火灾后混凝土桥梁损伤评估方法与应用.pdf

第 3 7卷第 3期 2 0 1 1年 6月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 9 5 火灾后混凝土桥梁损伤评估方法与应用 张宏 ， 邵永军 ( 1 长安大学理学院， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 ； 2 陕西高速公路工程试验检测有限公司， 陕西 西安7 1 0 0 8 6 ) 摘要： 针对桥梁火灾后损伤评估这一新课题， 参照建设部研究成果， 并结合混凝土桥梁具体特点和目前常见评估方法， 通过 具体的案例分析 ， 给出混凝土桥梁火损评估的流程和方法， 为火损后 的桥梁加固设计和施工提供技术依据 ， 对其他类型桥梁 火损评估具有一定参考价值。 关键词： 桥梁； 火灾； 损伤评估 中图分类号： U 4 4 5 7 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 9 5 0 5 Fi r e d a ma g e a s s e s s me n t m e t h o d a n d a p p l i c a t i o n f o r c o nc r e t e b r i d g e Z H AN G H o n g S H A O Y o n g j u n ( 1 S c h o o l o f S c i e n c e ， C h a n g a n U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 6 4 ， C h i n a ； 2 S h a n x i E x p r e s s w a y T e s t i n g and Me a s u r i n g C o ， L t d ， X i a n 7 1 0 0 8 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f t h e mi n i s t r y o f c o n s t r u c t i o n， c o mb i n e d w i t h t h e s p e c i fi c c h a r a c t e ris t i c s o f t h e c o n c r e t e b r i d g e， a p r o c e s s a n d me t h o d s wa s g i v e n i n t h i s p a p e r f o r c o mmo n c o n c r e t b ri d g e fi r e d a ma g e a s s e s s me n t ， t o g e t h e r w i t h a c a s e s t u d y T h e p r o c e s s a n d w h i c h C an o ff e r r e f e r e n c e v a l u e f o r b ri d g e fi r e d a ma g e ass e s s me n t I t p r o v i d e t e c h n i c a l f o u n d a t i o n f o r d e s i g n a n d c o n s t ruc t i o n i n t h e b rid g e r e i n f o r c e me n t Ke y wo r d s ： b ri d g e； fi r e ； d a ma g e ass e s s me n t n _ 0 一 U 刖 吾 随着我国公路建设事业 的快步发展 ， 运营桥梁 的数量得到快速增长， 与此同时 ， 全国范围内关于桥 梁火损的报道也越来越多， 桥梁火灾后损伤评估也 成为桥梁运管单位需要面对的新问题 。而 目前对于 桥梁火灾后损伤评估的研究资料较少， 相关研究资 料和文献局 限于工业 与民用建 筑结 构的各类构件 ( 如梁、 柱、 板、 墙等) ， 直接用来桥梁火损后评估还 存在一定 的局 限性 。因此 ， 了解火灾对 桥梁损伤机 理， 结合现行检测手段对火灾后桥梁损伤程度进行 评估 ， 为桥梁加固提供技术参考 ， 成为 目前需要急需 解决的问题。本文以某 高架桥火损评估检测为例 ， 给出桥梁火灾后损伤评估 流程和检测方法 ， 可作为 其他火损桥梁损伤评估 的参考 。 该高架桥为某高速公路上一座特大 型桥梁 ， 上 部结构为采用不同跨径组合的预应力混凝土空心板 和预应力混凝土连续箱梁， 设计荷载等级为汽车 收稿 日期 ： 2 0 1 0 -0 7 - 2 2 作者简介： 张宏( 1 9 6 4一 ) ， 男 ， 陕西临潼人， 副教授， 研究方向为结 构力学和桥梁检测 。 E ma i l ： z h a n g h o n g-2 0 0 0 1 6 3 c o m 一 超2 0级 、 挂 一1 2 0 。2 0 0 9年 月 日凌晨 3时许 ， 一 辆满载汽油的油罐车途经该桥 ， 因雨天路滑 ， 车辆 侧翻到高架 桥护栏上 ， 导致罐 体开裂 ， 汽油大量外 泄 ， 沿桥泄水孔流到桥下河道 中。同时， 侧翻引发火 灾， 火焰迅速蹿高直接烧灼梁体。接到报警后， 消防 部门出动干警3 0余人， 出动5辆消防车采取水淋方 式灭火 。至凌晨 5时， 明火被完全扑灭 。 1 桥梁损伤评估流程 结合 火灾后建筑结构评估标准( 报批稿) 及 桥梁结构具体情况， 作者给出火灾后桥梁结构损伤 评估流程如下 ： 1 ) 查 阅原桥施工 图纸、 加 固施工 图纸 ， 以往定 期检查、 特殊检查及荷载试验报告等相关技术资料。 2 ) 现场初步调查 ， 调查询 问火灾 过程 ， 了解 火 灾起 因和部位 、 燃烧持续时间 ， 特别是轰燃( 猛烈燃 烧) 的特征和时间、 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 级， 清绘火灾区域、 影响范围及损伤等级分布图， 推 定火场温度过程及温度分布推定， 结构内部温度推 定 ， 推定过火部位混凝土、 钢筋、 预应力钢筋的强度 损失， 普通钢筋和预应力钢筋与混凝土黏结力损失 以及钢筋和混凝土弹性模量 的变化等。 9 6 四川建筑科学研究 第 3 7卷 4 ) 对火灾后结构 的整体和构件进行详细 检查 与检测 ， 包括混凝土强度 、 碳化深度 、 烧损层厚度、 支 座损伤情况、 拉索松弛情况等指标。 5 ) 对严重烧伤孔进行荷载试验， 测定试验荷载 作用下的强度、 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 ) 根据结构和构件的烧伤等级评定结果、 结构 材料损伤推定结果 以及荷载试验结果 ， 综合评定 桥 梁 的承载能力 ， 提出维修加固意见和建议。 2 结构损伤评估检测方法 2 1 表观损伤检查 火灾对桥跨结构作用温度、 持续时间及分布范 围应根据结构表观状况、 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 灾后结构构件内部截面曾经达到的温度可根据火场 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。 表观损伤常用检查方法如下： 1 ) 对直接暴露于火焰或高温烟气的结构构件， 全数检查烧灼损伤状况。烧灼损伤采用外观观察、 锤击回声 、 探针、 开挖探槽 ( 孔) 等手段检查 ， 得到结 构各典型部位的烧疏层厚度。 2 ) 对承受温度应 力作用 的结构 构件及连接部 位 ， 检查变形 、 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 ， 应辅 以温度作用应力 分析判断。 3 ) 火灾后结构材 料的性 能可能发生 明显改 变 时， 通过对典型结构构件取样检验或模拟试验确定 材料性能指标 ； 对于烧灼程度特征明显 ， 材料性能对 结构构件性能影响敏感程度较低 ， 且火灾前材料性 能明确 ， 可根据温度 场推定结构材料 的性能指标。 当根据温度场推定火灾后材料力学性能 指标 时， 宜 进行取样检验修正。 2 2混凝土强度检测 可通过 回弹修正法或者超声一 回弹修正法检测 混凝土强度。其 中回弹修正法检测流程 如下 ： 首先 应将被检测构件测区内烟黑表面清洗干净并将烧损 层表面用砂纸磨平， 然后用 回弹法检测混凝土抗 压强度技术规程 进行检测， 并计算各测区的混凝 土抗压强度值。并依据 火灾后建筑结构评估标准 ( 报批稿) 参照构件受火温度、 冷却方式、 有无粉刷 以及各测区的碳化深度值计算回弹修正系数 后 计算各测区火灾后抗压强度。计算混凝土构件抗压 强度评定值， 计算第一、 第二强度条件， 火灾后结构 或构件 的混凝土平均强度评 定取第一 、 第二强度条 件的最低值。 2 3 支座烧损状况检查 现场对过火部位支座的外观烧伤情况进行调查 标识 ， 对严重部位进行照相 ， 并挑选严重烧损支座 ， 用钢锯局部破开 ， 观察支座烧损深度。 2 4 拉索预应力损失检查 拉索结构在高温下将发生显著蠕变 ， 为 了评价 拉索的预应力损失， 可通过索力计测试体外索的残 存索力， 通过与施工时张拉索力对比评价索的预应 力损失。具体方法如下： 将索力计吸附在拉索中点， 采集体外索在随机振动下的振动信号， 并对信号进 行频谱分析， 获取前 阶自振频率。根据索力计算 公式计算索的张力， 并与设计体外索的张拉力进行 比对 ， 确定体外索的预应力损失 。 2 5构件评估评级 火灾后结构构件 的初步评估评级 ， 应根据构件 烧灼损伤 、 变形、 开裂 ( 或断裂 ) 程度按下列标准评 定等级 ： 状态 I 轻微或未直接遭受烧灼作用， 结构材料 及结构性能未受影响， 不必采取措施 ； 状态 - 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 可不采取加 固措 施 ， 必要时进行详细检测 ； 状态 中度烧灼尚未破坏 ， 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 使用性产生不利影响， 应采取加 固或局部更换措施 ； 状态一 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 构承载能力丧失或大部丧失 ， 危及结构安全 ， 必须或 必须立即采取安全支护 、 彻底加 固或拆除更换措施。 混凝土主梁、 墩柱火灾后初步评估评级可参照 建设部 火灾后建筑结构评估标准( 报批稿 ) 进行。 2 6荷载试验 静载试验测试孔选择存在严重烧伤且结构受力 不利的孔。根据 公路旧桥 承载 能力评估 办法 ( 试 行) 规定， 测试截面应选择桥梁在可变荷载作用下 内力最不利的截面和烧伤较为严重截面。静载试验 工况、 加载效率和应力( 应变) 和挠度的测点布置既 要满足 公路旧桥承载能力评估办法( 试行) 规定， 也要考虑到火损桥梁地特殊情况， 满足火灾后承载 能力评定的需要， 对结构严重损伤截面应当相应增 加测试工况。加载过程严格执行分级加载 ， 各级荷 载到位后待结构变形完全稳定后再测取数据 ， 并将 所测的最大挠度和应变与理论计算结果进行比较， 张宏 ， 等： 火灾后混凝土桥梁损伤评估方法与应用 9 7 确信安全。若检测过程中发现数据出现异常， 立即 卸掉加载车辆， 以防发生意外事故。 动载试验主要测试跑车荷载作用下结构的自振 频率测试、 阻尼比和冲击系数。为了与正常结构进 行对比分析， 可增加对未受火灾影响的同类型结构 进行对 比测试。 3 高架桥结构损伤评估 3 1 表观损伤检查结果 根据现场调查结果， 现场油罐车汽油泄漏后燃 烧时间大约 1 h ， 根据相关资料 ， 汽油油罐车起火 中 心温度约为 1 0 5 0 1 4 0 0 o C。对 火场 中混凝 土表 面温度曾经达到的温度， 根据混凝土表面颜色、 裂损 剥落、 锤击反应等指标按照表 1进行推断。 根据表观损伤检查情况， 该桥箱梁火烧区域混 凝土构件表观颜色、 病害分布如图 1 所示， 病害典型 照片见图 2 。其 中 ， 重度过火 区域混凝土表观颜 色 为浅黄色， 并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 一 8 0 0 左右， 局部区域高于8 0 0 q C 。 表 1 混凝土表面颜色、 裂损剥落、 锤击反应与温度关系 Ta b l e 1 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t e mp e r a t u r e t l l c o l o r o f c o n c r e t e s u r f a c e c rac k s p a l U n g a n d h a mme r i n g r e s p o n s e 上行线第8 6 孔 跨中 三霉0 4 雾8 12 16 20 24 28 in l e 囊要薹囊萋鄄 s 日 一 霎蒌薹薹萋薹勤 轻度过火表面熏黑 二二二 重度过火，高温区 混凝土表面烧损、酥松，边角剥落 匿曩蜀 嚣 图 1 箱梁火烧区域混凝土构件表观颜色及病害分布 F i g 1 Co l o r a n d d i s e a s e r e g i o n a l d i s t r i b u t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s ( a ) 箱粱混凝土表面呈浅黄色，大面积剥落 ( b ) 护栏、桥面铺装烧损严重 ( c ) 打孔验证t青灰色水泥浆已经烧 自 图2 典型烧损病害照片 F i g 2 A t y p i c a l d i s e a s e b u r n p i c t ur e 3 2 高温区箱梁底板的温度场推定 对严重烧伤部位的混凝土根据表面颜色、 锤击 声音等特征， 对于重度过火区域参照建设部 火灾 后建筑结构评估标准 附录 B确定 当量标准升温时 间。根据当量 升温时 间和 箱梁混凝土表 面推定温 度， 参考附录 E ， 确定按照表面温度 7 0 0 ， 当量升温 时间 5 0 m i n和表 面温度 8 0 o ， 当量升 温时 间 6 0 m i n 两种工况推算箱梁底板或腹板的温度场， 如图3 所示。 3 3 混凝土强度检测 按照 火灾后建筑结构评估标准 附录 F ， 采用 修正回弹法检测正常部位和烧伤部位的混凝土强 度。根据构件受火温度、 冷却方式、 有无粉刷以及各 测区碳化深度值按照下式计算各测区的回弹修正系 9 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 图3 箱梁温度场分布推定 Fi g 3 T h e t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n p res u m p ti o n o f b o x b e a m 数。 =O 71 83 4 1 0一 T +5 0 5 1 0一 d 式中 为回弹测区修正系数； T为混凝土构件受 火温度； d 为火灾后构件的碳化深度。 构件强度评定第一条件和第二条件按下式计 算。构件混凝土的平均值取两者的最小值。 f o n 。 = 1 1 8 一 K S ) 第-N定条件 f o ， =1 1 8 f o i 第二判定条件 火损区混凝土强度检测结果见表 2 。 表2 测区混凝土强度实测结果统计 Ta b l e 2 Th e s t a t i s tic s r e s u l t s o f c o n c r e t e s t r e n g t h t e s t 测 区 部 位 第 件 第 件 菱 暴 轻微过火区域4 5 0 4 5 8 3 8 0 满足 腹板严重烧伤区 3 0 0 2 8 4 3 8 0 不满足 底板严重烧伤区 2 6 2 2 7 3 3 8 0 不满足 未过火区域 5 1 5 5 1 8 3 8 0 满足 盖梁中度烧伤区 2 8 5 2 8 7 3 8 0 不满足 3 4 火烧后材料性能折减系数 根据混凝土表面灼着温度和冷却方式， 推定火 灾后构件混凝土强度、 弹性模量、 与钢筋粘接强度折 减系数。其中， 上行线严重烧伤区域材料性能折减 系数如图4所示。 0 1 0 2 0 3 0 40 5 0 60 7 0 至箱梁底板或腹板表面距离 ， r n n l 图4 箱梁严重烧伤区材料性能折减推定 F i g 4 Re d u c t i o n p r e s u m p t i o n o f b o x b e a m S ma t e r i a l p r o p e r t i es 根据图4离底板 3 c m强度和弹性模量折减系 数均为 0 7 0左右 ， H R B钢筋与混凝 土粘 结强度折 减系数为0 9 0 。查阅该桥图纸， 钢筋离箱梁底板距 离约为3 5 c m， 高温冷却后强度折减系数为0 9 5 。 3 5 支座烧损情况检查结果 现场检查支座损伤情况可参见 图 1 。支座典型 损伤照片见图 5 。其中， 烧损较为严重的为上行线 8 5 墩顶 2排支座 1 6块支座和下行线 8 2 墩顶单排 靠近中间两块支座。 图5 支座烧伤典型照片 F i g 5 Ty p i c a l p h o t o o f b u r n ed b e a r i n g 3 6 盖梁体外预应 力损失检查结果 体外 预 应 力 索 的烧 损 情 况 见 图 6 。利 用 D H 5 9 2 0无线振动测试系统( 索力计 ) 现场检测求出 各索前4阶自 振频率。根据下式计算结构索力。各 索实测索力结果及预应力损失程度见表3 。 图6 体外预应力索烧损情况 F i g 6 P h o t o o fb u rn ed p r est r ess ed c a b l e T = 4 2 一丁n 2 E I 2 n L 3 7静载试验结果 静载试验测试孔选择存在严重烧伤 、 且结构受 力不利 的上行 线第 8 5， 8 6孔。应变测试 截面选择 8 6 孔、 8 5孔的跨中截面、 8 5孔 3 L 4截面、 8 5 墩顶 支点截面 ， 挠度测试截面选择 8 6孔 、 8 5孔 的跨中截 面 。 本次荷载试验共采用 6 辆三轴载重汽车。静载 试验分为 8种试验工况 。各工况采用 三列车 队加 载。考虑到该桥桥面净宽度仅为 9 7 5 m， 按三车道 布置中载与偏载位置基本相同， 本次静载试验仅考 虑左、 右偏载工况。静载试验 中应变和挠度测试结 果统计见表 4 。 2 0 1 1 N o 3 张宏 ， 等： 火灾后混凝土桥梁损伤评估方法与应用 9 9 荷载工况 8 6 孔跨中正弯矩 8 5 墩顶负弯矩 8 5 孔3 L 4正弯矩 8 5 孔跨中正弯矩 左偏载 右偏载 左偏载 右偏载 左偏载 右偏载 左偏载 右偏载 8 6 孔跨中挠度0 9 1 2 8 5 孔跨中挠度0 1 0 0 各控 制截 面府 变 1 1 4 0 0 9 4 0 O 1 1 3 1 1 7 8 1 0 3 2 1 6 5 9 0 3 5 6 1 1 0 7 1 6 9 6 0 3 8 6 0 1 0 3 1 0 3 4 1 2 8 4 O 1 5 l 1 0 5 9 1 2 1 9 0 1 53 1 I 1 O 1 0 1 5 0 1 3 5 1 1 0 5 1 1 5 6 3 8 动载试验结果 3 8 1 振型及 自振频率计算结果 上行线过火联4 3 0 m预应力混凝土先简支后 连续箱梁计算振型与自振频率详见图7 。 ( a ) 一阶振型对应自振频率Z = 3 6 6 H z ： _啭 獬 哪嗯 嚣 懈 氅氅 甓 嚣 | 茜 t 麓 螂8 _ 一 ( b ) 二阶振型对应 自振频率A- 4 2 3 H z 图 7 4 X 3 0 m连续箱粱结构计算振型 F i g 7 Ca l c u l a t e d v i b r a ti o n f o r m a ti o n d i a g r a m o f t h e 4 3 0 m c o n tin u o u s b o x b e a m 3 8 2 加速度测试结果与 自振频率分析 桥梁结构自 振频率计算值和实测值对比见表5 。 表 5 结构一阶自振频率实测值和计算值对比 Ta b l e 5 Th e m e a s u r e d a n d c a l c ula t e d c o n t r ast o f s t r uc t u r e s fi r s t o r d e r n a t ur al f r e q u e n c y 3 9 高架桥结构损伤评估结论 1 ) 上行线 8 5孔 1 ， 2 ， 3号箱梁、 8 6孔 1号箱梁 ， 下行线 8 2孔 l号箱梁严重烧伤， 过火温度约为 7 0 0 一 8 0 0 ， 梁体表面呈现浅黄色， 伴有严重混凝 土剥落、 漏筋， 混凝土强度不能满足设计要求。 2 ) 上行线 8 5 墩左侧 和下行线 8 2 墩右侧 中度 烧伤， 烧伤部位的混凝土强度不能满足设计要求。 3 ) 上行线8 5 墩顶两排支座、 下行线 8 2 墩顶单 排支座严重烧伤， 不能正常工作。 4 ) 下行线 8 2 墩体外预应力索预应力损失超过 6 0 左右， 不能满足设计要求。 5 ) 下行线 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。 6 ) 静载试验检测结果表 明， 两试验孔均受到火 灾影响， 强度和刚度明显下降。其中， 上行线 8 5孔 损伤较 8 6孔更为严重 ； 8 5 墩顶负弯矩连接性 能较 差， 但不能断定是由于本次火灾影响所致。该两孔 承载力 已不能满足设计和正常运营要求。 7 ) 动载检测结果表明， 上行线 8 6孔动刚度与 未过火的8 7孔相近， 频率比基本相同， 8 5孔一阶自 振频率比相对较低， 火灾对结构动刚度造成一定的 损失。 综上所述 ： 该桥结构构件评定结果均为状态， 中度烧灼尚未破坏 ， 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性产生 不利影响 ， 应采取加固或局部更换措施。作者认 为 该桥的承载能力和工作性能不能满足设计要求， 必 须进行立即加固或改建。 4 结 语 火灾后桥梁损伤评估 已经成为摆在桥梁养护工 作者面前的一个崭新课题， 采用合适的评估方法， 真 实的反应桥梁实际状态是桥梁加固维修的重要参 考。本文采用建设部近年来火灾损伤研究成果 ， 并 结合桥梁结构的特点， 给出桥梁火灾损伤评定的方 法和流程 ， 为广大桥梁养护工作者解决类似 问题 提 供一定的参考价值。 参 考 文 献： 1 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 2 C E C S 2 5 2 2 0 0 9火灾后建筑结构鉴定标准 s 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 南 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 南京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 8