火灾后预应力砼梁桥承载能力评定方法研究*

侯攀，彭放枚，罗志佳

(1.广西建筑工程质量检测中心，广西 南宁 530005；2.广西建设职业技术学院，广西 南宁 530072)

相比其他桥梁事故，火灾具有突发性、小概率、破坏性大等特点，一旦发生，过高的温度会导致砼、钢筋的材料特性及钢筋与砼之间的协同变形关系发生改变，导致桥梁承载能力降低。桥梁火灾后损伤识别及承载能力评估是管养部门面对的新问题，然而目前对桥梁火灾后承载能力评估的指导性文件较少，建筑结构类评估办法《火灾后建筑结构鉴定标准》应用于桥梁存在一定的局限。因此，通过分析火灾对桥梁结构的损伤机理，结合先进的检测技术对受灾后桥梁进行损伤识别和承载力评估成为当前亟待解决的问题。钮宏等对30个砼T形截面柱体和40根钢筋试件在100～800 ℃下进行试验，研究了高温和荷载共同作用下钢筋与砼的本构关系；刘其伟等结合实例介绍了火灾受损桥梁检测评估与加固处理方法；王福敏等就火灾后钢筋砼桥梁结构的实际承载能力进行了分析；张宏等结合具体案例研究了火灾后砼桥梁损伤评估方法；张赞鹏等结合具体案例进行了火灾后预应力砼简支梁桥损伤程度及剩余承载能力鉴定。但目前对火灾后桥梁损伤鉴定和承载能力的研究并未形成系统的标准，不同检测人员和检测机构的评估标准不一致。该文以某城市桥梁火灾后损伤识别和承载能力鉴定为例，研究桥梁火灾后损伤检测和承载能力评定方法和流程。

1 火灾后桥梁检测评估流程

根据文献[2]和文献[5]，结合某城市桥梁对火灾后桥梁承载能力评估流程进行总结，提出“五步工作大纲法”(见图1)。

图1 火灾后桥梁检测评估流程

2 火灾后桥梁损伤检测方法

2.1 外观损伤检查方法

对结构表面状况、火堆现场残留物状况及可燃物特征、灭火过程等进行综合分析推断，方法如下：

(1)对直接过火及高温烟熏的结构物表面进行全面检测，记录材料的颜色、损坏破碎状态、锤击反应等参数。

(2)对火堆现场残留物进行取样，分析木材、金属制品、玻璃制品、建筑塑料制品、棉布纤维制品等物品的残留状态和熔化、变形、燃烧程度，然后参考CECS 252—2009附录A推断结构的受火温度。

2.2 砼强度检测

当主梁无法按照规范要求取芯进行抗压强度试验时，可通过超声-回弹综合法进行强度检测。由于超声波对砼的疏松程度较敏感，根据经验公式可较准确地推定火灾后砼的强度。砼强度q与声速v之间具有较好的相关性，砼强度越高，砼声速v越快。确定q-v关系曲线后，测出结构物砼的声速即可推算结构物砼的强度。v一般为4～5 km/s。根据文献[7]，砼结构的受火温度与回弹值R、超声速度v之间存在以下关系：

式中：tr为回弹法所测受火砼的受火温度；Rt为受火砼回弹值；R0为未受火完好砼回弹值；Sr为剩余标准差；tv为超声法所测受火砼的受火温度；vt、v0分别为受火砼和未受火完好砼的超声速度。

按平面回归分析，受火温度为：

砼的极限抗压强度随温度的升高而降低，降低程度为：

式中：fcu，t为温度为t时砼极限抗压强度；fcu，0为普通环境温度下砼极限抗压强度。

砼结构强度与受火温度的相关关系为：

Φc=1.535 79-0.001 465 8t

2.3 桥梁固有频率测试

自振频率f是桥梁结构的重要动力特性参数，其与结构刚度和质量有关，与刚度K成正比，与质量M成反比。受灾部位砼剥落后结构刚度削弱，质量降低，故灾后结构的自振频率呈降低趋势。可通过测试火灾桥梁的自振频率，并与受火前的自振频率或相同结构形式桥梁的自振频率进行对比，分析受灾桥梁结构刚度的削减程度。

2.4 桥梁承载能力评定

火灾对结构力学性能的影响包括强度降低和刚度削减两方面。由于材质劣化导致砼强度降低，钢筋有效面积和强度削减，而砼的大面积剥落造成结构面积和截面抗弯惯性矩减小，从而导致结构的正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力降低。

对火灾后桥梁承载能力的评定采用基于检测结果的有限元分析法。依据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》,根据外观质量检查、无损检测、自振特性测试及技术状况评定结果对桥梁承载能力检算系数、承载能力恶化系数、砼结构截面折减系数及钢筋截面折减系数、支座刚度削弱等参数进行计算。若要精确分析结构内部的受火温度，还可建立局部温度分析模型，计算高温作用下钢筋和砼的弹性模量，为结构承载能力评定提供材质的物理力学性能指标，更可靠地对结构极限承载能力状态和正常使用承载能力极限状态进行验算，为结构的加固处理提供依据。

2.5 结构耐久性影响评估

在高温作用下，水泥中的水化物脱水分解，导致水泥内部裂缝增多，结构变得疏松多孔。由于水泥石与粗骨料的热变形不相容，形成大量界面裂缝，会削弱骨料之间的黏结力。温度超过400 ℃时，黏结力的降低逐渐加剧，砼的碳化程度也加剧，导致钢筋失去碱性砼环境的保护，易发生锈蚀。

在高温作用下，钢筋的内部结构发生相变，钢筋的屈服强度、弹性模量、应力-应变曲线均发生变化，冷却方式不同也影响其相变和物理力学性能。温度超过600 ℃时，钢筋表面形成脱碳层，含碳量下降，珠光体减少导致钢筋强度降低。

3 某灾后桥梁结构承载能力评估

以某火灾桥梁为背景，根据以上评估流程，分析该桥受火灾后的承载能力。该桥由于桥台处堆积的杂物起火，火焰直接灼烧桥台和主梁约90 min后自然熄灭。火灾幅桥梁为辅助车道，上部结构为装配式预应力砼先简支后连续小箱梁，桥面宽11 m，桥面设置分隔带、非机动车道和人行道，设计荷载等级为城-A级。

3.1 外观检查

根据现场主梁外观、火堆残留物调查取样分析结果，现场情况描述如下：1)受灾概况。由于桥下堆积物人为烧毁，导致右幅外侧桥6#跨1#～4#箱梁靠近前台处的主梁表面、6#桥台台身、支座、伸缩缝受损。2)燃烧物为生活用品及生活垃圾；火灾时间60～90 min；灭火方式为自然熄灭。3)主燃点有2处，位于6#桥台锥坡处1#～2#、3#～4#主梁。4)损伤区域为6#跨主梁、6#桥台、支座、伸缩缝。主梁损伤区域见图1。5)燃烧温度推定。根据现场调查燃烧物形态、玻璃酒瓶存脆裂状及铝合金制品存在滴状的情况，推定现场火堆燃烧温度为600～700 ℃。6)桥台砼表面呈粉红显灰白色，表面砼严重脱落，钢筋外露，根据CECS 25—2009附录B推定最大受火温度为500～600 ℃。7)箱梁砼表面微显粉红色，表面砼严重脱落，钢筋外露，根据CECS 25—2009附录B推定最大受火温度为300～500 ℃。8)根据过火温度推断，主梁50 mm以上范围砼为正常。受火处的钢绞线距离砼表面90～120 mm，且采用圆形金属波纹管，推断波纹管内钢绞线未受火灾影响，钢绞线预应力未受到损失。

图2 主梁受灾区域示意图(单位：cm)

根据结构的受火温度及CECS 25—2009得出如下结论：1)距离桥台台帽表面50 mm以下的砼温度降至300 ℃以下，距离主梁表面50 mm范围内的砼温度降至300 ℃以下。2)高温砼自然冷却后抗压强度折减系数，距离桥台台帽表面50 mm范围内的未剥落砼为0.80，距离主梁表面50 mm范围内未剥落砼为0.80，剥落砼则按截面折减考虑。3)高温冷却后钢筋屈服强度折减系数为0.95，极限抗拉强度折减系数为0.95。4)高温自然冷却后砼弹性模量折减系数为0.75，砼与钢筋的黏结强度为0.90 MPa。

3.2 技术状况评定

仅根据当前外观检测结果进行受灾桥梁技术状况评定，该桥养护类别为Ⅱ类。依据CJJ 99—2017《城市桥梁养护技术标准》，Ⅱ～Ⅴ类养护的城市桥梁技术状况评估包括桥面系、上部结构、下部结构和全桥评估，采用先分部位再综合的评估方法。该桥评估结果如下：

(1)桥面系完好状况指数为90，完好状况等级为A级。

(2)桥梁上部结构主梁露筋锈蚀扣80 分，按照CJJ 99—2017，该类桥构件损坏程度达到该破坏程度时，评定等级不应高于D级，故该桥上部结构完好状况等级为D级。

(3)下部结构完好状况指数为97.4，完好状况等级为A级。

(4)全桥技术状况指数BCI按CJJ 99—2017中公式计算，BCI=92.81。

(5)主梁露筋锈蚀扣80分，按照CJJ 99—2017，该类桥构件损坏程度达到该破坏程度时，评定等级不应高于D级，故右幅桥梁完好状况评估等级为D级。根据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》，结构缺损状况评定标度为4。

3.3 砼材质强度检测

为全面测试火灾后主梁的强度状况，除对火灾区域的砼进行超声-回弹综合法检测外，还对未受损主梁进行超声-回弹综合法检测，分析受灾区域砼强度的降低程度。测试结果见表1。

表1 超声-回弹综合法测试结果 MPa

由表1可知：1)受灾区箱梁砼强度推定值为48.0～48.8 MPa，受火箱梁表面砼强度略低于设计强度，较未受灾主梁强度降低约10%。2)6#桥台受灾区砼强度推定值为35.5 MPa，较未受灾主梁强度降低约5%。3)按JTG/T J21—2011进行评定，砼强度评定标度为1。

3.4 砼碳化检测

按照JGJ/T 23—2011，在已测砼回弹值的测区中选取3个具有代表性的测区，采用浓度为1%～2%的酚酞酒精溶液测试砼碳化深度，每个测区测3点，取平均值作为检测结果。

检测结果如下：1)主梁碳化深度30 mm左右，主梁主筋净保护层厚度设计值为40 mm。2)桥台碳化深度40 mm左右，桥台主筋净保护层厚度设计值为40 mm。检测结果表明主筋内的砼未发生碳化，碳化深度平均值小于保护层厚度，按JTG/T J21—2011进行评定，碳化深度评定标度为2。

3.5 自振频率检测

由于火灾桥梁属于非机动车道，未进行成桥荷载试验，自振频率试验采用比对方法，对相同结构的未受灾的左幅桥梁进行自振频率测试，测量由外界因素引起的桥梁微小且不规则的振动，然后进行谱分析，得到桥梁结构的动力特性值(自振频率、振型和阻尼比)。对比两幅桥的基频，判断受灾桥梁的刚度是否发生变化。测点布置见图3，检测结果见图4、图5。

图3 自振频率测点布置(单位：cm)

图4 受灾桥梁频谱图(f1=5.176 Hz)

图5 未受灾桥梁频谱图(f1=5.469 Hz)

通过对实测振动信号进行分析，得到主梁振动频率和阻尼比等模态参数。理论值采用MIDAS/Civil进行计算，按JTG/T J21—2011进行评定。评定结果见表2。

表2 主梁自振频率、阻尼比对比结果

由表2可知：1)右幅受灾桥梁实测1阶频率大于理论1阶频率，实测阻尼比为0.011；2)右幅受灾桥梁实测1阶频率小于左幅1阶实测频率，右幅桥梁主梁和桥台支座刚度均有所降低。

3.6 承载能力验算

3.6.1 分项检算系数确定

根据JTG/T J21—2011的相关规定确定分项检算系数，结果见表3。

表3 分项检算系数的取值

3.6.2 计算参数确定

综合外观检测、超声-回弹综合法检测结果及规范相关要求，确定火灾区域梁段砼和钢筋的材料特性值(见表4)。

表4 受灾主梁材料特性值

3.6.3 结构计算有限元模型

采用平面杆系结构模型，边界条件按实际模拟。以CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》和JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》为标准，按照设计说明，该桥预制小箱梁按A类预应力钢筋砼构件设计，按规范要求，承载能力极限状态验算采用基本组合。图6为箱梁结构离散图。

图6 2#箱梁结构离散图

3.6.4 上部结构极限承载能力验算

根据JTG D62—2004，桥梁构件的承载能力极限状态计算应满足：

γ0S≤R

式中：γ0为结构构件重要性系数；S为承载能力极限状态的荷载效应组合设计值；R为结构构件承载能力设计值。

按JTG D62—2004进行正截面抗弯承载能力计算，主梁正截面抗弯承载能力验算结果见图7。按JTG D62—2004进行斜截面抗剪承载能力计算，主梁斜截面抗剪承载能力验算结果见图8、表5。

图7 正截面抗弯承载能力验算结果(单位：kN·m)

图8 斜截面抗剪承载能力验算结果

表5 极限承载能力组合值验算结果

由图7、图8、表5可知：2#箱梁火灾后的正截面抗弯抗力值均大于荷载效应值，斜截面抗剪抗力值大于荷载效应值，说明该桥能满足城-A级荷载标准要求。

3.6.5 下部结构极限承载能力验算

根据设计文件，6#桥台下部结构为肋板式桥台，根据JTG D62—2004，桥台盖梁可按连续梁计算。6#桥台跨高比为4.12(L/h=6.591/1.6)，按照JTG D62—2004进行承载能力验算，桥台最不利组合内力采用MIDAS/Civil计算，图9为结构离散图。验算结果见表6、表7。

图9 桥台有限元计算离散图

由表6、表7可知：右幅桥火灾后，6#桥台的正截面抗弯承载能力及斜截面抗剪承载能力值均大于荷载效应值，该桥台能满足城-A级荷载标准要求。

表6 桥台正截面抗弯承载能力极限状态验算结果

表7 桥台斜截面抗剪承载能力极限状态验算结果

4 结语

根据检测结果和计算结果，该桥火灾区域的正截面抗弯能力和斜截面抗剪承载能力虽较原设计均有所降低，但仍能满足设计规范荷载要求。考虑到主筋保护层失效，主筋易发生锈蚀，桥梁的耐久性受到较大影响，应尽快进行加固处理。

桥梁发生火灾后，按照“五步工作大纲法”检测流程进行检测评定，可大大提高检测效率和参数的准确性，为准确评定其承载能力提供可靠依据。

桥梁投资巨大，对于结构的“生死”判定应谨慎对待。结构破坏须防范，但过度维修会带来巨额经济损失，浪费大量社会资源。编制火灾后桥梁结构检测评估和承载能力评定规范，对于火灾后桥梁的科学评定和处理、快速恢复交通意义重大。