火灾后桥梁维修加固设计及施工技术研究.pdf

犇 犗 犐：火灾后桥梁维修加固设计及施工技术研究曾尉萍（湖州交通规划设计院，浙江 湖州 ）摘要：桥梁被火烧后，其技术状况等级评定、结构烧伤程度鉴定、维修加固方案选择等是研究重点，须在确保安全的前提下，通过技术手段修复受损构件，使桥梁尽快恢复运营。文中通过一座火烧桥梁的维修加固，介绍火灾后桥梁的维修加固技术措施，针对不同构件被烧伤程度，结合构件的受力特点制定适合的加固方案，并阐述关键施工工艺及施工中易忽视的细节等。关键词：桥梁；火灾；维修加固；施工技术中图分类号：文献标志码：文章编号：（）近年来，重要桥梁被意外火烧的情况时有发生，严重影响了桥梁的使用功能，损伤严重的桥梁将直接导致交通中断，造成巨大经济损失的同时，也给道路交通带来极大安全隐患。火灾后，受损桥梁的维修加固设计及相关施工技术都有待研究。本文通过某大桥的工程实例，介绍火灾后桥梁加固设计方案及施工措施，供同类型工程参考。工程概况某桥梁位于浙江省湖州市某重要县道上，该道路是连接当地两个重要乡镇的主要交通要道。该桥建成于 年，主线桥孔跨布置为（），右偏角 ，标准段桥宽，全长 。主桥上部结构采用计算跨径为 的下承式混凝土系杆拱桥，下部结构为柱式实体方墩。引桥上部结构采用 预应力混凝土空心板和、跨现浇钢筋混凝土箱梁，下部结构为柱式墩、钻孔灌注桩。桥梁设计汽车荷载采用 公路桥涵设计通用规范 中公路级标准。桥面为沥青混凝土铺装。该桥发生火灾的部位为第跨桥下，火灾原因是桥下临时停放的货车发生自燃。根据现场调查，结合检测结论，起火点位于墩西南侧附近，被火烧最严重的区域为第跨桥下西南侧，其余跨受火灾影响较小。桥梁火烧部位见图。火烧后第跨桥主要病害如下：）第跨上部结构为 空心板梁，梁板底部被烟熏黑，梁底裂缝情况不明，部 分 板 梁底 局 部区 域 混凝土 剥 落。）第跨下部结构中，墩（引桥桥墩）距离着火点图桥梁火烧部位示意图（单位：）较远，受火灾影响小；墩（主桥桥墩）距离着火点较近，为火灾重灾区，烧伤程度较严重。其中盖梁烧伤程度最严重的主要为南面西侧范围及盖梁底部与墩柱（墩最西侧墩柱）接触的区域，病害表现为火烧部位混凝土表面产生网状裂隙，局部区域混凝土脱落，最大烧伤深度约。盖梁其余部位距离着火点较远，受火灾影响较小。图为墩盖梁、墩柱火灾受损现场照片。）墩柱烧伤程度最严重的为南侧，上部烧伤程度比下部严重，南侧烧伤程度比东、西侧严重。火烧部位混凝土表面布满网状裂隙，最大烧伤深度约。墩中墩柱和东侧墩柱距离着火点较远，受火灾影响较小。）第跨空心板梁橡胶支座损坏，主桥盆式支座完好。）第跨西侧栏杆涂层脱落。）第跨西侧集中排水管变形融化，丧失排水功能。图墩盖梁、墩柱火灾受损情况公路与汽运总第 期犎 犻 犵 犺 狑 犪 狔 狊犃 狌 狋 狅 犿 狅 狋 犻 狏 犲犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 狊综合以上桥梁病害，第跨上部结构技术状况评定为类，下部结构评定为类，全桥技术状况综合评定为类。依据 公路桥涵养护规范，对于类桥应立即采取修复养护、加固或改造措施，同时及时对桥梁采取交通管制措施，必要时封闭桥梁交通。设计构思与总体设计桥梁火烧病害的检测正常营运桥梁的病害发展过程缓慢，且有先兆，按照正常检测频率和常规外观检测完全可以满足管养需求。而桥梁被火烧事件具有偶然性、突发性，且一旦发生，危害巨大，常规检测的作用极其有限，须进行专项检测。针对第跨上部结构空心板梁底部被烟熏黑、梁体损伤程度不明的情况，委托专业检测机构对第跨桥梁板进行荷载试验，通过观察桥跨结构控制截面的应变和挠度，并与理论计算值进行比较，了解梁板目前的受力状态，检验梁板刚度及承载能力是否满足规范要求。同时委托专业检测机构对第跨下部结构距离着火点较近的主墩及墩柱的混凝土强度、碳化深度进行检测，通过现场钻孔和化 学 试 剂 检 验 确 定 火 灾 后 桥 梁 构 件 的 损 伤 程度，为桥梁加固设计提供基础数据和依据。桥梁火烧病害维修加固的理论依据和一般原则火灾后桥梁构件的受损程度主要与火场温度和火灾持续时间有关，温度越高，火灾持续时间越长，混凝土和钢筋的力学性能退化越严重。主要通过观察受损构件的现场残留物、外观和烧损层厚度等对火场温 度 及 桥梁 构 件受 损 程 度 进 行 分 析判断。火灾后混凝土结构加固设计的一般原则为“以构造为主、计算为辅，强调概念设计”。目前，钢筋混凝土构件经火烧后的补强加固设计理论还不成熟，且研究资料较少，计算理论的不成熟只能通过增加构造措施来弥补。制定补强措施时应着重考虑以下问题：混凝土破坏深度的鉴定及处理；混凝土强度损坏的鉴定；拟定保证新旧混凝土结合的有效构造措施；混凝土裂缝的修补复原；补强钢筋的锚固措施；原钢筋与混凝土之间的黏结强度；受损钢筋的替换。概念设计是相对于设计计算而言的，它是根据工程结构的设计理论和方法，针对工程结构受火灾损伤程度，本着“安全、适用、经济”的原则进行结构修复的整体考虑和布置。通过概念设计拟定相应的构造措施，恢复原结构设计的预定功能。桥梁火烧病害维修加固技术措施研究下面参考文献 、，结合该桥检测结果研究第跨火灾受损构件（上部空心板、下部结构盖梁和墩柱及附属设施）的维修措施和施工工艺。上部结构空心板火烧病害维修措施第跨空心板梁底面混凝土被黑色烟雾覆盖，其中西侧板梁打磨后略带土黄色，混凝土表面局部鼓包，属中度损伤。预应力混凝土结构受到火的作用后，直接过火的混凝土和钢筋材料的物理、力学性能发生变化，材料强度及弹性模量降低，截面应力重分布，由于应力释放过程不可逆，无法经修复恢复到原来的应力状态，导致桥梁结构的安全性和耐久性降低。根据桥梁荷载试验结果，第跨西侧板梁被火烧后刚度受到较大影响，梁板挠度超出规范限值，承载能力降低较多，已不能满足规范要求。板梁表面混凝土被烟雾熏黑，打磨后混凝土颜色正常，属轻度损伤。第跨上部结构空心板的维修措施：）更换西侧板梁，浇筑新板梁桥面铺装混凝土、人行道桥面系等。）对于 板梁，将梁底混凝土表面烟熏层去除后，均匀涂抹厚混凝土修补胶进行加固。换板后桥梁横断面见图。图换板后桥梁横断面示意图（单位：）下部结构的维修措施墩盖梁的加固墩盖梁烧伤程度为中度损伤，其中南面西侧范围及盖梁底部与墩柱接触的范围损伤最严重。主要对盖梁进行补强加固处理：拆除原盖梁南面已经翘起失效的加固钢板，凿除火烧部位的混凝土松散层直至露出混凝土结构新鲜、坚固面（注意保护主筋），并用压缩空气吹净表面粉尘；混凝土基面处理好后，采用聚合物砂浆对火烧部位保公路与汽运 年月护层进行恢复；待修补材料强度达到 后，在盖梁损伤部位表面和底面粘贴钢板加固（见图）。图盖梁粘贴钢板加固示意图（单位：）墩盖梁的维修施工要点：）南侧面混凝土凿除深度最大约，喷抹聚合物砂浆时，为确保施工质量，每层厚度以不大于 为宜，并分层多次喷抹。盖梁底面火烧部位混凝土凿除深度最大约，仰面涂抹聚合物砂浆时，每层厚度以不大于为宜，同样分层多次均匀涂抹。前后两次涂抹应留有一定时间间隔，待前一次涂层硬化后再进行下一层涂抹。）对于局部破损较深的部位，先用聚合物砂浆进行找平处理。墩柱的加固墩柱地面至柱顶区域混凝土表面存在大面积网状裂隙，混凝土多处碳化剥落。墩柱烧伤最严重的为南侧，上部受损程度小于下部，南侧受损程度大于东侧、西侧。在现场人工钻孔（直径约）并采用酚酞试剂进行检验，结果显示：受损墩柱混凝土保护层已大部分碳化，最大烧伤深度约，属于中度损伤；火灾对墩柱内部核心区域混凝土破坏较小。墩柱经加固补强后可以继续投入运营。墩柱加固方案：人工凿除烧伤区域的混凝土碳化层，凿除深度以露出新鲜混凝土坚固面为准，注意不得破坏原有主筋，并用压缩空气吹净表面粉尘；混凝 土基 面 处理 好 后，在 墩 柱外 加设 钢 护筒（厚度为，高度与盖梁齐平，长宽尺寸比墩柱各大 ），以此作为外模板，在其内浇筑 自流免振捣微膨胀混凝土。墩柱加大截面法加固立面、平面分别见图、图。墩柱加大截面法加固施工要点：）为确保新增设的主筋与现有盖梁和承台有效连接，将钢护筒范围的承台顶面混凝土凿除 深，新增设主筋下部放置于凹槽内，上部与盖梁底齐平。）考虑到钢护筒上端与盖梁底部顶牢，为便于浇筑 自流免振捣微膨胀混凝土，在钢护筒西侧、南侧、北侧各预留一道混凝土浇筑口，长宽为 图墩柱加大截面法加固立面示意图（单位：）图墩柱加大截面法加固平面示意图（单位：）。）为加强新、旧混凝土的连接，在立柱未烧伤区域植入倒字形剪力筋，与新增设主筋搭接。）对于烧伤严重的区域，凿出碳化层露出原有墩柱主筋，采用形钢筋连接新主筋和原有主筋，并焊接牢固 。剪力筋和形连接筋的布置见图。图剪力筋和形连接筋布置示意图（单位：）年 第期曾尉萍：火灾后桥梁维修加固设计及施工技术研究附属结构的维修措施（）支座的维修。第跨引桥支座钢板锈蚀严重，桥梁已运营 年，规范规定的支座设计使用年限为 年，且支座橡胶在高温下极易损坏。综合考虑，对第跨 块板式橡胶支座通过梁板整体顶升予以更换。对于支座垫石破损部位，用聚合物砂浆进行修补复原。（）桥面铺装的维修。先铣刨第跨桥面沥青层，待西侧梁板更换完成后，浇筑新更换梁板范围的桥面混凝土铺装层，梁板顶桥面混凝土铺装不做处理，做好新、旧桥面混凝土铺装钢筋的搭接连接；重新浇筑墩墩顶桥面连续结构；摊铺第跨桥面沥青层，并恢复桥面标线。（）伸缩缝的维修。梁板更换完成后，对更换新梁板范围进行伸缩缝混凝土浇筑，主桥侧及 梁板范围伸缩缝不做处理，新旧伸缩缝型钢通过焊接连接；整体更换新的伸缩缝橡胶条。（）人行道护栏的维修。人行道两侧为钢护栏，第跨钢护栏仅表面油漆涂层被火烧脱落，本身并未损坏，故对西侧钢护栏重新刷油漆后予以利用；拆除老桥西侧梁板前将钢护栏完整拆下来，在人行道桥面系施工完成后重新安装，并涂刷表面涂层。维修后的运营管养建议对第跨 予以利用的板梁，运营期间建议管养单位对梁板跨中及跨处典型受力截面进行裂缝、变形监测，监测频率为次月，监测期限为半年。监测期结束后，结合监测结论确定处理方案。建议下一个养护检查周期将该桥第跨列入特殊检测计划。施工组织该桥被火烧后，当地政府立即启动应急抢修程序，抢修施工工期定为个月，其中新梁板预制时间为个月，梁板运至现场后的集中施工时间为个月。考虑施工安全，维修施工期间封闭桥 上交通。施工顺序如下：）人工凿除墩墩顶桥面连续结构和第跨西侧人行道桥面系，注意将西侧人行道钢护栏完整拆下来，以便下阶段钢护栏完整利用。）吊除第跨老桥梁板，完成 梁板整体顶升更换橡胶支座。）安装新梁板，并浇筑新更换梁板顶范围的桥面铺装层、铰缝及人行道桥面系。对 梁板顶桥面铺装予以利用。）重新浇筑墩墩顶桥面连续结构和墩墩顶伸缩缝混凝土。）铺筑第跨桥面沥青层，并恢复桥面标线。要求梁板顶桥面铺装混凝土采用人工凿除，严禁采用大型机械设备野蛮施工，不得破坏需利用的板梁。维修作业期间，应规范设置警示标志、路栏、施工隔离墩、防撞桶和施工警告信号灯等安全设施；夜间维修作业时，应设置照明设施，照明必须满足作业和安全警示要求，并覆盖整个施工区域。老桥梁板拆除顺序为桥面系附属结构梁体地面清理。老桥梁板拆除必须符合地方主管部门的要求，拆除构件均应外运碎解。结语火灾对桥梁的危害巨大。对火灾后桥梁的维修加固需要考虑方方面面，维修加固设计必须理论与实践相结合，以科学的检测数据为依据、精细化设计为手段、专业化施工为辅助。由于当前可参考和借鉴的资料较少，相关计算理论仍不成熟，一方面，要求桥梁管养部门加强对桥梁周边环境中潜在风险的管控；另一方面，应推动火灾后桥梁维修加固技术研究，完善相关理论。参考文献：张岗，王亚，王翠娟过火混凝土桥梁评价方法及耐久性损伤 评 估 模 型 公 路 交 通 科 技，（增刊）：长安大学公路桥梁荷载试验规程：北京：人民交通出版社股份有限公司，宋瑞明超声回弹综合法检测火灾后混凝土强度计算方法的讨论混凝土，（）：陆洲导，苏磊，余江滔，等火灾后混凝土结构检测的方法与发展探讨结构工程师，（）：熊伟，李耀庄，严加宝火灾作用下钢筋混凝土梁温度场数值模拟及试验验证中南大学学报（自然科学版），（）：叶宁献，曾德林混凝土桥梁受火灾后的温度估算公路交通科技（应用技术版），（）：王保群，辛公锋，陶莉莉，等公路混凝土梁板桥火灾损伤状况评定公路，（）：侯攀，彭放枚，罗志佳火灾后预应力砼梁桥承载能力评定方法研究公路与汽运，（）：（下转第 页）公路与汽运 年月成影响，而且越靠近裂缝处影响越大，后续研究中须进行改进。参考文献：，（）：，：，（）：张磊基于图像处理的公路路面裂缝检测技术研究机械设计与制造工程，（）：袁梦霞，孙朝云基于目标减背景法的路面三维裂缝识别方法中外公路，（）：房铭坤，付国基于数字图像处理的混凝土裂缝宽度检测方法研究建筑结构，（增刊）：李琛，骆汉宾，魏威，等基于图像的混凝土表面裂缝和孔洞 检 测 土 木 工 程 与 管 理 学 报，（）：李国耀，王腾基于形态学处理与特征分析的混凝土裂缝检测 研 究 建 筑 结 构，（增 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