■陳嘉齊
(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所;2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室,福州 350004)
某連續(xù)箱梁橋火災(zāi)后靜載試驗(yàn)檢測及承載力評定
■陳嘉齊1,2
(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所;2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室,福州350004)
本文通過對某連續(xù)箱梁橋火災(zāi)后現(xiàn)場外觀檢查和材質(zhì)強(qiáng)度檢測評定,結(jié)合有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型及靜載試驗(yàn)對其承載力進(jìn)行評定。結(jié)果表明該橋跨結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載等級要求。
連續(xù)箱梁火災(zāi)事故災(zāi)后檢查靜載試驗(yàn)承載力評定
某預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋位于國道線上,2002年建成通車。橋梁全長608.66m,上部結(jié)構(gòu)采用15孔40m等跨、等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱型梁(見圖1)。橋?qū)挒椋?.50m(人行道)+12.00m(車行道)+1.50m(人行道)。箱梁為單箱單室結(jié)構(gòu),頂板寬14.0m,底板寬6.0m,梁高2.50m,跨中截面底板厚度為0.22m。橋墩采用鋼筋混凝土雙柱式墩身直接對接鉆孔樁基礎(chǔ)。道路等級為城市主干道I級,設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級,掛車-100級,人群3.50kN/m2。2016年2月8日,橋下堆積的廢舊塑料制品因不明原因起火燃燒約2個(gè)小時(shí)。由于該橋通行交通量大,為保證行車安全,急需對該橋進(jìn)行災(zāi)后靜載試驗(yàn)檢測及承載能力評定[1]。
本文根據(jù)火災(zāi)后橋梁外觀檢查結(jié)果,針對箱梁材料及截面缺損調(diào)整有限元模型使其接近于實(shí)際受損狀態(tài)。同時(shí)結(jié)合靜載試驗(yàn)對該橋跨結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行評定[2],為該橋提出災(zāi)后應(yīng)急處置意見及加固設(shè)計(jì)依據(jù)。
2.1橋梁結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)調(diào)查
火災(zāi)對橋跨的損害主要集中在第12跨箱梁主梁距11#墩6.0m~20.0m之間梁底范圍和11#、12#墩柱,如圖2所示。
調(diào)查結(jié)果如下:(1)主梁結(jié)構(gòu):箱梁梁體的缺損主要集中在第12跨,整個(gè)受損區(qū)域面積達(dá) 78.0m2;梁底混凝土損傷剝落厚度均達(dá)20mm,靠近火源區(qū)域受損最為嚴(yán)重,最深達(dá)45mm,且梁底右側(cè)邊角位置混凝土剝落嚴(yán)重,梁底預(yù)應(yīng)力束架立鋼筋出露,如圖2所示;箱梁梁底共計(jì)6條橫向裂縫,且均延伸至腹板,其中4條較 2014年檢測結(jié)果無變化,2條為火災(zāi)后新增裂縫,梁底最大縫寬0.20mm,腹板最大縫寬為 0.14mm,縫深最大為37mm;左側(cè)腹板、翼緣板出現(xiàn)大面積混凝土剝落露筋;(2)支座:火災(zāi)影響區(qū)域內(nèi)4個(gè)支座(盆式固定)鋼板防銹油漆表面附著黑煙,且有脫皮現(xiàn)象;(3)墩柱:4根墩柱均出現(xiàn)混凝土保護(hù)層剝落、露箍筋、豎向主筋損傷,11-2墩柱損傷程度最嚴(yán)重,混凝土受損最大深度78.42mm,表面呈土黃色、灰白色;11#、12#墩4根墩柱被大火灼燒的區(qū)域敲擊空鼓沉悶聲明顯;11-1墩柱3條豎向裂縫,縫長分別為L1=1.20m、L2=1.40m、L3=1.00m,縫寬分別為 D1=0.36mm、D2=0.36mm、D3= 0.40mm。
2.2橋梁材質(zhì)強(qiáng)度檢測評定
根據(jù)外觀檢查的火災(zāi)影響范圍,選取部分梁體和墩柱進(jìn)行混凝土回彈測試。
根據(jù) 《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[3](JTJ T23-2011)規(guī)定,同時(shí)參考上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)后混凝土構(gòu)件評定標(biāo)準(zhǔn)》[4](DBJ08-219-96)對火災(zāi)后混凝土回彈強(qiáng)度進(jìn)行修正,推定結(jié)果如表1所示。
表1 主要受災(zāi)構(gòu)件火災(zāi)后混凝土強(qiáng)度推定結(jié)果
3.1試驗(yàn)工況
根據(jù)混凝土強(qiáng)度推定結(jié)果,假設(shè)如下條件:①第12跨距11#墩6.00m~22.00m范圍內(nèi)的混凝土強(qiáng)度接近于C30;②此范圍內(nèi)梁底0mm~45mm高度范圍的混凝土退出了整體受力工作。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用MIDAS軟件進(jìn)行建模計(jì)算,并結(jié)合現(xiàn)場橋梁損傷檢測結(jié)果,選擇第12跨三處控制截面進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)對火災(zāi)影響范圍內(nèi)的支座壓縮情況進(jìn)行試驗(yàn)觀測,具體如表2及圖4。
表2 靜載試驗(yàn)加載工況
3.2測點(diǎn)布置
(1)應(yīng)變測點(diǎn):第12跨跨中截面(Ⅰ-Ⅰ)、第12跨梁底受損最深截面(Ⅱ-Ⅱ)、11#墩支點(diǎn)負(fù)彎矩截面(Ⅲ-Ⅲ),測點(diǎn)布置如圖5所示。
(2)撓度測點(diǎn):第12跨跨中截面(Ⅰ-Ⅰ截面)、第12跨梁底受損最深截面(Ⅱ-Ⅱ截面),測點(diǎn)布置如圖6所示。
(3)支座壓縮量:11#墩支座、12#墩支座,如圖7所示。
(4)裂縫:第12跨距11#墩18.85m、19.10m、21.80m、21.90m梁底橫向裂縫監(jiān)測,如圖8所示。
3.3橋梁承載能力的評定方法
(1)校驗(yàn)系數(shù)
校驗(yàn)系數(shù)η是評定結(jié)構(gòu)工作狀況,確定橋梁承載能力的一個(gè)重要指標(biāo),可以從中判定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力的工作狀態(tài)。
實(shí)測結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)η是試驗(yàn)的實(shí)測值與理論計(jì)算值的應(yīng)力或撓度之比,它反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)。
對于應(yīng)力,則
對于撓度,則
η值越小說明結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大,但η值不宜過大或過小,如η值過大說明組成結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度可能較低,結(jié)構(gòu)各部分聯(lián)結(jié)性能較差,剛度較低等。η值過小可能說明組成結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際強(qiáng)度及彈性模量較大,梁橋的混凝土鋪裝及人行道等與主梁共同受力,支座摩擦力對結(jié)構(gòu)受力的有利影響,以及計(jì)算理論或簡化的計(jì)算圖式偏于安全等等。另外,試驗(yàn)加載物的稱量誤差、儀表的觀測誤差等對η值也有一定的影響。
(2)相對殘余變位(或應(yīng)變)
殘余變位(或殘余應(yīng)變)按下列下公式計(jì)算:
總變位(或總應(yīng)變)St=Sl-Si
彈性變位(或彈性應(yīng)變)Se=Sl-Su
殘余變位(或殘余應(yīng)變)Sp=St-Se=Su-Si式中:Si——加載前測值;
Sl——加載達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測值;
Su——卸載后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測值。
引入相對殘余變位(或應(yīng)變)的概念描述結(jié)構(gòu)整體或局部進(jìn)入塑性工作狀態(tài)的程度。
相對殘余變位(或應(yīng)變)按下式計(jì)算:
S′p=Sp/St×100%
式中:S′p——相對殘余變位(或應(yīng)變),Sp、St意義同前。
3.4靜載試驗(yàn)結(jié)果
(1)由表3可知,該橋第12跨跨中截面撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.99和1.00,相對殘余撓度最大值為3.0%;第12跨梁底受損最深截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.95和0.98,相對殘余撓度最大值為4.0%。各測試截面撓度校驗(yàn)系數(shù)均接近于1.00,相對殘余撓度最大值均小于《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[5](JTG/T J21-01-2015)規(guī)定限值20%。表明在假設(shè)條件下,現(xiàn)場實(shí)測撓度值與理論計(jì)算撓度值較為接近,模型假設(shè)條件與現(xiàn)場災(zāi)后情況較為接近。
表3 各工況撓度分析
(2)由表4可知,該橋第12跨跨中截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.87~0.97,相對殘余應(yīng)變最大值為14.3%;第12跨梁底受損最深截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.84~0.98,相對殘余應(yīng)變最大值為14.8%;11#墩支點(diǎn)負(fù)彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.86~0.89,相對殘余應(yīng)變最大值為18.2%。各測試截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均接近于1.00,相對殘余應(yīng)變最大值均小于《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)規(guī)定限值20%。表明在假設(shè)條件下,現(xiàn)場實(shí)測應(yīng)變值與理論計(jì)算應(yīng)變值較為接近,模型假設(shè)條件與現(xiàn)場災(zāi)后情況較為接近。
表4 各工況應(yīng)變分析
(3)從表5可以看出,在試驗(yàn)工況7荷載作用下,11#墩柱支座壓縮量實(shí)測平均值為0.16mm,而在試驗(yàn)工況8荷載作用下,12#墩柱支座壓縮量實(shí)測平均值為0.12mm,相對殘余變位最大為17.6%,卸載后均能夠較好地恢復(fù)到初始狀態(tài)。
表5 各工況支座壓縮量分析
(4)從表6可以看出,在試驗(yàn)荷載工況作用下,跨中截面附近4條橫向裂縫均發(fā)生開展,最大開展寬度為0.037mm(初始縫寬0.20mm),在卸載后裂縫均能恢復(fù)到初始狀態(tài),試驗(yàn)過程中未見新裂縫產(chǎn)生。同時(shí)各測試截面附近均未觀測到新裂縫。
表6 裂縫開展監(jiān)測結(jié)果表
根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙、火災(zāi)后現(xiàn)場實(shí)測資料以及靜載試驗(yàn)結(jié)果對災(zāi)后模型參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整,在原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下該橋左幅第二聯(lián)火災(zāi)前后承載能力極限狀態(tài)受彎荷載效應(yīng)基本組合計(jì)算結(jié)果如圖9所示,第12跨控制截面抗彎承載能力檢算結(jié)果見表7。
表7 抗彎承載能力檢算結(jié)果表
由表7可知,該橋左幅第二聯(lián)控制截面的正截面抗彎承載力能夠滿足設(shè)計(jì)荷載等級要求,火災(zāi)后截面抗力效應(yīng)較火災(zāi)前降低最大幅度為5%。
通過橋梁缺損狀況檢查及材質(zhì)強(qiáng)度檢測評定及靜載實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論:
(1)在試驗(yàn)工況荷載作用下,橋跨結(jié)構(gòu)各測試截面撓度與應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于或處于 《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》規(guī)定的常值范圍,相對殘余撓度均小于《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》規(guī)定的20%。
(2)在試驗(yàn)工況荷載作用下,測試墩柱支座具有較好的彈性變形能力。
(3)在試驗(yàn)工況荷載作用下,測試截面橫向裂縫均發(fā)生開展,在卸去荷載后裂縫均能夠恢復(fù)到初始狀態(tài),試驗(yàn)過程中未見新裂縫產(chǎn)生。
(4)該橋跨結(jié)構(gòu)火災(zāi)后承載能力能滿足設(shè)計(jì)荷載等級要求,火災(zāi)后的抗彎承載能力相比火災(zāi)前有所降低,從安全性和耐久性方面考慮,建議立即對火災(zāi)受損位置進(jìn)行加固修復(fù)。
[1]劉其偉,王峰,等.火災(zāi)受損橋梁檢測評估與加固處理[J].公路交通科技,2005(2):71-74.
[2]JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].
[3]JTJ T23-2011,回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].
[4]上海市建筑科學(xué)研究院編制.DBJ08-219-96,火災(zāi)后混凝土構(gòu)件評定標(biāo)準(zhǔn).1996.
[5]JTG/T J21-01-2015,公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].