， 項(xiàng)宏

( 1.東南大學(xué) 成賢學(xué)院， 江蘇 南京 210088; 2.南通大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

預(yù)應(yīng)力空心板火損結(jié)構(gòu)分析與評(píng)估

陳亮1，項(xiàng)宏亮2

( 1.東南大學(xué) 成賢學(xué)院， 江蘇 南京 210088; 2.南通大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

某橋?yàn)?跨25 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板梁橋，發(fā)生火災(zāi)后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)板梁梁底火災(zāi)影響范圍內(nèi)混凝土剝落缺陷較為嚴(yán)重。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果及消防記錄，對(duì)火災(zāi)導(dǎo)致的空心板溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，對(duì)火場(chǎng)溫度及空心板表面最高溫度進(jìn)行了估計(jì)，分析了火災(zāi)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力鋼筋的損傷影響，對(duì)結(jié)構(gòu)受火后的承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的火災(zāi)受損程度進(jìn)行了綜合評(píng)定，研究方法及成果可為類似火損橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估分析提供參考。

橋梁工程； 空心板； 火災(zāi)； 剝落缺陷； 溫度場(chǎng)； 分析評(píng)估

1 工程概況

某橋?yàn)?跨25 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板梁橋，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)。上部結(jié)構(gòu)由27塊1 m寬中板及2塊1.25 m寬邊板組成，梁高1.15 m。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式蓋梁橋墩及橋臺(tái)，見圖1。

圖1 橫截面及橋面布置示意(單位： cm)

2011年1月6號(hào)下午14:20左右橋下發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)日15:35消防大隊(duì)接到火災(zāi)報(bào)警，并立即出警，約15:50到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，并于16:07將大火撲滅。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，引起火災(zāi)的可燃物為農(nóng)作物秸稈與木料，火源與板梁底部有2.5 m左右高度。

火災(zāi)后，從現(xiàn)場(chǎng)燃燒后殘留物及板梁梁底局部混凝土剝落及松散情況，判定此次火災(zāi)的中心位于2#墩～3#墩之間(第3孔)西側(cè)，距3#墩約8 m、距西側(cè)橋邊緣約4.2 m。

經(jīng)外觀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)板梁梁底火災(zāi)影響范圍內(nèi)混凝土剝落缺陷較為嚴(yán)重，剝落深度范圍在0.5～3.4 cm，見圖2、圖3。

2 溫度場(chǎng)分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

影響火災(zāi)的因素眾多，導(dǎo)致不同情況下的火災(zāi)溫度-時(shí)間曲線相差較大。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)就此制定了ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線[1,2]。其計(jì)算公式如下:

(1)

式中：T0為環(huán)境初始溫度,℃；t為時(shí)間，min；T為t時(shí)刻的溫度。

圖2 板梁梁底混凝土剝落分布示意圖

對(duì)于本橋，火災(zāi)時(shí)間的大氣環(huán)境溫度在0 ℃左右，如火災(zāi)進(jìn)行2 h，則ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線計(jì)算如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(ISO834)

依據(jù)該曲線，當(dāng)橋下火場(chǎng)的燃燒進(jìn)行到30 min、1 h、90 min和2 h時(shí)，火場(chǎng)溫度將分別達(dá)到820 、925 、990 和1030 ℃。

2.2 空心板溫度場(chǎng)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查火災(zāi)后的橋梁受損情況，火源位于橋下，空心板梁的下表面距離燃燒物約2.5 m。

2.2.1 分析假定及應(yīng)用條件

1)對(duì)火災(zāi)的升溫過程采用ISO標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線；火災(zāi)時(shí)間考慮為2 h。

2) 假設(shè)構(gòu)件截面由勻質(zhì)的、連續(xù)的混凝土材料組成，既不考慮截面上鋼筋面積的影響，也不計(jì)及混凝土開裂或表層脫落后的截面局部變化引起的溫度重分布。

3) 混凝土材料的熱工參數(shù)主要包括熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱容與質(zhì)量密度。其中，熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱容隨溫度而變化[3]，分別按式(2)與式(3)計(jì)算，質(zhì)量密度取與溫度無關(guān)的常數(shù)2500 kg/m3。

(2)

(3)

式(2)與式(3)為歐洲規(guī)范建議的對(duì)于硅質(zhì)骨料混凝土的熱工參數(shù)計(jì)算公式，式中T為混凝土溫度，℃。

2.2.2 溫度場(chǎng)分布

混凝土材料具有熱惰性，在火災(zāi)高溫作用下，隨著距離空心板梁底緣的深度增加，混凝土內(nèi)部受火溫度逐漸降低，從而在空心板梁內(nèi)部形成一定的溫度梯度[4,5]。借助有限元方法分析空心板在受火狀態(tài)下的溫度梯度分布，對(duì)應(yīng)不同受火時(shí)刻的空心板溫度場(chǎng)分布如圖5所示。

a) 受火30 min

b)受火1 h

c) 受火90 min

d) 受火2 h

選取空心板底板在中線和外側(cè)邊緣沿高度方向分布的各位置，其升溫變化時(shí)程曲線如圖6所示。

a)空心板中心線b) 空心板側(cè)面邊緣

2.2.3 溫度場(chǎng)特點(diǎn)

依據(jù)溫度場(chǎng)分布結(jié)果，得知溫度場(chǎng)特點(diǎn)如下：

1)就火災(zāi)發(fā)生的持續(xù)時(shí)間看，在受火1 h以內(nèi)，空心板的下表面溫度相對(duì)增長(zhǎng)較快；受火1 h之后，相對(duì)緩慢。

2)受火過程中，距離底板下緣5 cm以上部分基本呈線性增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速率較為緩慢。

3)空心板底板沿高度方向的溫度梯度分布呈急劇下降趨勢(shì)，如受火60 min時(shí)，距離底板下表面0、1、2、3、5、8、12 cm(底板頂緣)的位置，最高溫度分別為809、627、489、384、239、122、75 ℃。

2.3 火災(zāi)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的影響

在受火過程中，預(yù)應(yīng)力筋位置處的截面溫度梯度分布如圖7所示。3根鋼束位置在受火2 h的過程中的溫度增長(zhǎng)曲線如圖8所示。

a) 受火1 h

b) 受火2 h

圖8 預(yù)應(yīng)力筋升溫曲線

經(jīng)分析，此次火災(zāi)即使充分燃燒并持續(xù)2 h，預(yù)應(yīng)力筋最高溫度僅在200 ℃。而預(yù)應(yīng)力筋受熱溫度低于400 ℃時(shí)，只進(jìn)行了低溫回復(fù)，組織無變化，力學(xué)性能指標(biāo)衰減較小，仍可以滿足使用要求[6-9]。因此，空心板的預(yù)應(yīng)力筋不會(huì)受損，火災(zāi)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能沒有影響。

2.4 溫度估計(jì)

2.4.1 火場(chǎng)溫度估計(jì)

依據(jù)火災(zāi)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和消防記錄，估計(jì)火災(zāi)自起火至被撲滅的持續(xù)時(shí)間約80～100 min。受火空心板梁距離地面火源的高度僅2.5 m左右，在火災(zāi)后檢查現(xiàn)場(chǎng)，仍有未燃燒盡的木質(zhì)材料，故認(rèn)為空心板直接受火時(shí)間與火源持續(xù)的時(shí)間基本相當(dāng)；此外，略去火苗發(fā)展過程和滅火時(shí)間，推算空心板梁底在經(jīng)歷大火高溫燃燒時(shí)間約70～90 min。

據(jù)此按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(圖4)計(jì)算，火場(chǎng)高溫約950～1000 ℃。

2.4.2 空心板表面最高溫度估計(jì)

從兩個(gè)方面預(yù)計(jì)空心板表面最高溫度：

1) 根據(jù)溫度場(chǎng)分析。

根據(jù)前述的火場(chǎng)溫度預(yù)計(jì)，空心板下表面直接受高溫約70～90 min；據(jù)此按照溫度場(chǎng)分析結(jié)果，空心板表面最高溫度約850～900 ℃。

2) 根據(jù)外觀特征判斷。

混凝土構(gòu)件在過火后，材質(zhì)及其外觀會(huì)出現(xiàn)變化。通過檢查混凝土構(gòu)件在過火后的外觀及材質(zhì)，能夠幫助判斷受火區(qū)域及溫度，從而推斷混凝土構(gòu)件表面在火災(zāi)期間達(dá)到的最高溫度范圍，如表1所示。

表1 火災(zāi)溫度作用后混凝土表面外觀特征[10]溫度/℃表面顏色外觀受損≤300灰青，近似正常色/300～500淺灰，略顯粉紅色局部粉刷開裂，出現(xiàn)微細(xì)裂縫500～700淺灰白，顯淺紅角部剝落，出現(xiàn)開裂700～850灰白、顯淺黃色混凝土剝落，較多裂縫850～1000淺黃色較多裂縫嚴(yán)重剝落呈疏松狀>1000淺黃、現(xiàn)白色表面疏散成片剝落

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得知，直接受火的空心板下表面呈現(xiàn)特征如下：

① 表面顏色呈灰白色和淺黃色。

② 混凝土保護(hù)層有較大面積剝落，角隅處較為顯著；剝落厚度一般在2 cm左右，最大厚度有3.4 cm。

③ 受火嚴(yán)重區(qū)域的混凝土呈現(xiàn)疏松狀，在敲擊時(shí)有小塊混凝土剝落。

④ 受火嚴(yán)重區(qū)域有露筋，主要是橫向的構(gòu)造箍筋。

依據(jù)上述外觀特征，結(jié)合表1可知，判斷空心板受火嚴(yán)重區(qū)域的表面溫度在850～1000 ℃。

綜上，預(yù)計(jì)空心板在受火過程中的表面最高溫度在900 ℃左右。

3 火損結(jié)構(gòu)分析

3.1 分析方法

1) 首先進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研檢測(cè)和參數(shù)分析結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)物表面最高溫度或火災(zāi)高溫持續(xù)時(shí)間。

2) 建立空心板空間模型，施加恒載下的各種作用(自重、預(yù)加力、二期恒載等)。

3) 在判定橋梁結(jié)構(gòu)受高溫的區(qū)域，將溫度場(chǎng)分布作為溫度梯度作用進(jìn)行施加，不考慮溫度梯度隨時(shí)間和結(jié)構(gòu)物受損而帶來的變化，見圖9。

4) 對(duì)應(yīng)于不同溫度處的材料，施加不同的材料性質(zhì)，如強(qiáng)度、彈性模量、線膨脹系數(shù)、本構(gòu)關(guān)系。

5) 考慮混凝土壓碎和開裂特性帶來的非線性及材料在高溫下的非線性均在計(jì)算收斂上提出極高條件。

a)外表面局部b)剖面局部

3.2 混凝土受損分析結(jié)果

1) 空心板底板在受火區(qū)域的混凝土，自身被壓碎；在壓碎崩落之后新露出來的混凝土部分，因受到高溫作用，其強(qiáng)度也會(huì)下降。

2) 混凝土強(qiáng)度在高溫作用后難以恢復(fù)，該橋跨受火區(qū)域的空心板底板下緣4 cm厚度范圍的混凝土強(qiáng)度受到較大影響。

3) 在火災(zāi)過程中，空心板內(nèi)部(底板及腹板)極有可能出現(xiàn)裂縫。但該裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響較小，一方面，在火災(zāi)結(jié)束后，會(huì)因梁體的冷卻而封閉；另一方面，裂縫走向?yàn)榭v橋向，非橫向影響結(jié)構(gòu)受力的裂縫。

4 承載能力極限狀態(tài)評(píng)估

計(jì)算板梁火災(zāi)前后的極限承載能力，包括跨中截面的抗彎承載能力和支點(diǎn)附近截面的抗剪承載能力。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果及溫度場(chǎng)分析結(jié)果，火災(zāi)前后結(jié)構(gòu)承載能力的影響因素考慮如圖10所示。

圖10 火災(zāi)前后影響承載能力相關(guān)因素變化示意圖(單位：cm)

由計(jì)算結(jié)果可知: 災(zāi)后空心板梁的抗彎和抗剪承載力均為災(zāi)前相應(yīng)值的99%，可以認(rèn)為火災(zāi)前后結(jié)構(gòu)的極限承載能力基本沒有變化。

5 正常使用極限狀態(tài)評(píng)估

5.1 評(píng)估概要

選擇受損嚴(yán)重的5#板(圖2)，考慮受火損的結(jié)構(gòu)情況如下：

1) 受火區(qū)域的底板縱橋向13 m下緣高4 cm范圍的混凝土剝落，其區(qū)域不計(jì)抗力作用。

2) 受火區(qū)域的底板縱橋向13 m的底板(不計(jì)剝落的4 cm部分)，彈性模量折減為0.5，強(qiáng)度方面在下緣折減為0.69，上緣折減為0.9。

3) 荷載作用包括結(jié)構(gòu)自重、預(yù)加力、二期恒載、混凝土徐變、車輛及人群荷載等。

4) 計(jì)算工況考慮： 分析受火前與受火后2種狀態(tài)。

5.2 受火后應(yīng)力評(píng)定

統(tǒng)計(jì)火災(zāi)前后空心板的應(yīng)力極值，并與容許應(yīng)力比較，如表2所示。

由表2可得出以下結(jié)論：

1)受火后相比于受火前縱橋向正應(yīng)力極值有較大的變化，受火之前全梁處于受壓狀態(tài)，應(yīng)力范圍為-10.9～-2.40 MPa；受火之后，頂板局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，底板壓應(yīng)力增加較大，應(yīng)力范圍為-14.2～0.40 MPa。

表2 空心板受火前后應(yīng)力極值及評(píng)定MPa位置包絡(luò)正應(yīng)力極值混凝土強(qiáng)度受火前受火后標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值頂板上緣上限-240040265183下限-779-667-324-224距底板下緣4cm上限-676-519183126下限-109-142-224-155注：正值表示拉應(yīng)力；負(fù)值表示壓應(yīng)力。

2)受火之后，頂板出現(xiàn)0.4 MPa拉應(yīng)力，未超過混凝土強(qiáng)度值。

3)受火之后，底板壓應(yīng)力最大可達(dá)到14.2 MPa，較為接近混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值15.5 MPa(受火后強(qiáng)度折減)。

5.3 受火后變形分析

空心板受火后，部分混凝土剝落和受火區(qū)混凝土彈性模量降低，會(huì)導(dǎo)致其剛度降低。圖11為火災(zāi)對(duì)空心板變形的影響。

a)絕對(duì)變形

b)相對(duì)變形

由上圖可知，受火后空心板的變形相比受火之前將上拱6～12 mm。由于空心板在橫橋向是通過鉸縫進(jìn)行連接，實(shí)際空心板的上拱量將低于分析值，但是空心板的上拱將導(dǎo)致鉸縫處的剪力增加。

6 結(jié)構(gòu)火損綜合評(píng)定

6.1 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

在我國(guó)，關(guān)于火災(zāi)后結(jié)構(gòu)物評(píng)估至今還沒有相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。上海市1996年頒布了《火災(zāi)后混凝土構(gòu)件評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ08-219-96)，規(guī)定從承載力、裂縫、變形三方面對(duì)火災(zāi)后混凝土構(gòu)件進(jìn)行綜合評(píng)定，并制定了相應(yīng)的評(píng)定等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件火損程度綜合評(píng)定指標(biāo)[11]受損程度評(píng)定指標(biāo)①構(gòu)件基本無受熱撓度；②受損深度在10～15mm；一級(jí)(輕度損傷)③結(jié)構(gòu)表面存在少量溫度收縮裂縫，但不形成裂縫網(wǎng)；④表面混凝土顏色基本無變化；⑤混凝土強(qiáng)度在原強(qiáng)度的90%以上；⑥構(gòu)件剩余承載能力在原承載力的90%以上①結(jié)構(gòu)永久撓度未超過極限允許撓度；二級(jí)(中度損傷)②受損深度在15～30mm；③結(jié)構(gòu)裂縫在03～10mm；④混凝土強(qiáng)度為原強(qiáng)度的70%～90%；⑤構(gòu)件剩余承載能力為原承載力的70%～90%①結(jié)構(gòu)永久撓度在極限允許撓度的2～4倍；②有小于1mm穿過構(gòu)件受壓區(qū)的垂直裂縫；三級(jí)(重度損傷)③受壓區(qū)局部受損；④形成剪切斜裂縫；⑤混凝土強(qiáng)度為原強(qiáng)度的50%～70%；⑥構(gòu)件剩余承載能力為原承載力的50%～70%①結(jié)構(gòu)永久撓度在極限允許撓度4倍以上；四級(jí)(嚴(yán)重?fù)p傷)②受拉區(qū)有寬度達(dá)15mm的貫通裂縫或受壓區(qū)有明顯的破壞特征；③混凝土強(qiáng)度小于原強(qiáng)度的50%；④構(gòu)件剩余承載能力小于原承載力的50%

6.2 評(píng)定結(jié)論

1)火場(chǎng)高溫約950～1000 ℃，空心板表面最高溫度約900 ℃。

2)受火區(qū)域的混凝土強(qiáng)度受到較大影響，表觀受損特征有混凝土剝落、露筋、疏松。

3)受火嚴(yán)重的空心板內(nèi)表面有可能出現(xiàn)裂縫，但該裂縫在火源被滅之后將因降溫而閉合。

4)空心板極限承載能力基本無變化；但正常使用狀態(tài)的正應(yīng)力有較大變化，如頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力，底板壓應(yīng)力接近混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

5)空心板受火后出現(xiàn)的受損將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性。

6)綜合評(píng)定板梁火災(zāi)后的受損程度為二級(jí)(中度損傷)。從安全性與耐久性方面考慮，建議對(duì)空心板梁受火災(zāi)影響的區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)至原結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

7 結(jié)語

本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板梁橋?yàn)閷?duì)象，闡述了火損結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析方法，綜合采用溫度場(chǎng)分析與火損混凝土表面外觀特征判斷結(jié)構(gòu)的受火溫度，分析了火災(zāi)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力鋼筋的損傷影響。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果及溫度場(chǎng)分析結(jié)果，考慮混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度、彈性模量及截面尺寸等相關(guān)影響因素，對(duì)受損后結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，最后對(duì)結(jié)構(gòu)火損程度進(jìn)行了綜合評(píng)定。

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1008-844X(2017)03-0139-06

U 448.21+2

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2017-02-15

陳 亮(1984-)，男，碩士，講師，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)及維修加固。