中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司，北京 100000

隨著我國橋梁數(shù)量的增多，火災(zāi)引起的橋梁損傷越來越多，火災(zāi)會使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷。對于預(yù)應(yīng)力箱梁橋而言，火災(zāi)會使橋梁內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋以及混凝土特性發(fā)生劣化，導(dǎo)致橋梁承載能力下降，甚至影響正常使用，因此在橋梁發(fā)生火災(zāi)后，必須對其性能進(jìn)行評估及制訂相關(guān)的修復(fù)措施。

在以往相關(guān)研究中，Kodur等[1]通過建立結(jié)構(gòu)模型，研究得出火災(zāi)后橋梁的剩余承載能力與火災(zāi)最高溫度相關(guān)。Gong[2]利用ABAQUS軟件對正交異性鋼梁橋受火災(zāi)和豎向荷載共同作用下的性能進(jìn)行了分析研究。王成明等[3]對預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁在火災(zāi)中的性能特點(diǎn)進(jìn)行了試驗研究。劉世忠等[4]、蔡正東等[5]、劉華等[6]對火災(zāi)下箱梁的損傷評估與加固措施進(jìn)行了研究。張崗等[7]以預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）箱梁為研究對象，對不同高溫爆裂指標(biāo)下的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁極限承載能力進(jìn)行了計算。張贊鵬等[8]通過建立Midas Civil模型，對某火災(zāi)后預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋損傷程度及剩余承載能力進(jìn)行了研究。王凱等[9]通過對某火災(zāi)后橋梁的檢測評估結(jié)果進(jìn)行分析，提出了采用粘貼鋼板法進(jìn)行橋梁加固的措施。

綜上所述，以往的研究多集中在橋梁某一構(gòu)件火損后的性能研究，相關(guān)修復(fù)措施較為單一，關(guān)于影響預(yù)應(yīng)力箱梁橋防火性能的因素分析較少，且缺乏系統(tǒng)的性能評估及修復(fù)策略。文章基于某實(shí)際工程在火災(zāi)發(fā)生后結(jié)構(gòu)性能變化，分析了影響預(yù)應(yīng)力箱梁橋防火性能的主要因素，分別從混凝土、預(yù)應(yīng)力筋以及鋼筋三種材料性能分析了橋梁火災(zāi)后性能評估及修復(fù)策略，以期為類似工程提供參考。

1 工程背景

某為雙幅分離式特大橋，雙向四車道。橋孔布置為左幅26×30m+(35+60+35)m+10×30m+(36+36)m+6×30m，右幅26×30m+(35+60+35)m+9×30m+(36+36)m+7×30m，橋長 1469m。全橋分為12聯(lián)，跨長港采用(35+60+35)m懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨新港采用(30+36+36+30)m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁，其余采用30m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，先簡支后連續(xù)體系。下部構(gòu)造：0號臺采用樁柱式橋臺；47號臺采用肋板式橋臺、樁基礎(chǔ)；主墩采用矩形截面雙柱墩；主橋和引橋間的過渡墩及引橋橋墩為柱式墩配樁基礎(chǔ)。

該特大橋左右幅第一聯(lián)第一孔橋下違規(guī)堆積稻草，受不明原因引燃并引發(fā)火災(zāi)，火災(zāi)持續(xù)45min后被消防人員撲滅?；馂?zāi)現(xiàn)場照片見圖1。

圖1 火災(zāi)現(xiàn)場照

根據(jù)該橋T梁受火后損傷情況，并參考《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 252：2009）及《火災(zāi)后混凝土構(gòu)件評定標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ08-219-96）分級標(biāo)準(zhǔn)，將上構(gòu)受火區(qū)域分為A、B、C這3個區(qū)域，其中A區(qū)域小箱梁混凝土表面呈淺黃色并大面積脫落，存在箍筋外露現(xiàn)象，錘擊該區(qū)域小箱梁混凝土的聲音發(fā)啞，錘擊后伴有混凝土脫落現(xiàn)象；B區(qū)域混凝土表面呈淺灰略帶淺紅，表面有少量混凝土脫皮現(xiàn)象，錘擊聲音較悶，錘擊后有輕微痕跡；C區(qū)域表面輕微被熏黑，基本未見混凝土剝落、露筋等病害，錘擊聲音響亮。A區(qū)域及C區(qū)域損壞現(xiàn)場見圖2。

圖2 受火區(qū)現(xiàn)場圖

2 影響預(yù)應(yīng)力箱梁橋防火性能的因素

2.1 橋梁的幾何特征

在火災(zāi)條件下，橋梁的幾何形狀和尺寸對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能有重要影響。如在火災(zāi)作用下，構(gòu)件的剪跨比或側(cè)向約束等因素會對梁的局部屈曲或扭轉(zhuǎn)屈曲產(chǎn)生顯著影響，此外混凝土保護(hù)層厚度對鋼筋混凝土構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能有直接影響。

2.2 建筑材料

橋梁在火災(zāi)作用下的性能高度依賴于構(gòu)件組成材料的物理性能和機(jī)械性能，例如鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)比混凝土高出50倍。此外，所有材料在高溫下都會產(chǎn)生強(qiáng)度和彈性模量特性的損失，這些特性的損失速率也因材料不同而有所區(qū)別，混凝土的強(qiáng)度和剛度特性隨溫度的損失要比鋼材慢得多，普通強(qiáng)度混凝土的強(qiáng)度和剛度在超過400℃時才開始下降，而鋼材的機(jī)械性能在250℃左右就開始有明顯下降。

2.3 裝載和支撐條件

荷載的類型、強(qiáng)度以及支撐條件都會影響構(gòu)件的在火災(zāi)作用后的結(jié)構(gòu)性能。結(jié)構(gòu)在靜載和較低荷載下的耐火性能比在動態(tài)、高荷載作用下要好。高負(fù)荷水平使構(gòu)件承受額外的壓力，因此構(gòu)件在火災(zāi)下的儲備能力更小。此外，由于火災(zāi)造成的試件收縮率的發(fā)展可以抵消由荷載產(chǎn)生的彎矩，約束支撐條件可以顯著影響受彎構(gòu)件的耐火性能。對于固定端混凝土柱而言，約束支撐條件的存在會產(chǎn)生附加力，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層過早剝落、破壞，最終提高了構(gòu)件火災(zāi)易損性。

2.4 火災(zāi)強(qiáng)度

火災(zāi)強(qiáng)度和持續(xù)時間對構(gòu)件的性能也有重要的影響，這主要取決于火災(zāi)發(fā)生時對應(yīng)的燃料類型、數(shù)量以及通風(fēng)特性等。橋梁是相對開放的結(jié)構(gòu)，有無限的氧氣供應(yīng)，缺乏主動和被動的防火措施。此外，如果構(gòu)件中存在高度易燃的烴類材料，可能會加速火災(zāi)的發(fā)展速率，加速橋梁結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的破壞。

3 預(yù)應(yīng)力箱梁火災(zāi)后性能評估及修復(fù)策略

3.1 混凝土的評估及養(yǎng)護(hù)

根據(jù)以上分析，預(yù)應(yīng)力箱梁火災(zāi)后性能修復(fù)可以參考關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)的出版文獻(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)手冊，作為預(yù)應(yīng)力箱梁火災(zāi)后評估和維修策略。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的火災(zāi)損傷可以通過目測和材料測試來進(jìn)行評估。這個評估通常包括兩個方面：（1）采用無損傷法進(jìn)行混凝土剩余強(qiáng)度的評估；（2）橋梁受火災(zāi)影響最嚴(yán)重區(qū)域的歷史最高溫度評估，這對于評估鋼筋的殘余強(qiáng)度以及確定一些關(guān)鍵的化學(xué)、物理變化具有重要意義。

外觀檢測包括記錄混凝土剝落、混凝土保護(hù)層脫落、混凝土外觀及開裂。其中PCI標(biāo)準(zhǔn)手冊提供了一種通過對比火災(zāi)發(fā)生前后混凝土顏色變化來判斷混凝土可能達(dá)到的歷史最高溫度的方法，見表1。

表1 暴露于火災(zāi)中混凝土顏色和溫度之間的相關(guān)性 單位：℃

此外，由于視覺評估具有主觀因素影響，一些研究者提出了基于光學(xué)顯微鏡與彩色圖像分析相結(jié)合以及數(shù)碼相機(jī)比色法等替代方法，并提出了暴露在火災(zāi)下不同時間間隔的混凝土橋梁下翼緣顏色變化：白色、灰白色、白灰色和烏黑色。根據(jù)混凝土損傷程度，白色對應(yīng)火災(zāi)最嚴(yán)重的區(qū)域，烏黑色對應(yīng)熱量最低的區(qū)域。這些都是表觀的顏色變化，與表1中提到的構(gòu)件截面混凝土的內(nèi)部顏色變化有所不同。

裂縫也是混凝土溫度效應(yīng)的重要指標(biāo)?；炷亮涸谑芾瓍^(qū)域的橫向裂縫可能導(dǎo)致強(qiáng)度和剛度降低，裂縫是取決于混凝土的溫度及抗壓強(qiáng)度的兩個獨(dú)立變量，相關(guān)研究表明開裂強(qiáng)度將隨著溫度的升高而線性增加。開裂的起始點(diǎn)和嚴(yán)重程度取決于混凝土的抗壓強(qiáng)度。暴露在火災(zāi)下更嚴(yán)重的物理問題是發(fā)生混凝土剝落，混凝土剝落會使鋼筋直接暴露于大火中，使其更容易遭受重大的強(qiáng)度損失。此外，由于剝落造成的混凝土覆蓋層的損失可能使鋼筋發(fā)生腐蝕，一共有以下三種類型的剝落：局部剝落，即小塊從混凝土上剝落；中間部分從混凝土上剝落；劇烈剝落，即大塊混凝土從混凝土梁上剝落。劇烈剝落是高強(qiáng)度混凝土中最常見的現(xiàn)象，主要是由于混凝土的低滲透性和低孔隙率造成的。

通過采集混凝土樣品的核心區(qū)域進(jìn)行巖相檢驗和壓縮試驗。巖相檢驗分析主要涉及混凝土在高溫下的損傷和性能變化，即微裂縫深度、黏結(jié)改變（顏色變化和強(qiáng)度軟化）和碳化以及試件內(nèi)部核心區(qū)域的微裂縫?；炷猎诩訜犭A段常見的外觀變化見表2。

表2 混凝土暴露于火災(zāi)時的物理（外觀）變化 單位：℃

通過以上評估，可以制訂中度損壞構(gòu)件或嚴(yán)重?fù)p壞構(gòu)件的修復(fù)策略?；炷列迯?fù)的相關(guān)規(guī)范主要介紹了混凝土橋梁上部結(jié)構(gòu)的修復(fù)技術(shù)，包括橋墩蓋、梁、甲板、路緣、人行道和軌道等，其給出了損傷評估、修復(fù)方法選擇和表面處理的相關(guān)建議。然而這些修復(fù)方法需要專門用于火災(zāi)損壞的情況，因為火災(zāi)損壞與其他類型有很大的不同，建議將火災(zāi)發(fā)生后的混凝土外層去掉，同時在外層涂抹足夠的砂漿和防護(hù)材料對表面加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，同時在養(yǎng)護(hù)之前需要通過注入環(huán)氧樹脂對內(nèi)部裂縫進(jìn)行修復(fù)，從而有效地促進(jìn)裂縫閉合。

3.2 預(yù)應(yīng)力筋及鋼筋評估及養(yǎng)護(hù)

在火災(zāi)損壞的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中，由于高溫影響，混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼絞線和低碳鋼可能會出現(xiàn)強(qiáng)度和剛度損失，這些材料的剩余強(qiáng)度特性被定義為加熱后冷卻回室溫后試的應(yīng)力試樣，其初始溫度可達(dá)到150～250℃，此后，抗拉強(qiáng)度顯著下降。通過對高溫下直徑為15.2mm的鋼絞線應(yīng)力狀況進(jìn)行研究表明，鋼絞線失效與溫度提升速率和冷卻速率無關(guān)，且其抗拉強(qiáng)度在93℃時急劇下降，并在760℃時繼續(xù)下降，直至達(dá)到5%的殘余抗拉強(qiáng)度。當(dāng)溫度降低后，預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量與溫度無關(guān)，隨著溫度的升高，彈性模量略有增加，但在接近試驗結(jié)束時，彈性模量又有所恢復(fù)。

此外，還需要對火災(zāi)發(fā)生后預(yù)應(yīng)力筋的性能狀況進(jìn)行合理評估。上述討論提出了一些關(guān)于高溫下鋼絞線殘余強(qiáng)度的問題，因此必須對火災(zāi)中鋼絞線達(dá)到的溫度進(jìn)行評估，包裹在鋼絞線周圍的混凝土可以反映鋼絞線所承受溫度的一些特征。盡管鋼絞線周圍的混凝土溫度很高，但在高溫區(qū)域內(nèi)的鋼絞線抗拉強(qiáng)度變化并不明顯，鋼絞線能夠?qū)崃繌氖軣釁^(qū)傳導(dǎo)到溫度較低的混凝土上，從而防止屈服應(yīng)力的大幅度降低。這里提供了兩種考慮火災(zāi)條件下預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的修復(fù)策略。

（1）對火災(zāi)預(yù)應(yīng)力箱梁進(jìn)行包裝處理。在損壞的梁周圍設(shè)置永久性的約束，以防止混凝土梁的進(jìn)一步劣化和腐蝕。例如，在構(gòu)件上采用環(huán)氧灌漿的鋼模板，并在其表面噴射混凝土，這種方法的缺點(diǎn)是增加了構(gòu)件自重。

（2）水噴、預(yù)壓、預(yù)應(yīng)力、后澆處理。這種方法包括適當(dāng)?shù)厝コ龘p壞的混凝土并用新混凝土來代替，在澆筑新混凝土之前，要在橋上施加垂直荷載。當(dāng)預(yù)壓荷載被移除時，重新澆筑混凝土或者采用通過施加預(yù)應(yīng)力的方式能達(dá)到同樣的效果。

4 結(jié)論

文章通過研究某預(yù)應(yīng)力小箱梁在承受火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)性能評估及修復(fù)策略，主要得出了以下結(jié)論：

（1）火災(zāi)是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)性能劣化的重要因素之一，其可能導(dǎo)致橋梁材料性能破壞、結(jié)構(gòu)部分或全部垮塌，從而影響橋梁正常交通功能的使用，因此有必要對火災(zāi)作用后橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能進(jìn)行合理評估。

（2）在火災(zāi)作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的易損性及橋梁自身的重要性是影響預(yù)應(yīng)力箱梁橋防火性能的主要因素，其中橋梁結(jié)構(gòu)的易損性主要包括橋梁的幾何特征、建筑材料、荷載和支撐條件以及火災(zāi)強(qiáng)度等。