張旭慧， 李斐然， 石磊， 袁波

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450052； 2.河南省交院工程檢測科技有限公司；3.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院)

隨著中國交通基礎(chǔ)設(shè)施的跨越式發(fā)展，橋梁里程迅速增長，運(yùn)輸易燃易爆貨物的重型硬脂酸車、苯酚運(yùn)輸車、運(yùn)油(氣)卡車日益增多，橋梁火災(zāi)事件頻發(fā)，引發(fā)的火災(zāi)、爆炸事故給橋梁帶來嚴(yán)重威脅。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)查詢后統(tǒng)計(jì)，2010—2017年橋梁火災(zāi)事故共28起，平均每年約4起，其中國省道高速公路與干線公路橋梁的起火點(diǎn)大部分位于橋面上，火災(zāi)對橋梁造成的損傷導(dǎo)致路網(wǎng)中斷，研究橋面起火后橋梁的加固方案對于國省道的應(yīng)急保障具有重要意義。

1 工程概況

京港澳高速公路黃河大橋引橋上部結(jié)構(gòu)為35 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，中心梁高2.3 m，邊梁寬度2.61 m，中梁寬度2.47 m。橋梁橫斷面分左右兩幅，每幅由8片T梁組成，單幅行車道寬度19 m，護(hù)欄寬度0.467 m，中央分隔帶寬度3 m，單幅橫斷面如圖1所示。

引橋上兩輛大貨車發(fā)生追尾事故，引發(fā)其中一輛大貨車著火，因事故車輛裝載的是鎂鋁粉(D類火災(zāi))，加之嚴(yán)重?fù)矶?，?dǎo)致滅火難度大，現(xiàn)場首先采用了砂土等進(jìn)行覆蓋，表面上的火情受到控制，但內(nèi)部溫度較高，鋁鎂粉一旦暴露于空氣將再次燃燒，最終采取挖掘機(jī)拋灑等方式才得以將大火撲滅，火源在橋面燃燒長達(dá)27 h。

圖1 35 m T梁橋一般橫斷面圖(單位：cm)

2 火場對T梁的影響

過火區(qū)域面積近似231.8 m2，現(xiàn)場檢測到橋面瀝青鋪裝層軟化變形、局部鋪裝層混凝土松散破碎，鋼筋外露，T梁翼緣板混凝土破損形成空洞；受損橋面瀝青混凝土清理完畢后，通過混凝土過火后顏色的變化情況和材料檢測成果推斷過火區(qū)域的最高溫度，以確定火場對T梁的影響范圍。

2.1 混凝土強(qiáng)度檢測

在現(xiàn)場檢測中，實(shí)際取得有效芯樣24個(gè)，混凝土芯樣磨平后發(fā)現(xiàn)，過火位置混凝土芯樣表面存在裂隙，未受火部位混凝土芯樣未發(fā)現(xiàn)表面裂隙。未過火區(qū)域混凝土強(qiáng)度為50.60～64.93 MPa，過火區(qū)域混凝土強(qiáng)度為18.16～62.49 MPa，高溫使混凝土強(qiáng)度降低明顯。火源核心區(qū)混凝土外觀為淺黃色，混凝土鉆芯強(qiáng)度為18.16 MPa，相比C50混凝土，強(qiáng)度損失約74%，初步判斷受火核心區(qū)最高溫度為1 000 ℃左右；次核心區(qū)混凝土外觀為淺白與淺灰白色，表明受火次核心區(qū)溫度達(dá)到500～800 ℃。

2.2 過火后鋼筋強(qiáng)度檢測

在現(xiàn)場對梁體內(nèi)鋼筋進(jìn)行取樣后，送至室內(nèi)試驗(yàn)室對未受火鋼筋與受火鋼筋進(jìn)行抗拉強(qiáng)度對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：未受火鋼筋屈服強(qiáng)度為290 MPa、極限抗拉強(qiáng)度為410 MPa，受火鋼筋屈服強(qiáng)度為177 MPa、極限抗拉強(qiáng)度為330 MPa，主要原因是鋼筋過火溫度較高且滅火過程中采用水冷進(jìn)行了降溫處置，導(dǎo)致鋼筋強(qiáng)度損失明顯，受火鋼筋抗拉強(qiáng)度損失較大。

經(jīng)各個(gè)區(qū)域的混凝土取芯、鋼筋強(qiáng)度試驗(yàn)和混凝土回彈測試，推定橋面過火區(qū)域的平面范圍如圖2所示，影響深度為30～40 cm，即橋面火災(zāi)引起混凝土受損的深度為30～40 cm，由于預(yù)應(yīng)力管道位于跨中下緣，經(jīng)檢測未受到火災(zāi)影響。

圖2 橋面過火區(qū)域示意圖

3 鑿除受損混凝土的結(jié)構(gòu)分析

受損區(qū)域?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼束并未受到損傷，考慮到混凝土強(qiáng)度損失過多，加固設(shè)計(jì)方案考慮鑿除頂板受損區(qū)域的混凝土，并采用施加反力的方法進(jìn)行頂板混凝土的復(fù)澆，為了研究鑿除施工過程中梁體的應(yīng)力狀況，采用Ansys建立三維實(shí)體模型對鑿除面與梁體應(yīng)力、撓度的關(guān)系進(jìn)行分析。模型主要特性如下：

(1) 材料：混凝土彈性模量為34 500 MPa，泊松比為0.2；鋼束彈性模量為195 000 MPa，泊松比為0.3。

(2) 邊界條件：主梁支承邊界條件為簡支；鋼束與混凝土之間采用節(jié)點(diǎn)耦合約束。

(3) 荷載：結(jié)構(gòu)自重與預(yù)應(yīng)力。

鑿除時(shí)按照先鑿除翼緣，逐漸到腹板，然后由腹板向下進(jìn)行鑿除，鑿除深度示意見圖3，主要鑿除過程T梁應(yīng)力云圖見圖4，鑿除深度與撓度的關(guān)系以及鑿除深度與應(yīng)力的關(guān)系見表1，為便于在單圖中表示，定義負(fù)值表示鑿除翼緣距離腹板中心的水平距離，正值表示鑿除腹板深度距離梁頂?shù)木嚯x，鑿除面壓應(yīng)力為鑿除至相應(yīng)位置時(shí)的壓應(yīng)力。

圖3 T梁鑿除深度示意圖(單位：cm)

圖4 不同鑿除深度下T梁應(yīng)力云圖(單位：MPa)

表1 鑿除面與梁體應(yīng)力、撓度的關(guān)系

續(xù)表1

鑿除深度/cm鑿除面壓應(yīng)力/MPa底緣壓應(yīng)力/MPa位移/mm-350.331.562.0-8.51.022.111.7221.672.170.6402.732.08-1.6604.561.77-6.8807.5560.97-17.410012.47-0.45-39.1

由表1可知：隨著鑿除深度的加大，梁體自重與慣性矩均減小，鑿除翼緣過程中自重減少幅度比慣性矩快，使得梁體上拱，之后慣性矩下降明顯使得梁體下?lián)?。根?jù)計(jì)算結(jié)果，梁體將先輕微上拱(最大上拱2 mm)后下?lián)?；?dāng)鑿除深度為40 cm時(shí)，梁體下?lián)?.6 mm；當(dāng)鑿除深度大于40 cm后，梁體開始急劇下?lián)希划?dāng)鑿除深度達(dá)100 cm時(shí)，梁體下?lián)?9.1 mm。隨著鑿除深度的加大，底緣壓應(yīng)力與撓度變化規(guī)律相似，表現(xiàn)為先增大后減小，鑿除面的壓應(yīng)力則單調(diào)遞增。當(dāng)鑿除深度為40 cm時(shí)，底緣壓應(yīng)力增大2.08 MPa，鑿除面壓應(yīng)力增加2.73 MPa。

4 加固設(shè)計(jì)與荷載試驗(yàn)

依據(jù)橋梁病害檢測狀況分析和鑿除受損混凝土的理論分析，為了前期盡快恢復(fù)交通及避免后期梁體出現(xiàn)次生病害，加固設(shè)計(jì)分為兩階段：第一階段為結(jié)構(gòu)性病害處置階段，主要是恢復(fù)原橋的受力狀態(tài)，快速恢復(fù)通行；第二階段為一般性病害處置階段，主要是恢復(fù)原橋的耐久性狀態(tài)，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限。對火災(zāi)中受損的混凝土采用高一等級的混凝土進(jìn)行處理，并采用預(yù)頂方案恢復(fù)原橋的混凝土應(yīng)力狀態(tài)；受損的梁體腹板采用粘貼鋼板法進(jìn)行加固，底板采用張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板法進(jìn)行加固，圖5為橋梁加固整體布置圖。

圖5 過火T梁橋整體加固布置圖(單位：cm)

4.1 梁底支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

底板支架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有兩個(gè)方面的作用：① 為了在搶險(xiǎn)加固期，對T梁進(jìn)行預(yù)頂，恢復(fù)頂板混凝土應(yīng)力；② 為了在后期運(yùn)營初期進(jìn)行預(yù)防性加固。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)支架系統(tǒng)的底部可采用鉆孔灌注樁、鋼管樁或擴(kuò)大基礎(chǔ)，考慮到搶險(xiǎn)的時(shí)間要求，設(shè)計(jì)采用條形擴(kuò)大基礎(chǔ)。條形擴(kuò)大基礎(chǔ)數(shù)量共兩個(gè)，底縱橋向?qū)挾葹?.2 m，橫橋向?qū)挾葹?3.2 m，厚1.2 m，兩個(gè)基礎(chǔ)的中心間距為6.8 m，施工時(shí)先對地基進(jìn)行開挖，進(jìn)行人工夯實(shí)，然后鋪設(shè)碎石墊層，在墊層上方鋪設(shè)10 mm厚鋼板作為鋼筋綁扎的底模，澆筑C30混凝土形成條形基礎(chǔ)。立柱設(shè)計(jì)采用鋼立柱，柱頂設(shè)置分配梁用于布設(shè)千斤頂或支座。

4.2 翼緣與腹板的混凝土切割設(shè)計(jì)

翼緣與腹板由于受到火災(zāi)影響，混凝土受到較大損傷，致使強(qiáng)度明顯喪失，切割的目的主要是清除強(qiáng)度不足的混凝土，目前常見的切割方式為：人工風(fēng)鎬鑿除、墻鋸切割、繩鋸切割等機(jī)械切割方式，安全微聲爆破拆除等化學(xué)切割方式，高壓水無損切割方式等無損壓力切割方式。機(jī)械式切割存在切割時(shí)間長，容易對混凝土和鋼筋造成損傷，切割速度慢等問題；爆破切割存在風(fēng)險(xiǎn)大，振動大，同樣會對鋼筋造成損傷；超高壓水切割是近年來引進(jìn)的一種新型切割技術(shù)，主要利用超高壓(特指從100～280 MPa)水去除一定厚度的混凝土表面。

高壓水切割比傳統(tǒng)方法更加快速高效；提供粗糙、不規(guī)則的表面，使重新澆筑的材料具有更佳的附著力；可以按照需要去除指定的厚度；未損壞部分基本可以再次利用，節(jié)省資金；并不損壞鋼筋；不會產(chǎn)生傳統(tǒng)方法帶來的表面裂紋；無震動帶來的損害；為此選用高壓水切割方案作為施工方案。

4.3 施工過程預(yù)頂?shù)奈恢门c反力設(shè)計(jì)

預(yù)頂是第一階段加固的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須現(xiàn)場完成反力系統(tǒng)的調(diào)試后才能進(jìn)行混凝土的澆筑。完成支模和鋼筋綁扎后，采用千斤頂對梁體進(jìn)行第一次頂升，隨著混凝土的澆筑，在不考慮地基沉降、臨時(shí)支墩變形及其他變形的情況下，千斤頂?shù)牧⒆詣釉鲋磷罱K設(shè)計(jì)頂力，但由于地基沉降、臨時(shí)支墩變形及其他變形的影響，千斤頂?shù)牧赡懿粫_(dá)到最終頂力，因此需要在混凝土澆筑完后、初凝前盡快將千斤頂?shù)牧φ{(diào)整至最終設(shè)計(jì)頂力。

預(yù)頂?shù)奈恢门c反力受切割混凝土范圍和深度的影響，根據(jù)設(shè)計(jì)狀態(tài)的混凝土切割設(shè)計(jì)范圍，選擇距離跨中兩側(cè)各3.4 m的位置作為千斤頂布置點(diǎn)。表2為各階段跨中截面正應(yīng)力與撓度的計(jì)算結(jié)果。

由表2可得到以下結(jié)論：

表2 各階段跨中截面正應(yīng)力與撓度

(1) 火災(zāi)前主梁的應(yīng)力狀態(tài)與張拉碳纖維板階段主梁的應(yīng)力狀態(tài)，兩者基本相當(dāng)，可以認(rèn)為梁體應(yīng)力恢復(fù)至火災(zāi)前的水平。

(2) 施加頂升力對于改善主梁的應(yīng)力狀態(tài)具有明顯的作用，主梁的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生重分布，有助于減小跨中底板的應(yīng)力狀態(tài)，恢復(fù)跨中頂板的應(yīng)力狀態(tài)。

4.4 更換受損混凝土設(shè)計(jì)

為了方便混凝土的更換及保證更換混凝土的澆筑質(zhì)量，新的混凝土相比原C50混凝土提高一個(gè)等級；為減小混凝土收縮徐變的影響，設(shè)計(jì)采用微膨脹型混凝土。綜合上述因素，新澆筑的混凝土設(shè)計(jì)為C55型微膨脹混凝土。為不降低承載力，將原橋面鋪裝的混凝土調(diào)平層改造為結(jié)構(gòu)層，并加強(qiáng)鋼筋布置。

4.5 底板預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)

采用預(yù)頂?shù)姆绞侥芟蟛糠值牟焕绊懀瑸榱诉M(jìn)一步恢復(fù)受損梁體的設(shè)計(jì)狀態(tài)，需要在受損梁體的底板位置施加預(yù)應(yīng)力荷載。施加預(yù)應(yīng)力荷載的方式包括體外預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力碳纖維板，體外預(yù)應(yīng)力需要設(shè)置混凝土錨塊，構(gòu)造復(fù)雜，施工周期長，而預(yù)應(yīng)力碳纖維板有專用的夾具，施工便捷，且耐久性良好，因此選擇預(yù)應(yīng)力碳纖維板作為預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)措施。預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加載選擇混凝土澆筑并且養(yǎng)生完成后，張拉完預(yù)應(yīng)力可鋪設(shè)瀝青橋面層。

4.6 耐久性加固設(shè)計(jì)

由于腹板局部被可燃物灼傷，強(qiáng)度有所損失，后期存在開裂的可能，為此在腹板采用粘貼斜鋼板的形式進(jìn)行加固。在恢復(fù)通行3個(gè)月后，根據(jù)外觀檢測情況，針對可能出現(xiàn)的腹板斜裂縫和橫隔板裂縫，采用粘貼鋼板的形式進(jìn)行耐久性加固。

4.7 荷載試驗(yàn)

基于荷載試驗(yàn)的評價(jià)方法是對橋梁加固成果的判斷標(biāo)準(zhǔn)之一，由于相鄰橋跨未受到火災(zāi)的影響，為此采用對比的方式進(jìn)行荷載試驗(yàn)，即對受火災(zāi)影響的第11跨和未受火災(zāi)影響的第12跨分別進(jìn)行對比加載，以對比搶修加固效果。荷載試驗(yàn)結(jié)果表明：第11跨各工況荷載作用下主要受力主梁實(shí)測撓度值均小于理論撓度值，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.47～0.78，實(shí)測應(yīng)變均未超出理論應(yīng)變，應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)為0.20～0.86，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中校驗(yàn)系數(shù)小于1的規(guī)定，表明試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求；第11跨相比第12跨荷載作用下主梁實(shí)測撓度、實(shí)測應(yīng)變基本一致，說明已達(dá)到梁體承載力恢復(fù)目的。

5 結(jié)論

依據(jù)京港澳高速公路黃河大橋起火后檢測結(jié)果，推定了溫度場的分布，并依此進(jìn)行了加固分析，主要結(jié)論如下：

(1) 對于橋面火災(zāi)后的混凝土T梁橋，清除受損混凝土頂板對剩余梁體的應(yīng)力與承載力影響有限，清除腹板混凝土深度在40 cm范圍內(nèi)對梁體撓度變化影響不大，清除腹板混凝土深度達(dá)到40 cm以上時(shí)將出現(xiàn)明顯下?lián)稀?/p>

(2) 在鋼管立柱建立的臨時(shí)支撐系統(tǒng)下，采用先鑿除受損混凝土，然后施加強(qiáng)制位移，最后通過釋放對后澆混凝土施加壓應(yīng)力的加固方法，能較好地將受損橋梁恢復(fù)至設(shè)計(jì)理想狀態(tài)。

(3) 橋面起火后混凝土強(qiáng)度損失嚴(yán)重，高壓水切割工藝可精確剝離受損混凝土與正?；炷?，能避免傳統(tǒng)機(jī)械鑿除對未破損區(qū)域混凝土的影響，并且完整保留梁體鋼筋。

(4) 搶修加固采用兩階段加固能較好地滿足前期搶通及后期耐久性雙方面的要求，具有在橋梁搶修工程中推廣的價(jià)值。

該橋加固后進(jìn)行了持續(xù)半年的觀測，目前在加固后已經(jīng)運(yùn)營3年，經(jīng)受了京港澳高速車流量的考驗(yàn)，至今未發(fā)生新增病害，加固方法和施工效果得到驗(yàn)證。