混凝土桥梁火灾损伤检测评估方法与应用.pdf

公路交通技术2 0 1 1年 4月 箜 ! Q g 璺 Y垒 巳 堕 ： Q ： 混凝 土桥梁火 灾损伤检测评估方法 与应 用 邵永军 。 张 宏 ( 1 ． 陕西高速公路工程试验检测有限公司， 西安7 1 0 0 8 6 ； 2 ． 长安大学理学院， 西安7 1 0 0 6 4 ) 摘要： 借鉴建筑结构火灾损伤评估的研究成果， 根据混凝土桥 梁自身特点和常用的检测手段 ， 提 出适用于混凝土 桥 梁的火灾损伤检测评估 方法。以某高架桥 火灾损伤检 测评 估为例 ， 阐述该 方法 对混凝 土桥 梁火 灾损 伤检测 评估 的应用价值。该方法亦可为其他类型桥梁的火灾损伤检测评估提供参考， 其评估结果可为火灾后桥梁的加固设计 提供 重要 技术依据 。 关键 词 ： 桥 梁； 火 灾损伤 ； 检 测评估 文章编号 ： 1 0 0 9 — 6 4 7 7 ( 2 0 1 1 ) 0 2 — 0 0 9 1 — 0 6 中图分类号 ： U 4 4 8 ． 3 3 文献标识码 ： B De t e c t i o n a n d As s e s s me n t Me t h o d s f o r F i r e s o f Co n c r e t e Br i d g e s a n d Ap p l ic a t io n S HA O Y o n g j u n ， Z H A N G H o n g 伴随着投入运营 的公路桥梁高速增加 ， 桥梁火 灾事故逐渐增多 ， 火灾后桥梁 的损伤检测评估也 日 渐成为公路运管单位需要面对 的新 问题 。但是 ， 目 前对于桥梁的火灾损伤检测评估研究较少 ， 尚未形 成一套完整有效的检测评估方法。本文借鉴建筑结 构火灾后损伤检钡 4 评估研究成果 ， 并结合 昆 凝 土桥 梁结构 自身特点和 目前常用 的检测手段 ， 给 出适用 于混凝土桥梁 的火灾损伤检测评 估方法 ， 并将其应 用于某高架桥火灾损伤检测评估 中 ， 取得 了较 好效 果。该方法可为同类桥梁火灾损伤检测评估提供参 考 。 1 桥梁火灾损伤检测评估流程 火灾后桥梁的检测评估应是宏观调查与现场检 测相结合 ， 全面检查桥梁各构件 的受损情况判 断桥 梁是否会发生断裂、 坍塌及局部失稳 ， 并采取必要 的 l临时支护措施 ， 确保桥梁安全。建议检测评估按如 下流程实施 。 1 )查阅原桥施工 图、 加 固施工 图， 以往 13常检 查 、 定期检查 、 特殊检查及荷载试验报告等相关技术 资料 ， 了解火灾前桥梁的设计参数和养护状况。 2 )现场调查火灾过程， 了解火灾起因和部位、 燃烧物性质 、 燃烧 ( 特 别是剧 烈燃烧 ) 特 征持续 时 间 、 火灾扑救过程等。 3 )观察过火部位和面积 ， 划分结构烧灼损伤等 收稿 日期 ： 2 0 1 0一l 1一l 6 作者简介 ： 邵永军( 1 9 7 7一) ， 男 ， 山东省烟 台市人 ， 硕士 ， 工程师 级 ， 清绘火灾区域 、 影响范围及损伤等级分布 图， 推 定火场和结构 内部温度分布情况 ， 推定过火部位混 凝土、 钢筋和预应力钢筋的强度损失 ， 钢筋与混凝土 粘结力损失 以及两者弹性模量的变化等。 4 )对火灾后结构的整体和构件进行详细的现 场检查与检测 ， 包括火灾后桥梁的变形情况和材料 损伤情况 ， 即混凝土强度 、 碳化深度 、 烧损层厚度 、 支 座损伤情况 、 拉索结构的松弛情况等。 5 )必要时 ， 对严重烧伤孑 L 进行荷 载试验 ， 测定 桥梁火灾损伤后结构 的强度 、 刚度 和裂缝开展与分 布情况 ， 综合判定火灾后桥梁 的整体承载能力。 6 )根据构件 的烧伤等级 、 结构材料损伤推定及 荷载试验结果 ， 综合评定桥梁的承载能力 ， 提 出维修 加固意见和建议。 2 桥梁火灾损伤检测、 评估方法 2 ． 1 表 观损伤 检 查 可根据结构表 观状况 、 火场 残留物状况及 可燃 物特性 、 通风条件、 燃烧扑救过程等综合分析推断火 灾对桥梁作用温度 、 持续时间及分布范围， 并可根据 火场温度过程 、 构件受火状况及构件材料特性按热 传导规律推断火灾后结构构件内部截面曾经达到的 温 度 。 表观损伤常用检查方法如下 ： 1 )损伤区域划分。检测前 ， 将起火部位的构件 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 公路交通技术 2 01 1正 划分为严重损伤 区( 构件混凝土破损 、 边角剥落或 开裂的区域) ； 损伤区( 过火 、 高温作用的区域 ) 以及 影响区( 构件受 明显烟 熏或轻微过火 的区域 ) 。现 场检查按照不同的区域进行对比检测或取样分析。 2 )采用外观观察 、 锤 击 回声 、 打孔 等手段对严 重损伤 区的结构构件烧灼损伤状况进行检查 ， 得到 结构的烧疏层厚度。结构的烧疏层厚度也可通过超 声波检测混凝土缺陷的方法 进行 。首先 ， 将表面打 磨平整； 然后 ， 在混凝土表面固定发射探头 ， 将接收 探头距发射探头分别 以 5 、 l 0 ⋯⋯2 5 、 3 0 e m 间距布 置 ， 同时读取 2探头的声时值进行计算 ， 从而确定混 凝土表面损伤层厚度。但超声检测结果必须经过打 孔验证后才能确认 。 3 )确定火场温度。确定火灾时的火场温度 ， 以 便正确评价桥梁 的受损程度 ， 分析混凝 土和钢筋的 材料性 能变 化。火 灾现 场温 度 可根 据 C E C S 2 5 2 ： 2 0 0 9 (( 火灾后建筑结构鉴定标准》 给定的常见物 品 变态温度与火场遗留烧损物品的变态特征进行对 比 判断 ， 也可根据混凝土构件的表观颜色 、 裂损剥落程 度及锤击反应等特征按照表 1 进行推定。 4 )检查损伤 区的结构构件及连接部位的裂损 状况 ， 对于不便 观察或仅通过观察难 以发现 问题的 结构构件 ， 应进行温度作用应力分析判断。 5 )对典型烧损结构构件应取芯检验 ， 以确定火 灾后材料性能变化。对于混凝土烧灼程度特征明显 的， 可根据推定的火灾现场温度依据 C E C S 2 5 2：2 0 0 9 《 火灾后建筑结构鉴定标准》 推定火 灾后混凝 土强 度 、 弹性模量及钢筋粘接强度折减系数。 2 ． 2变形检测’ 由于火灾后桥梁的承载能力降低 ， 导致桥梁结 构火灾后在 自重荷载或通行荷载作用下可能出现变 形 。明显的变形往往 意味着桥梁结 构 出现严重破 坏 ， 因此 ， 变形检查是衡量桥 梁火灾损伤 的重要指 标 。火灾后桥梁的变形检测与常规检测方法相 同， 主要有水准测量、 精密水准测量 、 液体静力水准测量 ( 液体静力水准仪) 等， 可根据不同的桥梁结构而采 用不同方法。桥梁变形检测的结果要与最近一次的 桥面高程检测结果 ( 可从定期检查 资料或竣工资料 中查 阅) 进行 比较 ， 绘 出火灾前后桥面高程 曲线对 比图 ， 以确定桥梁火灾前后的变形情况 。 2 ． 3 混凝 土强 度检测 火灾后 ， 混凝土强度检测不能采用常规 回弹检 测或者超声 回弹检测法 ， 而是应采用 D B J 0 8— 2 1 9 — 9 6 《 上海市火灾后混凝土构件评定标准》 附录 G中 的回弹修正法。首先应检测并计算各测区的混凝土 抗压强度， 然后根据构件受火温度 、 冷却方式、 有无 粉刷以及各测区的碳化深度值等 ， 按下式计算测 区 回弹修正系数对各测区火灾后抗压强度进行修正。 K。 =0． 71 8—3． 4 X 1 0一 T +5 ． 0 5 1 0一 d 式 中， 为测区回弹修正系数 ； T为混凝土构件受 火温度； d 为火灾后构件 的碳化深度。 火灾后 ， 结构或构件混凝土平均强度评定应选 择按照下式计算的第 1 、 第 2强度判定条件中的最 低值。 第 1 判定条件 ： =1 ． 1 8( f c 一 ) 第 2判定条件 ： f t ． ．：=1 ． 1 8 X( f c ) 式 中 为强度评定第 1条件值 ； 为各测 区抗压 强度算术平均值 ； K为合格判定系数 ； S为构件测区 混凝土强度 标准差 ； 以为强度 评定第 2条件值 ； ( ) 为各测区中混凝土抗压强度 的最小值。 2 ． 4 支座烧损状况检查 混凝土桥梁常用支座 以板式橡胶支座为主， 是 火灾中易受损的部件。随温度升高和燃烧时间的持 续 ， 支座变形失效直至焦化。支座检查主要以 目测 为主 ， 对现场过火部位支座的烧伤情况进行调查标 识 ， 严重部位需照相 ， 并挑选严重烧损支座 ， 用钢锯 局部锯开 ， 观察支座烧损深度 。 2 ． 5 拉索结构的预应力损失检查 拉索结构 ( 包括斜拉桥 的斜拉 索、 悬索桥 的吊 索及体外预应力加 固采用 的体外索 ) 在高温下将发 生显著蠕变 ， 为了评价拉索结构的预应力损失 ， 可用 索 力计测试拉索的残存索力 ， 将其与施工时的索力 表 1 混凝土表面颜色 、 裂损剥 落、 锤击反应与温度的关系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 2期 邵永军 ， 等 ： 混凝土桥 梁火灾损伤检测评估方法与应用 9 3 或运营中的监控索力 进行对 比来 评价其 预应力损 失。具体方法如下 ： 1 )将索力计吸附在拉索 中点 ， 采集拉索在随机振动下 的振动信号 ； 2 )对信号进行 频谱分析 ， 获取前 凡阶 自振频率 ； 3 )根据索力计算 公式计算索的张力 ， 并 与拉索的设计索力进行对 比， 确定拉索的预应力损失。 2 ． 6 构件检测初步评估评级 火灾后 ， 桥梁结构构件的初步检测评估评级 ， 应 根据构件烧灼损伤 、 变形、 开 裂 ( 或 断裂) 程度按如 下标准评定等级。 I 级 ： 轻微烧灼或未直接遭受烧灼 ， 结构材料及 结构性能未受影响， 不必采取加 固措施。 Ⅱ级 ： 轻度烧灼 ， 但未对结构材料及结构性能产 生明显影响， 尚不影响结构安全和正常使用 ， 应采取 耐久性或外 观修复措施。一般无需采取加 固措施 ， 必要时进行详细检测。 Ⅲ级 ： 中度烧灼但仍保存大部分承载能力 ， 显著 影响结构材料或结构性能 ， 明显变形或开裂 ， 对结构 安全性或正常使用产生不利影 响， 应 采取加 固或局 部更换措施 。 Ⅳ级 ： 破坏 ， 火灾 中或火灾后结构倒塌或构件塌 落 ； 结构严重烧灼损坏 、 变形损坏或开裂损坏 ， 结构 承载能力完全丧失或大部丧失 ， 危及结构安全 ， 必须 立即采取安全支护、 彻底加固或更换措施。 2 ． 7 荷载试验 必要时 ， 对受损严重孑 L 进行荷载试验。荷 载试 验可综合评定承载能力 的衰减变化 ( 包括 因材质衰 减和预应力衰减造成 的承载能力降低 ) 。荷载试 验 可根据《 公路 旧桥承载能 力鉴定办法》( 试行 ) 的相 关规定进行。注意事项如下 ： f a ) 下行线第8 l 孑 L 1 )测试孑 L 应选择严重烧伤孔 ， 测试截面应选择 测试孑 L 在设计可变荷载作用下 内力最不利的截面和 严重烧伤截面； 2 )静 载试验测试工况 、 加载效率和 应力 ( 应变) 及挠度的测点布置既要满足《 公路 旧桥 承载能力鉴定办法》 ( 试行 ) 规定 ， 也要考 虑到火损 桥梁的特殊情况 ， 对结构严重损伤截面应增加测试 工况 ； 3 )加载过程严格执行分级加载 ， 各级荷 载到 位后 ， 应待结构变形完全稳定后再测取数据 ， 并将所 测最大挠度和应变与理论计算结果进行 比较 ， 确信 安全 ； 4 )若检测过程 中发现异常 ， 应立 即卸掉加载 车辆 ， 以防发生意外 。 动载试验 主要测试跑 车荷载作 用下结 构的频 率 、 阻尼比和冲击 系数 。为了与正常结构进行对 比 分析 ， 可对未受火灾影响的 同类型结构进行对 比测 试 ， 以分析火灾后桥梁承载能力的降低程度。 3 某高架桥火灾损伤检测评估 3 ． 1现场 调 查结 果 某高架桥为某 高速公路上一座特 大桥 ， 上部结 构采用 3 0 i n预应力混凝土连续箱梁。2 0 0 9年 5月 2 7日凌晨 3时许 ， 一辆满载汽油的油罐 车在通过该 桥时 ， 因雨天路滑 ， 车辆侧 翻导致罐体开裂 ， 汽油大 量外泄引发火灾。过火时间长达 1 h ， 经消防部 门采 取水淋方式将火熄灭。 3 ． 2表观 损伤 检查 结 果 该桥箱梁过火 区域混凝土表观颜色 、 病害分布 见网 1 ， 典型病 害见 图 2 。其 中， 重度过火 区域混凝 土表观呈浅黄色 ， 且伴有边角严重剥落 ， 锤击声音发 闷， 混凝土粉碎塌落。混凝土表面温度推定为 7 0 0～ 8 0 0℃左右 ， 局部 区域高于 8 0 0℃。 罐 雾 、 ．谑羹蒌 蠹 藿垂 垂 至|至蚕薹三虱 ( 上行线第8 5 孔 m 上行线第8 6 孑 L ! 二三 二 习影 响区： 轻度 过火， 表面熏黑 【 _ _ 三 ： 二 二 一 损 伤区： 重度 过火， 高温区 —— ■■ ● ● 严重损 伤区： 混凝士表面 烧损、 疏松， 边 角剥落 图 1 箱梁过火 区域 混凝 土构件表观颜色及损伤分布 喵 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第2期 邵永军， 等： 混凝土桥梁火灾损伤检测评估方法与应 用 9 5 验应变和挠度测试结果统计见表 4 。 动载试验现场分别在过火孔 、 未过火孔 的跨 中 截面测试桥梁结构 自振频率 ， 实测值和计算值对 比 见表 5 。 3 ． 9检测 评估 结论 1 )上行 8 5孑 L 1 一 3 箱梁、 8 6孔 1 箱梁 ， 下行 8 2 孑 L 1 箱梁严重烧伤 ， 中心 区域过火温度 约为 7 0 0～ 8 0 0 o C， 混凝土严重剥落 、 漏筋 ， 其 强度不能满 足设 计要求 。 2 )上行 8 5 墩左侧 和下行 8 2 墩右侧中度烧损 ， 烧损部位 的混凝 土 强度 不能 满 足设 计要 求 ； 上行 8 5 墩顶 2排支座 、 下行 8 2 墩顶 1排支座严重烧损 ， 不能正常工作 。 3 )下行 8 2 墩体外索 预应力损失超 过 6 0 ％左 右 ， 不能满足设计要求 ； 8 2 墩顶附近桥面混凝土铺 装层 、 护栏大面积过火 ， 混凝土表面严重爆裂。 4 )静载试验检测结果表明 ， 试验孔强度和刚度 明显下降 ， 承载力 已不能满足设计和正常运营要求 。 其 中， 上行 8 5孔损伤最为严重 ， 8 5 墩顶负弯矩连接 性能较差。动载检测结果表 明， 火灾对结构 动刚度 造成一定 的损 失 ， 特别 是上行 8 5孔动刚度 降低 明 显 。 5 )该桥结构构件评定结果为 Ⅲ级 ， 对结构安全 或正常使用产生 不利影 响 ， 应采取加 固或局部更换 措施 。 6 )综上所述 ， 笔者认为该桥 的承载能力和工作 性能不能满足设计要求 ， 必须立即进行加 固。 4结语 火灾后桥梁损伤检测评估工作已经成为摆在桥 表 2 混凝土强度 实测结果统计 表 3 盖梁体 外索的预应力损失测试 结果 表 4 各控制截面 校验系数均值统计 表 5 结构 1阶 自振频率 实测 结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 1丘 梁养护工作者面前的一个新课题。采用合适的检测 评估方法 ， 真实地检测评估火灾后桥梁实际状态是 桥梁加固维修工作成功的基础 。本文给出桥梁火灾 损伤检测评估 的方法和流程 ， 希望能为广大桥梁养 护工作者提供参考。 参 考 文 献 [ 1 ] 上海市建筑科学研究院． D B J 0 8— 2 1 9 —9 6 上海市火 灾后混凝土构件评定标准[ s ] ． 上海 ： 上海市建筑科学 研究院 ， 1 9 9 6 ． [ 2 ] 中冶建筑研究总院有限公司， 上海市建筑科学研究 院． C E C S 2 5 2 ： 2 0 0 9 火灾后建筑结构鉴定标准[ S ] ． 北 京 ： 中 国计 划出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 雷俊卿， 夏超逸 ， 彭小明． 混凝土桥梁防火减灾机理研 究 与应用 [ C ] ／ ／ 全 国既有桥梁 加 固 、 改造 与评 价学术 会议 论文集． 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 俞博， 叶见曙， 温天宇． 火灾后混凝土桥梁结构的工 程对策研究 [ c] ／ ／ 全国既有桥梁加固、 改造与评价学 术会议论文集． 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 刘鸿雁． 公路混凝土桥梁火灾后的检测与评估[ J ] ． 公 路交通科技 ： 应用技术版 ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 3 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王鹏刘孝辉陈骑彪《 水化热对斜拉桥混凝土主塔早期开裂影响研究) 2 0 0 9( 5 ) 本刊编辑部 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m