生米大橋火災后結(jié)構(gòu)分析與維修加固

楊 燦，俞文彬

（江西省交通科學研究院，江西 南昌330038）

1 火災概況

生米大橋西岸引橋為30m跨預應力混凝土連續(xù)箱梁，梁高1.8m，6跨一聯(lián)，單幅主梁采用單箱單室截面，均采用縱、橫向預應力體系，下部構(gòu)件橋墩采用V形墩，箱梁混凝土采用C50混凝土，預應力鋼絞線采用ASTMA416-97.270 級高強度低松弛鋼絞線，標準強度為1 860MPa?？v橫向預應力筋均采用金屬波紋管成孔。

2014年3月18日13時30分，生米橋下報廢公交車輛集中停放場發(fā)生火災，50號墩下8輛車猛烈燃燒（51 跨側(cè)6 輛，50 跨側(cè)2 輛）。滅火先是噴水，后在14 時40 分左右對50 跨火點采用泡沫滅火，全場火災撲滅時間大約在15時40分，而51跨火點幾乎是燒完自滅的。

2 火災評估

在對遭受火災后橋跨損傷狀況進行檢測和分析后，得出以下結(jié)論：

（1）火災事故致使左右幅第50～51 跨主梁底面混凝土及翼板混凝土剝落現(xiàn)象嚴重，截面損失較大，右幅第50 跨7 根底板預應力束波紋管存在外露現(xiàn)象，預應力損失較大，將嚴重影響其結(jié)構(gòu)使用性能以及結(jié)構(gòu)承載力；

（2）左幅第50 號墩燒損嚴重，混凝土大面積爆裂脫落，鋼筋外露，對其耐久性及承載能力都有明顯削弱；

（3）從火災關(guān)聯(lián)段橋梁檢測結(jié)果來看，經(jīng)過8年多的運營使用，各盆式支座鋼構(gòu)件均存在不同程度的銹蝕現(xiàn)象，第49～51 號墩墩頂支座經(jīng)高溫烘烤將使老化加劇，因此結(jié)合運營使用時間及火災受損情況應對第49～51 號墩墩頂盆式橡膠支座盡快予以更換。

結(jié)合現(xiàn)場檢測、材料試驗和結(jié)構(gòu)分析驗算結(jié)果，按《火災后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標準》（CECS252—2009）6.1.3 條對生米大橋西岸引橋左右幅第50、51 跨結(jié)構(gòu)鑒定評級為d 級[1]，嚴重影響安全，必須立即進行維修加固。

3 維修加固設(shè)計

3.1 維修加固指導思想

本橋原設(shè)計荷載標準為：城—A 級，人群3.5kN/m2，校核荷載：汽—超20 級，掛—120，本次維修加固設(shè)計擬以恢復到原設(shè)計荷載等級及使用功能為原則。在充分掌握結(jié)構(gòu)的外部條件和現(xiàn)狀（各結(jié)構(gòu)構(gòu)造狀況、受力狀況及已發(fā)現(xiàn)各類病害）的基礎(chǔ)上，正確分析病害產(chǎn)生的根本原因，充分比選國內(nèi)外現(xiàn)有的、經(jīng)實際驗證處理效果好、經(jīng)濟合理、施工方便的加固改造方法[2]，綜合考慮社會效益和經(jīng)濟效益。維修設(shè)計考慮兼顧強度和耐久性兩方面，在解決主要病害的同時兼顧次要病害，盡可能對火災損傷產(chǎn)生的缺陷進行修復，同時切實考慮施工的可行性以保證未來的施工質(zhì)量。維修加固方案選擇時遵循以下原則：

（1）設(shè)計科學合理，經(jīng)濟環(huán)保，滿足技術(shù)與使用安全的要求；

（2）修復加固設(shè)計時要盡量保證加固措施能與原結(jié)構(gòu)共同工作；

（3）盡量不增加結(jié)構(gòu)自重，不對主要承重構(gòu)件造成損傷；

（4）加固后橋梁能滿足設(shè)計荷載標準的使用要求，并有一定的安全儲備；

（5）施工簡便、快捷，加固施工過程對交通影響減至最?。?/p>

（6）加固后橋梁耐久性強、養(yǎng)護方便。

3.2 維修加固方案

3.2.1 預應力混凝土箱梁維修加固方案

檢測結(jié)果表明，火燒段剝落后外中部的混凝土、鋼筋目前性能基本能達到原設(shè)計要求，即使考慮部分預應力損失，各控制截面尚能滿足極限承載能力要求，正常使用狀態(tài)亦能滿足部分預應力A類構(gòu)件的要求，故梁體維修以到原截面尺寸為原則，具體如下[3]：

（1）對預應力混凝土箱梁過火段表面松散混凝土采用高壓射水進行清除，同時對鋼筋進行除銹；

（2）對原鋼筋網(wǎng)增設(shè)植筋固定；

（3）噴涂（或壓抹）聚合物砂漿以恢復截面，推薦采用聚合物砂漿以縮短養(yǎng)生周期，減少因行車振動對修復材料性能的影響；

（4）采用縱橋向粘貼鋼板對梁體修復后在底板兩側(cè)2m 范圍內(nèi)加固，使截面極限承載能力恢復到原設(shè)計狀態(tài)。

3.2.2 翼板修復方案

根據(jù)計算分析翼板損傷雖造成極限承載能力損失較大（指翼板懸臂端原僅15cm 厚，下緣受壓區(qū)剝落6cm后其受壓區(qū)高度大幅減小，從而導致其承載能力降低），但其考慮截面削弱和預應力損失后仍能滿足設(shè)計荷載的承載要求，因此對翼板下緣以混凝土剝落處恢復其原截面為原則，采用高壓射水對混凝土表面進行清洗后，對翼板底緣鋼筋網(wǎng)增設(shè)植筋固定，噴涂或壓抹聚合物砂漿修復到原截面，對鋼筋外露的翼板下緣增設(shè)D6 焊接鋼筋網(wǎng)適當補強。

3.2.3 橋墩維修加固方案

（1）清除左幅第50 號墩柱破損層的混凝土后，掛設(shè)D8 焊接鋼筋網(wǎng)，立模澆筑無收縮自流密水泥基高強筑注料加固。

（2）清除右幅第49 號、50 號墩燒損部位的混凝土后，采用聚合物砂漿或聚合物混凝土修補。

3.2.4 支座修復方案

盆式橡膠支座受火時，支座主要組件中的聚四氟乙烯滑板和橡膠塊受溫度升高的影響最大，聚四氟乙烯板熔融溫度為327～342℃，而橡膠熱分解溫度為200～500℃。隨著溫度升高聚四氟乙烯板將熔融，而橡膠則逐漸降解，同時橡膠與鋼板之間的黏結(jié)漸漸失效，最后空氣從鋼板與橡膠之間的間隙滲入并引起劇烈燃燒，導致支座力學性能不斷劣化并最終失去承載能力和使用功能。檢測過程中對第49～52 號各墩頂支座進行了檢測，各墩頂支座鋼構(gòu)件均有銹蝕現(xiàn)象出現(xiàn)，其中第50 號墩頂支座受火災高溫影響局部銹蝕層剝落，支座防銹漆已燒完，說明火災時該支座處溫度超過600℃，第49～51 號墩頂支座經(jīng)高溫烘烤，將加劇老化，因此對受火災影響的第49～51 號墩盆式橡膠支座應盡快予以更換。另外，對支座墊石局部燒損部位采用聚合物砂漿修復。

在對第49～51 號墩墩頂支座進行更換時，由于支座原規(guī)格按《公路橋梁盆式橡膠支座》（JT 391—1999）進行設(shè)計[4]，第50 號墩頂GPZ9 系列GD支座高16cm，第49、51號墩頂GPZ9系列DX/SX支座高18cm，而新版通用圖GPZ（09T）中GPZ9系列GD支座高度為16.5cm，GPZ9系列DX/SX支座高為21cm，因此需按原尺寸定制，而且還應注意新?lián)Q支座上鋼盆錨固孔與原錨固孔位置對應。

頂升按第49～51 號墩同步頂升進行考慮，頂升時各墩處頂升重量見表1。

表1 單幅橋梁頂升數(shù)據(jù)表

頂升平臺在原橋墩承臺基礎(chǔ)上橫橋向兩側(cè)各加寬2.2m，加高0.5m，新增承臺通過植筋與原承臺連接為整體，每墩位處設(shè)8 根Φ60 cm、壁厚為1.5cm 的鋼管支柱，鋼管間設(shè)置剪刀支撐，8 根支柱支撐在擴大后的承臺上。

3.2.5 泄水管修復方案

（1）設(shè)計思路：生米大橋采用PVC 泄水管，火災時，過火跨段基本燒毀，需進行更換。但橋面檢測發(fā)現(xiàn)，橋面泄水孔均被混凝土堵塞（其堵塞原因不明）。

（2）修復方案：對過火跨段已燒毀的PVC 泄水管進行重設(shè)。

3.2.6 中央分隔帶蓋板修復方案

（1）設(shè)計思路：從頂升過程中移除的中央分隔帶處管道底緣5cm厚鋼筋混凝土蓋板局部混凝土破損，擬對破損蓋板進行更換。

（2）修復方案：對破損嚴重的蓋板進行更換。

3.2.7 其他維修加固方案

（1）設(shè)計思路

橋梁結(jié)構(gòu)長期暴露在惡劣的自然環(huán)境中，火災后，熱損傷造成的混凝土中性化，有些地方混凝土保護層損傷嚴重，特別是有些部位雖然未發(fā)生混凝土脫離、露筋現(xiàn)象，但是，過火已經(jīng)導致混凝土內(nèi)部微裂縫發(fā)展，致使混凝土孔隙率增大，影響結(jié)構(gòu)的耐久性和正常使用年限，因此對火溫影響范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)表面擬考慮進行耐久性修復，對過火跨段整體設(shè)置防腐涂裝可增加結(jié)構(gòu)整體防腐性能，并可使用局部修復及未修復處保持統(tǒng)一的外觀。對于橋梁上、下部結(jié)構(gòu)存在的蜂窩、麻面、混凝土剝落、掉塊、缺損、凹陷等缺陷，首先將缺陷部位表層的松散混凝土全部鑿除，火災后燒損的混凝土疏松，鑿除不徹底會影響修補材料與原結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能，影響維修效果，因此，徹底鑿除燒疏混凝土是修補的先決條件，人工清除完燒疏層混凝土后采用高壓射水對混凝土表面進行清洗。

（2）修復方案

對火溫影響范圍內(nèi)混凝土表面采用高壓射水清洗后，在結(jié)構(gòu)表面涂刷阻銹劑以增強鋼筋的防銹能力。修復完成后對過火跨段梁體、墩柱進行整體防腐涂裝，面漆的顏色采用與混凝土相近的顏色。

4 結(jié)構(gòu)計算分析

由于火災造成構(gòu)件混凝土強度降低，鋼筋抗拉強度損失，部分構(gòu)件混凝土表層損傷造成截面損失，因此造成部分構(gòu)件甚至整體結(jié)構(gòu)的承載能力降低。為了分析火災對整個上部結(jié)構(gòu)的影響程度，根據(jù)本次火災中構(gòu)件的實際損傷狀況、構(gòu)件剩余混凝土強度、構(gòu)件鋼筋配置及鋼筋性能檢測結(jié)果，按照橋梁設(shè)計時采用的規(guī)范體系，采用橋梁博士V3.03對過火段橋跨上部結(jié)構(gòu)承載力按照受火災前、火災后和維修加固后三種狀態(tài)分別進行復核驗算，以判定結(jié)構(gòu)承載力受損后的下降程度，為后續(xù)處理提供可靠的依據(jù)。

4.1 檢算原則及特點

（1）生米大橋為城市主干道，設(shè)計行車速度為60km/h，左幅為雙向四車道，單幅行車道寬度為15m。

（2）翼板截面尺寸按跨中區(qū)段尺寸，汽車荷載布置按布置在懸臂端考慮，輪重的分布寬度按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）計算[5]。

（3）翼板結(jié)構(gòu)分析建模取1m 橋長按平面框架進行，火災后翼板截面高度按下緣削弱6cm考慮。

（4）經(jīng)翼板橫向預應力受損情況分析，對高溫下預應力損失計算按以下兩種模式進行：按懸臂端部1m 范圍內(nèi)預應力失效進行計算；按翼板懸臂部分有效預應力損失6%進行計算。

（5）鑒于翼板破損嚴重處底層鋼筋網(wǎng)與混凝土間分離，計算時不考慮下緣鋼筋參與作用。

（6）箱梁截面尺寸按減去損傷厚度后考慮，翼板有效寬度按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004） 相關(guān)規(guī)定計算。

（7）從截取的翼板鋼筋抗拉試驗結(jié)果來看雖然鋼筋的伸長率等力學性能仍滿足有關(guān)規(guī)范要求，但是鋼筋屈服強度相比鋼筋設(shè)計值有所降低，與設(shè)計要求相比鋼筋屈服強度損失最大達5%，因此驗算時鋼筋屈服強度按5%的損失考慮。

（8）計算按承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)進行組合與檢算。

4.2 檢算結(jié)論

（1）當對左幅第50 跨和第51 跨右側(cè)9 束底板縱向束其有效預應力損失按5%計，對腹板底層鋼束其有效預應力損失按5%計，對箱梁底層普通鋼筋屈服強度按5%的損失計，則左幅第50跨、第51跨箱梁正彎區(qū)段極限承載能力損失約3%。正常使用極限狀態(tài)下跨中截面均滿足部分預應力A類構(gòu)件的要求。

（2）當對右幅第50跨預應力束波紋管外露段7根鋼束按其有效預應力按完全損失計，其條件屈服強度折減系數(shù)取0.65；對右幅第51跨左側(cè)9束底板縱向束其有效預應力損失按5%計，對腹板底層鋼束其有效預應力損失按5%計；對箱梁底層普通鋼筋屈服強度按5%的損失計，則右幅第50跨箱梁正彎區(qū)段其極限承載能力損失約8%，右幅第51跨正彎區(qū)段受火災影響范圍與左幅第51跨相近，其正彎區(qū)段極限承載能力損失約3%，正常使用極限狀態(tài)下跨中截面均滿足部分預應力A類構(gòu)件的要求。

（3）對左右幅第50～51 跨梁底粘貼鋼板加固后，正彎區(qū)段截面極限承載能力能夠恢復至原設(shè)計水平。

（4）當對火災后翼板截面高度按下緣削弱6cm考慮且不考慮翼板破損嚴重處與混凝土間分離的底層鋼筋網(wǎng)參與作用時，底面大面積鋼筋外露處的翼板其極限承載能力損失約17%（根部）～70%（懸臂端部），但其考慮截面削弱和預應力損失后仍能滿足設(shè)計荷載的承載要求。采用聚合物砂漿修復翼板受損處截面極限承載能力能較大程度地恢復。

5 維修加固后荷載試驗

為檢驗維修加固的實際效果，于施工結(jié)束后進行了靜動載試驗。靜動載試驗數(shù)據(jù)表明，各測試控制斷面的撓度實測值及應力實測值小于理論計算值，其撓度及應力校驗系數(shù)均小于1.0，表明結(jié)構(gòu)整體剛度滿足試驗要求，承載能力達到設(shè)計正常使用極限狀態(tài)要求。

6 結(jié)論

對該火災后的橋梁進行檢測與損傷評估后，制訂了科學合理的維修加固方案。靜動載試驗和正常運營表明，維修加固后的橋梁完全滿足設(shè)計要求，說明維修加固方案可行，維修加固效果良好，達到了預期目的。

[1] CECS 252:2009，火災后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標準[S].

[2] GJ/T 259—2012，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性修復與防護技術(shù)規(guī)程[S].

[3] CECS 269：2010，災損建筑物處理技術(shù)規(guī)范[S].

[4] JT 391—1999，公路橋梁盆式橡膠支座[S].

[5] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].