾损伤为例，介绍了火灾后结构的损伤情况和检测评估结果，并对运营性能进行了评定。

1 梁体火灾情况调查

本桥跨越乡村道路，梁底距地面高度5.0 m，采用32 m预应力混凝土简支箱梁。受意外因素影响，农用车装载秸秆通过桥下时发生火灾，对1孔箱梁造成了损伤，主要表现为梁体跨中区域左侧腹板下缘混凝土剥落，局部钢筋外露，梁体腹板和底板熏黑。火灾情况调查结果如下：火情最大时发生于桥跨中附近左侧翼缘板下；火灾烧及梁体的时间约15 min，过程中明火未触及梁底，距离约0.5 m；消防人员到达现场时已无明火，火灾后梁体表面未浇水，梁体混凝土自然降温。

2 火灾后混凝土结构物评估方法

2.1 火灾对结构物材料性能影响

火灾高温作用下，混凝土结构物的材料性能会发生变化，混凝土的抗压强度和弹性模量均下降，钢筋的力学性能也发生变化，导致结构出现变形和内力重分布，受力性能降低。高温混凝土在自然冷却后抗压强度有一定的恢复，但较火灾前也会出现不同程度的降低。

2.2 火灾后结构物评估工作内容

火灾后建筑物的评估工作主要包括：火灾温度的判定;结构损伤程度的检测;提出结构修复处理意见[2]。

1)火灾温度判定。根据结构物基本情况和火灾情况对火灾温度进行综合判定，包括结构设计、燃烧物、火灾时间、灭火措施、混凝土构件表面颜色及外观特征、混凝土烧伤深度等。

2)结构损伤程度检测。现场调查结构物损伤情况，包括裂缝数量与分布情况、混凝土剥落范围、钢筋外露情况、结构变形情况、混凝土强度、碳化深度等，铁路桥梁还应测试梁体挠度、自振频率等指标。

3)结构修复处理。火灾损伤部位修复处理应尽量保证修补后的结构部位能与原结构共同工作，轻度受损构件进行表层耐久性处理，中度和严重受损构件应进行结构加固。

2.3 火灾后结构物鉴定评级标准

根据CECS 252:2009 《火灾后建筑结构鉴定标准》[3]规定，火灾后结构物的鉴定评估分初步鉴定评级和详细鉴定评级2类。

火灾后结构构件的初步鉴定评级根据烧灼损伤、变形、开裂程度进行，具体内容[3]：轻微或未直接遭受烧灼作用为Ⅱa级；轻度烧灼为Ⅱb级；中度烧灼尚未破坏为Ⅲ级；破坏为Ⅳ级。

火灾后结构构件的详细鉴定评级根据检测分析结果进行，具体如下[3]：

1)b级。基本符合国家现行标准下限水平要求，不影响安全，尚可正常使用，宜采取适当措施。

2)c级。不符合国家现行标准要求，在目标使用年限内影响安全和正常使用，应采取措施。

3)d级。严重不符合国家现行标准要求，严重影响安全，必须及时或立即加固或拆除。

3 火灾后梁体损伤状况调查

3.1 火灾后梁体外观检查

对火灾损伤的预应力混凝土简支梁进行梁体外观检查，梁体混凝土剥落情况见图1。

图1 梁体混凝土剥落情况

1)梁体左右腹板和底板表面大面积被熏黑，总面积约80 m2。梁体熏黑部位擦拭后，混凝土表面基本为原状青灰色，局部轻微泛白。梁体混凝土剥落部位表面的水泥石和骨料主要呈原状青灰色，表面局部轻微熏黑，说明混凝土剥落时火灾已接近熄灭或已经熄灭，混凝土剥落后梁体未再承受长期高温烧灼作用。

2)梁体烧灼熏黑区混凝土表面经小锤敲击，声音清脆、响亮，混凝土表面无脱层、起皮现象。

3)梁体混凝土剥落区域周边底板左侧0.6 m范围和腹板下部0.3 m范围内，混凝土表面有细微网状纹，裂纹宽度肉眼不可见。

4)火灾后梁体跨中附近腹板下缘倒角部位混凝土有开裂、脱层现象，表层混凝土剥落，范围为5.0 m×0.5 m(长度×宽度)，大部分区域混凝土的剥落深度在2.0～3.0 cm，局部最大深度约8.0 cm(该处保护层厚度偏大)。凿除松散混凝土后有普通钢筋外露，未见预应力钢绞线外露，混凝土剥落的最大深度为普通钢筋所在层面。经检查，除跨中混凝土剥落区域外，梁体表面其余部位未发现混凝土脱落、钢筋外露现象。

5)箱梁内部检查未发现因火灾引起的异常现象。

综上，根据构件烧灼损伤、开裂程度等情况，梁体火灾损伤初步鉴定等级为Ⅱb级(轻度烧灼)。

3.2 火灾温度判定及影响

对于火灾温度的判定主要从火焰温度、混凝土表面颜色、混凝土开裂和剥落情况、混凝土表面锤击反应情况、喷洒酚酞溶液后的颜色5方面开展[4]，判别依据见表1[3]。

表1 混凝土表面颜色、裂损剥落、锤击反应与温度的关系

调查判定情况如下：

1)农作物秸秆直接燃烧的火焰温度一般在600～700 ℃。火灾发生在野外，四周空旷并有风，散温较快，且火灾时火焰尚未烧及梁体底板，因此推测梁体表面温度在500 ℃以下。

2)混凝土熏黑部位擦拭后表面近似呈原状青灰色，崩裂部位骨料和水泥石的表面颜色也近乎为原状青灰色，说明梁体表面温度应在300～500 ℃。

3)除混凝土剥落部位外，其余区域混凝土表面局部有细微裂纹，无明显裂缝，未发现混凝土脱落和钢筋外露现象，说明梁体表面温度应在300～500 ℃。

4)小锤敲击梁体声音清脆、响亮，混凝土表面无明显痕迹，说明梁体表面温度应在300～500 ℃。

5)混凝土烧灼部位凿除2 mm左右的表层水泥石后，喷洒酚酞溶液呈红色，说明梁体表面温度在500 ℃以下。

根据以上条件综合推测，本桥第15孔桥下发生火灾时梁体表面局部最高温度在400 ℃左右，大部分烧灼区的表面温度在300 ℃以下。

混凝土结构在烧灼作用下的温度场分布跟结构形式、表面温度、烧灼时间等因素有关，同条件下结构温度场分布主要与结构尺寸有关。梁体跨中部位腹板厚度为450 mm，底板厚度为280 mm，预应力管道边缘距梁体表面的最小距离为80 mm。对于箱梁结构，底板和腹板在烧灼条件下的受热情况与混凝土实心板接近。箱梁跨中底板厚H=280 mm，火灾时梁体表面温度在400 ℃左右，烧灼时间在15 min左右，预应力管道边缘距梁体表面的最小距离为80 mm。根据混凝土实心板温度曲线推测火灾时预应力管道边缘的温度在100 ℃以下，火灾时至梁体表面50 mm距离的位置温度在100 ℃以下。

对于铁路预应力混凝土简支箱梁，预应力钢绞线和混凝土的性能是保证结构正常受力的主要因素。根据CECS 252：2009中混凝土高温时抗压强度折减系数、高温混凝土自然冷却后抗压强度折减系数、HRB335钢筋高温冷却后强度折减系数、高温自然冷却后混凝土与钢筋黏结强度折减系数变化情况推测，当受火温度在200 ℃以下时，混凝土力学性能、钢筋力学性能、钢筋与混凝土的黏结强度没有明显变化。

根据火灾时温度判定结果，火灾对梁体结构的影响分析如下：

1)火灾时至梁体表面距离大于50 mm位置的温度在100 ℃以下，除梁体烧灼部位表层混凝土外，预应力钢绞线和混凝土的性能没有受到明显影响。

2)跨中左侧腹板下缘混凝土崩裂、剥落主要是由于火灾时梁体表面温度较高，结构温差应力超过高温时混凝土的极限抗压强度，同时钢筋与混凝土之间产生温度变形差，导致混凝土沿普通钢筋所在的层面崩裂、剥落。

4 梁体运营性能检测评估

为掌握火灾后梁体烧灼损伤部位混凝土的强度和碳化深度情况，对梁体混凝土崩裂、剥落区域附近腹板和底板的混凝土强度、碳化深度进行了测试。为掌握梁体刚度和整体受力性能情况，对火灾梁体和相邻正常梁体的动挠度和自振频率进行了测试，测试工况为列车正常过桥。

4.1 梁体混凝土强度测试

梁体混凝土烧灼崩裂区附近腹板、底板混凝土强度回弹法测试结果见表2、表3，正常部位腹板、底板混凝土强度测试结果见表4、表5[5]。测试结果表明：

1)各测区混凝土强度推定值均大于60 MPa，满足梁体混凝土设计标号C50要求。

表2 梁体烧灼部位腹板混凝土强度检测结果

表3 梁体烧灼部位底板混凝土强度检测结果

表4 梁体正常区域腹板混凝土强度检测结果

表5 梁体正常区域底板混凝土强度检测结果

2)各测试部位测区回弹平均值的平均值接近，标准差均较小，说明各测试部位混凝土强度分布均匀，梁体烧灼部位的混凝土强度与正常区域的混凝土强度接近，火灾对梁体烧灼部位混凝土强度影响很小。

4.2 梁体混凝土碳化深度测试

梁体混凝土烧灼崩裂区和正常部位附近腹板、底板混凝土碳化深度测试结果见表6。测试结果表明：梁体烧灼区和正常部位的混凝土碳化深度无明显差异，说明火灾对梁体混凝土性能的影响深度较浅。

4.3 梁体竖向动挠度测试

正常运营列车通过工况火灾受损梁和邻跨正常梁的动挠度测试结果见图2。

根据测试结果和对比分析情况可知：

1)相同测试工况下，火灾受损梁与邻跨正常梁的跨中竖向动挠度分布在同一范围内，且箱梁受损侧和正常侧的竖向挠度接近。

2)在类似测试工况下，其他线路同型号梁跨中竖向动挠度为0.62 mm，本线同型号梁跨中竖向动挠度为0.57，0.64 mm，火灾受损梁与正常梁的竖向动挠度接近。

表6 梁体混凝土碳化深度测试结果 mm

3)火灾后，梁体竖向挠度没有明显变化，整体竖向刚度未出现明显异常。

4.4 梁体自振频率测试

梁体自振频率测试采用余振法，通过测试过车后的竖向加速度，分析得到梁体竖向自振频率[6]。实测火灾受损梁和邻跨正常梁的竖向一阶自振频率分别为7.08，7.15 Hz[7]，均满足箱梁设计要求(5.20 Hz)，两者相比未出现明显差异。

其他线路同型号梁的竖向一阶自振频率实测值为6.74，6.80 Hz，本线同型号梁的竖向一阶自振频率实测值为7.14，6.83 Hz。对比可知，火灾受损梁与同型号正常梁的竖向一阶自振频率无明显差异，处于正常范围内[8]。从梁体自振频率测试结果来看，梁体整体性能基本正常[9]。

综合各项检测结果来看，火灾受损梁的整体状态基本满足正常使用要求[10]。

5 结论与建议

1)火灾时，距梁体表面50 mm以上部位的温度在100 ℃以下，预应力钢绞线和混凝土的性能没有受到明显影响。火灾损伤梁的初步鉴定等级为Ⅱb级。

2)梁体烧灼区和正常部位混凝土强度分布均匀、数值接近，混凝土强度满足设计要求，碳化深度也无明显差异，火灾对梁体混凝土强度的影响很小，影响深度较浅。

3)火灾受损梁的自振频率满足设计值要求；与同型号正常梁相比，跨中动挠度、自振频率均未出现明显差异，实测值处于正常范围内，梁体整体性能基本正常。

综上所述，本桥预应力混凝土简支箱梁火灾受损后的整体受力性能基本正常，详细鉴定评级为b级，能够满足正常运营要求。为保证结构的耐久性，对梁体混凝土崩裂、剥落的部位进行了修补，并对梁体表面进行涂装防护。

本文中铁路预应力混凝土简支箱梁火灾后的评估方法可为今后类似结构的评估提供借鉴。铁路桥梁的结构、构造和运营要求具有一定的特殊性，目前尚无火灾后检测、评估、修补等方面的规范、标准，可借鉴国内外土建行业的成熟做法，完善相关技术标准体系，如编制铁路桥梁火灾后评定标准、铁路桥梁火灾后维修加固标准等。