張新剛 劉后祥 閃志宇

摘要：公路橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分，其安全性對(duì)于保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的順暢運(yùn)行至關(guān)重要。然而，橋梁在遭受火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)，其結(jié)構(gòu)完整性和功能性往往受到威脅。本研究分析了火災(zāi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)材料的熱學(xué)影響和結(jié)構(gòu)完整性的潛在損害，重點(diǎn)關(guān)注鋼材和混凝土在高溫下的性能變化。詳細(xì)討論了非破壞性檢測(cè)技術(shù)如聲波檢測(cè)和紅外熱成像以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橋梁安全評(píng)估中的應(yīng)用。探討了損傷評(píng)估模型，特別是計(jì)算模擬在理解火災(zāi)影響方面的作用。在加固與修復(fù)策略方面，本文著重于材料選擇、設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)，強(qiáng)調(diào)了在實(shí)施過程中的安全和環(huán)境考量，并提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：橋梁安全；災(zāi)后恢復(fù)；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

引言

公路橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著連接不同地理區(qū)域、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與文化交流的重要任務(wù)，不僅是物理結(jié)構(gòu)，更是社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要支撐。橋梁通過跨越河流、山谷、道路或其他障礙，有效縮短了旅行時(shí)間，提高了交通效率，對(duì)于維持地區(qū)間的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)交往具有不可替代的作用。例如，在城市地區(qū)，橋梁有助于緩解交通擁堵；在偏遠(yuǎn)地區(qū)，常常是連接偏遠(yuǎn)地區(qū)與外界的唯一途徑。

鑒于火災(zāi)對(duì)公路橋梁潛在的影響，加強(qiáng)橋梁火災(zāi)后檢測(cè)評(píng)定和加固策略研究顯得尤為重要。這不僅涉及到橋梁的結(jié)構(gòu)完整性和使用壽命，也關(guān)系到公共安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定。因此，深入研究火災(zāi)對(duì)橋梁的具體影響、評(píng)估現(xiàn)有的檢測(cè)和評(píng)定方法以及探索有效的加固策略，對(duì)于確保公路橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和服務(wù)功能的持續(xù)性具有重要意義。

一、火災(zāi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響

（一）熱學(xué)影響：材料的熱膨脹和強(qiáng)度下降

火災(zāi)是一種極端的熱事件，它對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)材料的影響主要體現(xiàn)在熱學(xué)性質(zhì)的改變上。橋梁結(jié)構(gòu)通常由鋼材、混凝土等材料構(gòu)成，這些材料在高溫環(huán)境下物理和化學(xué)特性會(huì)發(fā)生顯著變化。

（二）鋼材的熱影響

鋼材是公路橋梁常用材料，具有良好的強(qiáng)度和韌性。然而，在火災(zāi)中，鋼材的強(qiáng)度和剛度會(huì)隨溫度的升高而明顯下降。一般情況下，溫度達(dá)到600°C左右時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度會(huì)下降到室溫時(shí)的一半左右。溫度繼續(xù)升高，鋼材的強(qiáng)度將進(jìn)一步降低，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形或崩塌。此外，鋼材在高溫下會(huì)發(fā)生熱膨脹，這種不均勻膨脹可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，加劇結(jié)構(gòu)損傷。

（三）混凝土的熱影響

混凝土在高溫下的行為更為復(fù)雜。隨著溫度升高，混凝土內(nèi)部的水分開始蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸汽壓力，可能導(dǎo)致爆裂和剝落。此外，混凝土的化學(xué)結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變，如碳酸鈣分解，進(jìn)一步減弱了其結(jié)構(gòu)完整性。在極端情況下，混凝土?xí)ゴ蟛糠殖休d能力，導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷。

二、檢測(cè)與評(píng)定方法

在火災(zāi)發(fā)生后，及時(shí)、準(zhǔn)確評(píng)估橋梁的結(jié)構(gòu)安全性至關(guān)重要。這不僅涉及到橋梁的迅速恢復(fù)和再利用，也關(guān)系到公眾安全?，F(xiàn)代技術(shù)提供了多種檢測(cè)和評(píng)定方法，從非破壞性檢測(cè)技術(shù)到復(fù)雜的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，再到基于計(jì)算的損傷評(píng)估模型，這些方法各有其特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。

（一）非破壞性檢測(cè)技術(shù)

非破壞性檢測(cè)（NDT）技術(shù)在評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)完整性，尤其是在火災(zāi)后的損傷評(píng)估中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其中，聲波檢測(cè)和紅外熱成像是兩種關(guān)鍵技術(shù)。聲波檢測(cè)技術(shù)，特別是超聲波檢測(cè)，利用聲波在材料中的傳播特性來評(píng)估結(jié)構(gòu)的完整性?？梢酝ㄟ^分析超聲波在材料中的傳播速度和衰減情況，確定材料內(nèi)部的裂縫、空洞和其他缺陷。超聲波檢測(cè)對(duì)于檢測(cè)混凝土和金屬結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部損傷尤為有效，能夠精準(zhǔn)識(shí)別和定位結(jié)構(gòu)損傷。紅外熱成像技術(shù)通過檢測(cè)材料表面的溫度分布來識(shí)別結(jié)構(gòu)中的異常區(qū)域。紅外熱成像提供即時(shí)的視覺和定量數(shù)據(jù)，幫助工程師迅速判斷哪些區(qū)域需要進(jìn)一步深入檢查[1]。

（二）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）是一種先進(jìn)、動(dòng)態(tài)的檢測(cè)方法，通過使用各種傳感器技術(shù)來持續(xù)監(jiān)測(cè)橋梁的實(shí)時(shí)狀態(tài)。這種方法不僅能夠提供即時(shí)的結(jié)構(gòu)信息，還能幫助預(yù)測(cè)和預(yù)防潛在的結(jié)構(gòu)問題。

SHM系統(tǒng)的核心在于其傳感器技術(shù)。這些系統(tǒng)通常包括應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)、位移傳感器等多種類型的傳感器，它們協(xié)同工作，實(shí)時(shí)收集橋梁的應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。例如，應(yīng)變計(jì)能夠測(cè)量材料在受力時(shí)的變形程度，這對(duì)于評(píng)估材料的應(yīng)力狀態(tài)和潛在的疲勞損傷至關(guān)重要。加速度計(jì)則用于監(jiān)測(cè)橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，包括由交通荷載或自然因素（如風(fēng)或地震）引起的振動(dòng)。而位移傳感器則能監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的整體位移和變形，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性[2]。

通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的持續(xù)監(jiān)控和分析，工程師可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的任何異常變化。這種早期發(fā)現(xiàn)對(duì)于預(yù)防進(jìn)一步損傷和確保橋梁的長(zhǎng)期安全運(yùn)行至關(guān)重要。例如，通過監(jiān)測(cè)和分析數(shù)據(jù)，可以在小的裂縫擴(kuò)展成嚴(yán)重?fù)p傷之前對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。同樣，通過識(shí)別由環(huán)境因素或交通荷載引起的非常規(guī)振動(dòng)，可以及時(shí)調(diào)整維護(hù)策略或?qū)嵤┘庸檀胧3]。

（三）計(jì)算模擬

計(jì)算模擬是評(píng)估火災(zāi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響的核心方法之一。通過模擬不同火災(zāi)場(chǎng)景，如溫度分布、持續(xù)時(shí)間和火源位置，工程師可以詳細(xì)評(píng)估結(jié)構(gòu)在火災(zāi)條件下的響應(yīng)和潛在的損傷程度。這種模擬通常采用有限元方法（FEM），這是一種強(qiáng)大的數(shù)值分析工具，能夠模擬和分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在各種負(fù)載和條件下的行為。在進(jìn)行火災(zāi)模擬時(shí)，會(huì)考慮多種因素，包括材料的熱響應(yīng)、熱膨脹、強(qiáng)度降低和任何與火災(zāi)相關(guān)的化學(xué)變化。例如，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁，模擬將考慮高溫下鋼材強(qiáng)度的下降和熱膨脹對(duì)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。對(duì)于混凝土橋梁，模擬將考慮高溫導(dǎo)致的混凝土裂縫、水分損失和結(jié)構(gòu)劣化[4]。

三、加固與修復(fù)策略

（一）材料選擇

在火災(zāi)后對(duì)橋梁進(jìn)行修復(fù)時(shí)，選擇合適的加固材料是一個(gè)關(guān)鍵且具有決定性的步驟，它不僅直接影響加固效果，還決定橋梁未來的性能和耐用性。首先，進(jìn)行適用性評(píng)估非常必要，這包括考慮材料的機(jī)械性能、與原有結(jié)構(gòu)的兼容性以及對(duì)環(huán)境因素（如耐腐蝕性和耐候性）的適應(yīng)能力。例如，如果橋梁主要由鋼結(jié)構(gòu)組成，選用的加固材料應(yīng)具有與鋼材相匹配的熱膨脹系數(shù)，以避免溫差引起的額外應(yīng)力。此外，考慮到橋梁已遭受火災(zāi)，選用具有優(yōu)良耐火性能的材料顯得尤為重要。這可能包括使用耐高溫的混凝土配方、應(yīng)用耐火涂料，或采用在高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定的合成材料，這些措施將有助于在未來類似事件中提供更好保護(hù)，并減輕結(jié)構(gòu)損傷[5]。

（二）設(shè)計(jì)原則

加固設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是恢復(fù)或提升橋梁的承載能力，同時(shí)考慮到未來可能的荷載和環(huán)境變化。首先，設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于恢復(fù)橋梁原有的承載能力，這常常涉及到對(duì)受損區(qū)域的加固工作，如應(yīng)用加固板、加固梁或預(yù)應(yīng)力技術(shù)，以增強(qiáng)受損部分的承載力。在進(jìn)行這些加固措施時(shí)，還需細(xì)致考慮加固材料與原結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)關(guān)系，確保整體結(jié)構(gòu)的一致性和協(xié)調(diào)性。此外，在某些情況下，可能不僅要恢復(fù)原有承載力，還需提升橋梁的承載能力，以適應(yīng)未來可能增加的交通流量或其他變化的使用條件。這可能要求進(jìn)行更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)重設(shè)計(jì)和加固。例如，引入額外的支撐結(jié)構(gòu)或采用新型高性能材料，從而確保橋梁在未來的穩(wěn)定運(yùn)作和安全性。

（三）實(shí)施過程

1.施工計(jì)劃與管理

施工計(jì)劃與管理是橋梁加固和修復(fù)工程的關(guān)鍵，它要求項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行詳盡的規(guī)劃和有效的協(xié)調(diào)。這個(gè)階段包括制定全面的施工計(jì)劃，涵蓋施工的各個(gè)階段、材料和資源配置以及精確的時(shí)間安排。項(xiàng)目管理的有效性不僅體現(xiàn)在工程按計(jì)劃進(jìn)行，還在于對(duì)突發(fā)情況的應(yīng)對(duì)能力。此外，工程的成功也依賴于各參與團(tuán)隊(duì)（包括設(shè)計(jì)師、工程師、施工人員）之間的順暢溝通，確保每個(gè)環(huán)節(jié)都有明確的目標(biāo)和認(rèn)識(shí)[6]。

2.施工技術(shù)與方法

選擇適當(dāng)?shù)氖┕ぜ夹g(shù)和方法對(duì)于確保加固工作的成功至關(guān)重要。這包括根據(jù)橋梁具體結(jié)構(gòu)和損傷狀況挑選合適的加固技術(shù)，并保證這些技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)得到有效執(zhí)行。在某些特殊情況下，如面對(duì)難以接近的損傷區(qū)域或需要最小化交通干擾時(shí)，創(chuàng)新的施工方法變得尤為重要。這可能涉及使用高級(jí)機(jī)械設(shè)備、特別的材料處理技術(shù)或?qū)嵤┨厥馐┕こ绦?，以?yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)[7]。

3.加固與修復(fù)的具體措施

首先，建議對(duì)公路橋梁進(jìn)行定期檢測(cè)和維護(hù)，特別是在易受火災(zāi)等災(zāi)害影響的地區(qū)，通過應(yīng)用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)如實(shí)時(shí)傳感器和非破壞性檢測(cè)方法，可及早發(fā)現(xiàn)并防止?jié)撛趩栴}。其次，建議建立和完善橋梁火災(zāi)后的應(yīng)急響應(yīng)和恢復(fù)計(jì)劃，以確保在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能迅速評(píng)估損害并迅速采取行動(dòng)，同時(shí)制定有效的恢復(fù)和重建計(jì)劃，以確保最小化時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。此外，對(duì)工程師、施工人員和相關(guān)管理人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)至關(guān)重要，以提高他們對(duì)火災(zāi)后橋梁評(píng)估和修復(fù)的認(rèn)識(shí)和技能，同時(shí)加強(qiáng)高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)居民的安全意識(shí)和知識(shí)。為提高橋梁的耐火性能和抗災(zāi)能力，鼓勵(lì)和支持新材料、新技術(shù)研發(fā)，同時(shí)開發(fā)更高效的損傷評(píng)估和修復(fù)技術(shù)，以減輕火災(zāi)對(duì)公路橋梁的長(zhǎng)期影響[8]。最后，制定和實(shí)施相關(guān)政策和法規(guī)至關(guān)重要，確保橋梁的設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)符合安全標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)域，應(yīng)實(shí)施更嚴(yán)格的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。通過這些措施，可以顯著提升公路橋梁在面對(duì)火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)的安全性和恢復(fù)力。

結(jié)語

本文綜合探討了火災(zāi)后公路橋梁的檢測(cè)評(píng)定及加固策略，深入分析橋梁在火災(zāi)后的損傷程度、評(píng)估方法和加固修復(fù)的關(guān)鍵步驟。通過這項(xiàng)研究，我們可以更好理解火災(zāi)對(duì)公路橋梁的影響以及如何有效評(píng)估和加固受損的橋梁結(jié)構(gòu)。突出火災(zāi)對(duì)橋梁材料的熱學(xué)影響和結(jié)構(gòu)損傷，指出了火災(zāi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)完整性的潛在威脅。通過詳細(xì)分析如聲波檢測(cè)和紅外熱成像等非破壞性檢測(cè)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提供了有效的方法來評(píng)估火災(zāi)后橋梁的安全狀況。此外，還討論了損傷評(píng)估模型的重要性，強(qiáng)調(diào)了計(jì)算模擬在理解火災(zāi)對(duì)橋梁影響方面的作用。在加固與修復(fù)策略方面，著重討論了材料選擇、設(shè)計(jì)方法以及實(shí)施過程中的策略和挑戰(zhàn)。強(qiáng)調(diào)了選擇適當(dāng)加固材料的重要性，并探討了如何設(shè)計(jì)加固方案以恢復(fù)或提升橋梁的承載能力。同時(shí)，分析了現(xiàn)場(chǎng)施工的策略和挑戰(zhàn)，包括施工計(jì)劃與管理、施工技術(shù)與方法以及安全與環(huán)境影響。未來，我們期待著這些策略和建議的實(shí)施，不僅能增強(qiáng)橋梁的安全性和耐久性，也能促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施安全管理領(lǐng)域的進(jìn)步。

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