某预应力混凝土连续梁桥火损评估与加固.pdf

桥梁建设2 0 1 5 年第 4 5卷第 4期( 总第 2 3 3期) Br i d g e Co n s t r u c t i o n，Vo 1 4 5 ，No 4，2 0 1 5( To t a l l y No 2 3 3 ) 8l 文章 编号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 8 1 0 7 某预应 力混凝土连续梁桥火损评估与加 固 刘 华 ， 高宗余 ， 刘其伟。 ， 张军雷 ( 1 中铁 大桥 勘 测设计 院 集 团有 限公 司 ， 湖北 武 汉 4 3 0 0 5 0 ； 2 中铁 大 桥( 南京) 桥 隧诊 治有 限公 司 ， 江苏 南 京 2 1 0 0 6 1 ； 3 东 南大 学交通 学 院 ， 江 苏 南京 2 1 0 0 1 8 ) 摘 要 ： 某大桥靠岛岸侧的 5 3 5 m连续梁引桥 于 2 0 1 2年 某 日凌晨 3时左右遭 受火灾。为 恢 复该桥 的使 用功 能 ， 针 对 火损 后 的桥 跨 进 行 现 场 检 测 ， 并 结合 火 场 温度 和 结 构 温度 场 的模 拟 分 析 ， 对结构的受损程度进行综合评定。结果表明箱梁表面有较 大面积的混凝土崩落， 且造成钢筋外 露 ， 受 火 灾影响 最为严 重 的是 内侧 翼 板 处 ， 因火损 导致 8根横 向预 应 力钢绞 线 外露 。在此基 础 上针 对箱 梁混凝 土 火损 后 剥 落采取砂 浆修 补 或灌 注并 结合 粘 贴锚 固钢板 的措 施 ； 针 对 翼板 横 向预 应 力 火损 采取 增设钢 结 构 隔板 的措 施 ； 针 对 结构整 体采 用张拉 粘 贴预 应 力 碳 纤 维板 的措 施 进 行 维修 加 固。经试 验评 定 ， 验 证 了加 固方案 实施后 的桥 梁承载 能力得 以恢 复 。 关键 词 ：连 续 梁桥 ； 箱 形 梁 ； 预 应 力混 凝 土结构 ； 火损 ； 检 测 ； 评 估 ； 维修加 固 中图分 类号 ： U4 4 8 2 1 5 ； U4 4 5 7 文献标 志码 ： A As s e s s me n t a n d S t r e n g t he ni ng o f a Fi r e Da ma g e d Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Co n t i nu o u s Gi r d e r Br i d g e LI UHu a ，G AOZo n g y u ，LI UQi w e i 。 ，ZHANGJ u n l e i 。 ( 1 Ch i n a Ra i l wa y Ma j o r B r i d g e Re c o n n a i s s a n c e& De s i g n Gr o u p Co ，Lt d ，Wu h a n 4 3 0 0 5 0 ，Ch i n a ； 2 Ch i n a Ra i l wa y Ma j o r Br i d g e( Na n j i n g )B r i d g e 8 L Tu n n e l Di a g n o s i s Re me d i a l Co ，Lt d ，Na n j i n g 2 1 0 0 6 1，Ch i n a；3 S c h o o l o f Tr a n s p 0 r t a t i 0 n ，S o u t h e a s t Un i v e r s i t y，Na n j i n g 2 1 0 0 1 8 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e 53 5 一 m s p a n c o n t i n u o u s g i r d e r a p p r o a c h b r i d g e o f a b r i d g e o n t h e i s l a n d b a n k s i d e c a u g h t f i r e a t a b o u t 0 3： 0 0 i n t h e e a r l y mo r n i n g i n a d a y i n 2 0 1 2 To r e s t o r e t h e o p e r a t i o n a l f un c t i o n o f t he br i d ge ， t he f i r e d a m a g e d s p a ns of t he b r i dg e we r e i ns p e c t e d i n t h e f i e l d，t he f i r e t e mpe r a t ur e s a n d t e m p e r a t u r e f i e l d s of t h e s t r uc t ur e we r e s i m ul a t e d a nd a n a l y z e d a nd t he da m a ge d e g r e e s o f t h e s t r uc t u r e we r e c omp r e he n s i v e l y a s s e s s e d Th e r e s ul t s o f t h e a s s e s s m e nt s h ow t ha t r a t h e r gr e at a r e a of c on c r e t e s p a l l i ng o c c u r s o n t he s ur f a c e o f t he bo x g i r de r o f t he br i d ge a n d t he c o nc r e t e s p a l l i ng c a u s e s t he e xp o s u r e of t he r e i nf or c e me nt t he r e The p a r t of t he b ox g i r de r a f f e c t e d mos t s e ve r e l y b y t he f i r e d a ma ge i s t he i n ne r s i d e c a nt i l e ve r s l a b whe r e 8 t r an s ve r s e p r e s t r e s s i n g s t e e l wi r e s t r a nd s a r e e xp os e d A c c or d i ng t o t he a s s e s s me n t，t h e c o nc r e t e s p a l l i ng o f t he bo x g i r d e r i s r e p a i r e d by t he m e a s u r e o f p l a s t e r i ng o r g r o ut i n g t he c e me nt m o r t a r a n d b i nd i n g t h e a n c h or s t e e l pl a t e s The d a ma g e d p r e s t r e s s i ng s t e e l wi r e s t r a n ds o f t h e c a nt i l e ve r s l a b a r e r e p a i r e d by t he me a s ur e o f a d di ng t he s t e e l pa r t i t i o n p l a t e s a nd t he who l e s t r uc t ur e i s r e p a i r e d a nd s t r e ng t he ne d b y t h e me a s u r e o f b i n d i n g a n d t e n s i o n i n g t h e p r e s t r e s s i n g c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l y me r( CF RP) p l a t e s Th e f u r t h e r t e s t s a n d a s s e s s me n t p r o v e t h a t t h e l o a d b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e b r i d g e h a s be e n r e s t o r e d a f t e r a l l t he s e me a s ur e s a r e t a ke n Ke y wo r d s：c o nt i n uo us gi r d e r br i d g e；bo x g i r de r；p r e s t r e s s e d c o nc r e t e s t r u c t u r e；f i r e d a m a g e； i ns pe c t i on a n d t e s t i n g；a s s e s s m e n t ；r e pa i r i n g a nd s t r e n gt he ni ng 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 1 1 8 ， 作者简介 ： 刘华 ， 高级工程师， E - ma i l ： l i u h b r d i c o rn c n 。研究方 向： 桥梁结构的检测试验评估与维修加固改造、 动力响应 与健康监测 。 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 某 预应 力混凝土连续梁桥火损评估与加 固 刘华 ， 高宗余 ， 刘其伟 ， 张军雷 8 3 针对火损后的桥跨进行现场检测评估 ， 包括火 灾区域及结构受损外观的检测 、 混凝 土强度和碳化 的检测、 钢筋性能检测、 预应力钢绞线检测等。 ( 1 )结 构受损 外 观检测 。对 火 损后 的主 梁外 观 进行检测前 ， 需先对火损 区域 的崩裂及松散混凝土 进行清除， 主梁火损区域及混凝土崩落的总体概况 如 图 3所 示 。 由图 3可 知 ， 火 损 桥 跨 箱 梁 的底 板 下 表 面 、 内侧腹 板 的外表 面和 内侧 翼板 的下 表面 ， 火损 区域 ( 高温区， 混凝土剥落) 的面积分别 为 2 2 m 、 l 1 m 和 3 6 m ， 混 凝 土 剥 落 最 大 深 度 分 别 达 到 8 O mm、 7 3 mm 和 1 6 2 mm。混凝土剥落区域大部分钢 筋外 露 ， 其 中最 为严重 的是 内侧 翼板 的下 表面 ， 因混 凝土剥落深度过大导致横向预应力钢绞线 的波纹管 暴露过半 ， 即横向预应力可能直接遭受过火损 。 3 5 0 0 底板纵向预应力钢绞线 、 006 6 麓裙 一 一一目 髫 i 一 戮爨灏 混 凝 土 剥 落 区 域 餐 l ll l ll 瑟 蘸 il ll 一 。 l I 。 l ( a )平面 1 2 0 0 L ； ( b )横截 面 单位：c m 图 3主梁 火 损 区域 布 置 Fi g 3 Fi r e Dama g e Ar e a s o f M a i n Gi r de r ( 2 )混凝土强度检测。混凝土在受火灾高温作 用下强度会显著降低 ， 并会 开裂崩裂 。清除这些受 损混 凝 土后 ， 采用 超 声 回 弹法 和 取 芯试 验法 对 结 构 自身 保 留部分 的 混凝 土 的 强 度进 行 检 测 ， 判 定 是 否 符合 要求 。检 测结 果表 明 ， 无 论是 超声 回弹 法 ( 共 计 3 0个测区) 还是取芯试验法( 3 个试验) 检测 ， 清除受 火损 混凝 土后 的保 留部 分 ， 强 度 均 满 足 原设 计 的技 术要 求 ， 评定 可继续 利用 。 ( 3 )钢筋力学性能检测。因混凝土受火剥落严 重 ， 剥落深度超过钢筋保护层厚度 ， 导致箱梁的底板 下表面 、 腹板外表面和翼板下表面均有大面积 的钢 筋外露 ， 即钢筋在火灾过程 中直接火损过 。基于钢 筋 是结 构 的主要 材料 之 一 ， 需 对 暴 露 的 钢筋 进 行 检 测试验 ， 判定是 否符合相关要求 。钢筋的检测除 了 外观锈蚀 、 直径等方面之外 ， 还截取了 4根样 品进行 了相关 力学 性 能试 验 。试 验 结 果 表 明 ， 外 露钢 筋 受 火后 ， 屈服强度、 抗拉强度 、 伸长率等主要性能满足 规 范要 求 。 ( 4 )预应力钢绞线检测。预应力钢绞线是主梁 的关键构件 。该桥跨箱梁的底板及腹板因混凝土剥 落 深度 较浅 ， 即底板 和 腹 板 的纵 向预 应 力 钢 绞线 受 火 影 响较小 ， 根 据温 度 场 分 布 和 现场 检 测 可判 断 纵 向钢 绞线 的 有 效 应 力 和 材 质 基 本 不 会 因火 灾 而 改 变 。箱梁翼 板 的横 向预应 力钢 绞线 则有 8根 波纹 管 大部分外露 ， 而且检测发现波纹管内钢绞线未见灌 浆料的保护， 即顶板横 向预应力钢绞线存在长时间 的直接过火可能性 ， 其有效预应力和相关材料力学 性 能 存在 不确 定性 。 2 3 火损 桥跨 的温 度 场分析 2 3 1 分析模 型及 参 数 ( 1 )火灾温度 曲线 。为进行混凝土结构在高温 下 的温度 场分 析 ， 首 先 需 了 解 火场 温 度 。影 响 火 灾 的因素众 多 ， 导致 不 同情 况 下 的火 灾 温度 时 间 曲 线 相 差 较 大 。 目前 常 用 的 火 灾 温 度 曲 线 包 括 I S O8 3 4 、 EUROCODE、 AS TM E1 1 9以 及 CAN4 一 $ 1 0 1等火灾升温曲线 。根据火场调查结果 ， 燃 烧 时火焰 温度 可能 达 到 1 0 0 0 以上 ， 且 燃 烧 时 间 较 长 ( 可 能有 1 h左 右) ， 此 处 火 灾 温度 采 用 国 际标 准组织( I S O ) 提供的 I S O8 3 4标准火灾升温曲线 ， 该 曲线 能 够体 现燃 烧 物 土工 布 的燃烧 特 点 ， 具有 一 定 的代表性和规律性， 其计算公式如下 ： T To+ 3 4 5 1 g( 8 t + 1 ) 式 中 ， 丁 0为环 境 初 始 温 度 ； t 为 时 间 ； T为 t 时 刻 的 温 度 。 ( 2 )火灾下混凝土爆裂深度 。在火灾高温环境 下 ， 混凝土爆裂主要表现为表面局部或整体发生剥 落破坏 。影响火灾下构件混凝土爆裂的因素繁多 ， 如混 凝 土强度 等 级 、 混 凝 土 含 水率 、 骨料 种 类 、 迎 火 面预压区应力水平 、 升温速率等 。但对于预应力构 件 ， 由于其迎火面预压 区的压应力水平较高或拉应 力水平较低 ， 在火灾发生时较普通混凝土构件更容 易 发 生爆裂 5 。混 凝 土 爆 裂需 要 一 定 的受 火持 续 时间以聚集足够 的爆裂能量 ， 一般为过火后 的 8 2 3 rai n ， 平均 约 为 1 5 rai n ， 爆裂深 度一 般为 钢筋 的保 护层厚度 ； 爆裂 的临界 温度 主要集 中在 3 5 0 5 0 0 。鉴 于此 ， 对 于该桥 跨假定 箱 梁在受 火 1 5 rai n时 底 板 、 腹 板及 翼板 混凝 土 开始爆 裂 ， 并 根据 现场 调查 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 结果确定底板、 腹板及翼板混凝 土爆裂深度分别为 3 c m、 4 c m 和 4 c m。 ( 3 )火灾下箱梁传热模 型。在火灾 高温作用 下 ， 箱梁 与外 界空 气 、 内腔空 气 存 在 热辐 射 、 传 导 和 对 流 ， 箱 梁 自身 内部 温度 场 随火 灾 时 间推 移 而不 断 变 化 ， 箱 梁受 火面处 于非 稳态 升温环 境 ， 同时混 凝土 等材料的热工参数也随温度或时间而变化 ， 因此其 温度场为非线性瞬态导热问题。为能较真实地模拟 箱 梁火灾时 的温度场分 布情况 ， 建立有 限元仿 真分析 模型分析箱梁在火场温度作用下的温度梯度分布。 ( 4 )材料 热 工 参数 。空 气 热 传 导 系数 一 0 0 2 4 2 W ( m ) ， 比热容 C a 一1 0 0 6 4 3 J ( k g ) ， 质量 密度 一1 2 0 5 k g m。 。混 凝 土质 量 密 度 l D 一 2 5 0 0 k g m。 ， 混 凝 土热传导 系数 和 比热 容 C 。 是 温度 丁的 函数 ， 分别 按下 式计算 ： ： 2 0 2 4 ( T 1 2 0 )+ 0 0 1 2 ( T 1 2 0 ) 0 C O 0 ( 2 O T 1 0 0) O O +( 丁一1 0 0 ) ( 1 0 0 T 2 0 0) 0 0 0 +( T一2 0 0 ) z ( 2 0 0 T 4 0 0) 1 0 0 ( 4 0 0 T 1 2 0 0) 2 3 2 温 度场 分析结 果 混凝土材料具有热惰性。在火灾高温作用下， 随着距离箱梁底板、 腹板及翼板表面深度的增加 ， 混 凝土内部受火温度逐渐降低 ， 从而在箱梁内部形成 一 定的温度梯度 。经分 析 ， 箱梁在经 受不 同时 间的过 火 ， 温 度 梯 度 在 不 断 变 化 。箱 梁 在 受 火 6 0 rai n时的截 面温度梯度分 布及底板在 受火 1 5 ， 3 o ， 4 5 ， 6 0 mi n时的温 度梯度 分布情 况 如图 4所示 。 由图 4并结合 现场 调研检 测分 析认 为 ： ( 1 )火灾燃烧 时间约 1 h ， 箱梁表面温度约 9 2 0 ； 箱梁底板 、 腹板及翼板保护层混凝土 ( 3 c m、 4 c m 及 4 c m) 爆 裂后 ， 底 板 自下 而 上 6 C l T I 厚度 范 围 内 、 腹板 自左 向右 8 c m 厚 度 范 围 内 以及 翼板 自下 向 上 8 c m 厚度 范 围 内混 凝 土 ( 均 含 爆 裂 厚度 ) 的温 度 由 表面 8 0 0左右逐渐衰减至 4 0 0左右 。 ( 2 )箱梁底板和腹板混凝土有发生第二次爆裂 的可能性 ， 而翼板下缘混凝土则有发生第三次爆裂 的可 能性 。 ( 3 )由于混凝土热惰性较大 ， 底板 、 腹板混凝土 爆 裂深 度均小 于混 凝土 内部波 纹管 至箱 梁表面 的距 离 ， 火 灾对预 应力钢 绞线 的力学 性能 影响 十分有 限 ； 箱 梁翼板 部分 位 置 出现 横 向预应 力 筋 暴 露 的现 象 ， 其 实 际过火 温度 可能高 于有 限元分 析计 算结果 。 潮 嘲戳黼黼姻戳谶激 麟辎黼黼 谶 鬣 u_=_ 0囊黼- 嘲冁 2 5 3 0 1 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 7 5 0 90 0 ( a ) 箱梁受火 6 0 m i n 时的温度梯度分布单位： p 赠 距离底缘位置 c m ( b )底板不 同时刻温度梯度 分布 图 4 箱梁温度场分布 Fi g 4 Te m p e r a t u r e Fi e l d Di s t r i b ut i o n of Bo x G i r d e r 3 箱梁 火损修 复加 固 箱梁火损后的修复加固主要包括以下 3个方面 的内容。 3 1 受损混凝土修复 箱梁 的底板 下 表 面 、 内侧 腹 板 的外 表 面 和 内侧 翼板 的下 表面 均有 较 大 面积 的 昆凝 土崩 落 ， 平 均 剥 落深 度分 别 达 到 4 0 mm、 3 6 mm 和 8 1 mm， 且 造 成 钢筋外露 ， 甚至翼板横向预应力钢绞线暴露 。因此 对受损区域的混凝土进行修复加 固， 以恢复因火损 而损失 的结 构刚度 _ g 。 该部分维修的基本思路为 ： 选择聚合物高性能 砂浆作为修复材料 ， 采用逐层修补与灌注相结合的 方法 ， 在底面或侧面粘贴锚固钢板 ， 钢板兼作修复模 板与补强措施， 进行结构尺寸的恢复 。具体方法与 步骤为： 将剥 落区域表层劣质混凝土凿 除， 并将 周边 区域 ( 粘 贴钢 板 范 围) 表 层 混 凝 土 凿 除 。 凿 除范 围内涂刷 阻锈剂 ， 对外 露钢筋 进行 除锈 与整 合 、 置换 ， 植入 粘贴钢 板锚 固螺 杆 ， 在 箱梁 底板 或翼板 钻 注浆出入孔 。 涂刷界面剂 ， 对剥落区域外露钢筋 网以下的范围进行逐层修补。 在钢板上放样钻 孔 ， 将钢板 粘贴 面涂 刷粘钢 胶 ( 植 砂粒 ) 后安 装就 位 。 周边局部 即为粘贴钢板 ， 中间部位 即形成 了空腔。 须 保证 钢板周 边及 对接缝 密 实 、 不漏 气 。 在 低端 注浆孔注入砂浆， 待空腔中部及高端周边的出浆孔 均 流 出均匀 的砂浆 后 ， 逐 个封 闭孔 口， 确 保注浆 饱满 与密 实 。 养 护并进 行钢 板表 面防 护 。 以底板为例， 其受损混凝土修复示意如图5所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w 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