史志想，趙 琳

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海市 201108）

0 引言

近年來，由于橋下空間使用安全及管理不到位，橋下火災事故造成的混凝土橋梁使用安全問題時有發(fā)生。由于橋梁結構混凝土具有遇高溫易變性的特點，一般都會發(fā)生物理性質與化學性質兩方面的變化，從而造成了橋梁結構的損傷，承載能力與穩(wěn)定性下降，對橋梁的安全運營造成重大影響。為保障橋梁結構的安全運營，本文介紹了某座混凝土橋梁火災后的檢測評估內容及評估過程，為以后類似橋梁的檢測工作和后期維修加固工作提供借鑒。

1 工程概況

某橋跨徑組合為4×20.0 m（北引橋）+76.0 m（主橋）+4×20.0 m（南引橋），主橋為下承式系桿拱，兩端引橋均為4 跨預應力混凝土簡支板梁。引橋各跨均由8 榀預應力混凝土空心板梁組成，引橋下部結構采用輕型橋臺，樁柱式橋墩每個橋墩蓋梁下方均設2 根直徑為0.8 m 的圓形立柱。

為便于說明，對橋梁的主要構件進行編號：

（1）橋梁墩臺編號：由北往南依次為0# 臺、1#墩、2#墩、3#墩、…、9#臺。

（2）橋跨編號：由北往南依次為1# 跨、2# 跨、3#跨、…、9#跨。

（3）引橋主梁編號：按跨由東往西依次編號，編號示例：0-1-2#板梁表示0#橋臺與1#橋墩之間橋跨從東到西數(shù)的第2 榀板梁。

（4）立柱按橋墩由東向西依次編號，編號示例：1-2# 立柱表示1#橋墩從東向西數(shù)的第2 根立柱。

2018 年4 月13 日下午14 時左右，北端引橋1#～3# 跨橋下堆積的大量樹枝、垃圾等易燃雜物發(fā)生燃燒，當日下午17 時許火災被撲滅?；馂陌l(fā)生后第2天，檢測人員對該橋進行了專項檢測，確定火災的影響區(qū)為北端引橋1#～3# 跨，造成該范圍主梁及橋墩不同程度受損。某橋火災現(xiàn)場見圖1，火災影響區(qū)示意見圖2。

圖1 某橋火災現(xiàn)場圖

圖2 某橋火災影響區(qū)示意圖（單位：mm）

2 火災后檢測與評估

2.1 火災影響范圍調查

根據(jù)調查得知，本次火災發(fā)生于2018 年4 月13日，火災位置位于該橋北3 跨（主要為第1～2 跨）范圍，橋底明火當天用水撲滅后，該處橋底仍堆有較多未燃盡枯樹枝等雜物（見圖1）。

該橋北3 跨（第1～第3 跨）上部結構主梁及1#、2#橋墩蓋梁、立柱表面均有一定程度的火災熏黑痕跡、混凝土剝落，其中第2 跨1#～7# 板梁全跨范圍及1#、2# 橋墩立柱受火災影響較嚴重，尤以2# 橋墩立柱所受影響最嚴重，其表面混凝土大面積剝落且多處箍筋外露（見圖3、圖4）。

圖3 2# 橋墩受火災后情況

圖4 第2 跨梁底受火災后情況

2.2 火災后橋梁結構現(xiàn)狀

（1）受火災影響嚴重的2-1#、2-2#橋墩立柱表面在可見高度范圍內混凝土成塊起殼剝落、多處箍筋外露。剝離表面疏松混凝土后，受損最薄弱截面最大剝落深度為35 mm，立柱直徑由原來的800 mm 縮頸至730 mm；受火災影響區(qū)域的混凝土呈淺黃色，錘子敲擊后聲音發(fā)悶（見圖5）。

圖5 2-1#、2-2# 立柱表面混凝土大面積起殼剝落、箍筋外露

（2）1-1#、1-2# 立柱受火災影響亦較嚴重，立柱表面混凝土多處剝落（最大剝落深度為20 mm）；受火災影響區(qū)域的混凝土呈灰白、顯淺黃色，錘子敲擊后聲音較悶。

（3）1#、2# 橋墩蓋梁相對橋墩立柱受火災影響程度較小，混凝土剝落深度相對較小（最大為10 mm），蓋梁底面局部箍筋外露，混凝土錘子敲擊后聲音較響亮，但仍有大范圍的零星剝落（見圖3）。

（4）受火災影響相對較嚴重的1-2-1#～7#板梁底面在全跨范圍內均存在不同程度的混凝土剝落（見圖4），其中1-2-3# 板梁最為嚴重，全跨范圍內均有大面積剝落，最大剝落深度為15 mm，局部箍筋外露（見圖6）。受火災影響區(qū)域的混凝土呈淺灰白，錘子敲擊后聲音較響亮。

圖6 1-2-3# 板梁受火燒影響嚴重

（5）第1 跨板梁（0-1-1#～8# 板梁）相對第2 跨板梁受損程度較輕，梁底南半跨出現(xiàn)零星剝落；第3跨板梁（2-3-1#～7# 板梁）受損程度最輕，僅梁底北部出現(xiàn)個別深度較淺的剝落。

橋梁結構混凝土大面積剝落是由于長時間在火焰和高溫熱氣的作用下，結構表面混凝土溫度急劇升高后膨脹崩落，且由于在火災發(fā)生后采用水冷卻撲火的辦法，高溫混凝土在水冷卻時更易產(chǎn)生大面積剝落。橋梁結構表面混凝土剝落后，構件承重截面將減小，且混凝土抗壓強度及鋼筋彈性模量也有一定程度的降低，對橋梁結構的承載能力及耐久性均不利。

受火災影響較嚴重的北3 跨上、下部結構混凝土剝落范圍、剝落深度和損傷程度匯總情況見表1。

表1 橋梁結構火災狀況統(tǒng)計匯總表

2.3 混凝土火燒時表面溫度判斷

根據(jù)外觀缺陷檢查結果，參照《火災后工程結構鑒定標準》（CECS 252—2019）附錄A“混凝土構件表面特征與溫度的關系”[1]，判斷火災時該橋北3 跨上、下部結構混凝土表面溫度情況，結果見表2。

表2 北3 跨橋梁結構火災時溫度情況統(tǒng)計匯總表

2.4 火災時鋼筋溫度判斷及強度降低評定

過鎮(zhèn)海等介紹了火災時鋼筋混凝土板截面溫度場分布曲線、柱截面溫度場分布曲線[2]。

依據(jù)上述文獻中的溫度場分布曲線和《火災后工程結構鑒定標準》（CECS 252—2019）附錄G，可得到受火災影響較嚴重的構件在火災時的鋼筋溫度和火災后的鋼筋強度折減系數(shù)，見表3。

表3 火災時鋼筋溫度推斷及火災后剩余性能

2.5 火災影響主梁梁底預拱度線形檢測

該橋北3 跨上部結構均為標準跨徑20 m 的預應力混凝土空心板梁。通過測量受火災影響較嚴重的主梁梁底預拱度線形，并對比未受火災影響或影響較小的主梁梁底預拱度線形檢測結果，可以了解火災對主梁預應力損失的影響程度。

板梁梁底預拱度線形測量使用徠卡TS-60 全站儀，采用無棱鏡測量模式，隨機抽取1#～3# 跨共10榀板梁進行梁底線形測量。以各跨北端為坐標原點建立二維坐標系，橋長方向為橫坐標，梁底高程為縱坐標。實測板梁梁底預拱度線形圖見圖7。

圖7 實測板梁梁底預拱度線形圖

本次抽檢的受火災影響較嚴重的7 榀板梁和受火災影響較小的3 榀板梁梁底預拱度線形無明顯下?lián)?，跨中處預拱度實測值為18.661 1～36.958 3 m，即火災對上部結構主梁未產(chǎn)生明顯的下?lián)匣蛏瞎?，說明火災對上部結構主梁預應力損失影響較小。這與在梁底及橋面跨中范圍未發(fā)現(xiàn)橫向結構性裂縫的現(xiàn)場檢查結果相一致。

2.6 鋼筋保護層厚度檢測

該橋北3 跨上下部結構多個構件因火災作用影響，構件表面混凝土大面積剝落，鋼筋保護層厚度減小，隨著時間的推移，保護層的碳化深度逐漸增大，對結構鋼筋耐久性及承載能力不利。

檢測選取受火災影響較嚴重的10 個構件（共200 個測點），測量構件混凝土剝落后的鋼筋保護層厚度，并選取受火災影響較小或未受火災影響的3個構件（共60 個測點）測量其鋼筋保護層厚度，通過對比來判斷火災后保護層厚度對鋼筋的影響程度。

檢測結果表明：抽檢的受火災影響較為嚴重的上部結構1#、2# 跨板梁縱向構造鋼筋保護層厚度平均值為26.6～28.2 mm；抽檢的受火災影響較小的3# 跨板梁縱向構造鋼筋保護層厚度平均值分別為34.7 mm、33.5 mm。受火災影響較為嚴重的板梁在混凝土剝落后，其縱向構造鋼筋的保護層厚度已不滿足規(guī)范規(guī)定的保護層厚度為30 mm 的要求，表明火災作用對板梁縱向構造鋼筋的保護層厚度有一定程度的影響，這與板梁表層混凝土剝落情況的現(xiàn)場檢查結果相一致。

抽檢的受火災影響最為嚴重的2-1#、2-2# 橋墩立柱箍筋保護層厚度平均值分別為21.3 mm、19.3 mm，較為嚴重的1-1#、2-1# 橋墩立柱及1#、2#橋墩蓋梁箍筋保護層厚度平均值為29.7～39.1 mm；抽檢的未受火災影響的3-1# 橋墩立柱箍筋保護層厚度平均值為49.7 mm。受火災影響較嚴重的蓋梁及立柱箍筋保護層平均值雖滿足或略小于規(guī)范規(guī)定的箍筋最小保護層厚度20 mm 的要求，但其最小值19.3 mm 已遠小于未受火災影響的橋墩立柱箍筋保護層厚度49.7 mm 的實測值，且現(xiàn)場檢查時已發(fā)現(xiàn)橋墩立柱多處因火災作用而使箍筋外露，表明火災作用對橋墩立柱及蓋梁箍筋的保護層影響較大，應及時予以處理。

2.7 混凝土碳化深度檢測

北3 跨上下部結構多個構件因火災作用影響，構件表面混凝土大面積剝落，鋼筋保護層厚度減小，且隨著時間的推移，剝落處混凝土的碳化深度逐漸增大，對結構鋼筋耐久性不利。

碳化深度檢測亦選取受火災影響較嚴重的10個構件（共30 個測區(qū)），測量混凝土剝落后構件表面混凝土保護層的碳化深度值，與構件混凝土剝落處的鋼筋保護層厚度平均值作比較，以判斷混凝土剝落后的保護層碳化情況對結構耐久性的影響程度，并選取受火災影響較小或未受火災影響的3 個構件（共9 個測區(qū)）測量其混凝土保護層碳化深度值。

檢測結果表明：抽檢的受火災影響較嚴重的10個構件，其混凝土剝落后的保護層碳化深度平均值為0.5～1.0 mm，抽檢的受火災影響較小或未受火災影響的3 個構件，混凝土保護層的碳化深度平均值為2.0～5.5 mm。

由于受火災影響較嚴重的各構件碳化深度測量均位于混凝土剝落區(qū)（鑿除疏松混凝土后并打磨），故得到的碳化深度較小。但混凝土剝落后鋼筋的保護層厚度相對減小，隨著時間的推移及保護層碳化深度的逐漸增大，構件主筋的銹蝕可能性增大，對橋梁結構的承載能力和耐久性均不利，應及時予以處理。

2.8 混凝土強度檢測

選取受火災影響較嚴重的10 個構件，鑿除構件剝落處疏松的混凝土后露出新鮮的混凝土并打磨清理干凈，然后進行回彈檢測；同時選取受火災影響較小或未受火災影響的3 個構件進行回彈檢測。2 種回彈檢測結果匯總表見表4。

表4 回彈檢測結果匯總表 單位：MP a

由表4 可知，在板梁底面及橋墩表面受火災影響區(qū)域，經(jīng)打磨出新鮮混凝土后，其強度并未明顯降低。

2.9 承載能力評估

火災后橋梁上部結構主梁及下部結構橋墩立柱承載能力計算方法與原設計計算方法相同，但原材料參數(shù)發(fā)生了變化，混凝土及鋼筋強度有所降低，導致主梁及立柱的承載能力降低，同時高溫會使結構混凝土剝落，從而造成主梁、立柱截面面積減小，截面慣性矩、剛度發(fā)生變化[3]。

計算荷載包括恒載和活載，恒載包括主梁、橋面鋪裝、欄桿等附屬設施的自重。采用汽車-20 級作為計算活載、掛車-100 作為驗算荷載。本次計算僅針對北3 跨引橋上部主體結構及引橋橋墩立柱進行，檢算中結構材料強度與外觀尺寸以現(xiàn)場實測為準，無法檢測的內容參考同時期同類型橋梁圖紙。

上部結構主梁計算參數(shù)：

（1）根據(jù)現(xiàn)場檢查結果，北3 跨引橋上部結構主梁間橫向聯(lián)系均按完好狀態(tài)考慮。

（2）北3 跨引橋上部結構板梁跨徑、尺寸相同，且邊梁與中梁配筋情況一致，故本次檢算時“完好狀態(tài)”選取其中1 跨橫向分布系數(shù)最大的板梁。

（3）根據(jù)現(xiàn)場檢查結果，受火災影響較為嚴重的板梁梁底混凝土最大剝落深度為15 mm；目前狀態(tài)檢算時，選取橫向分布系數(shù)最大的1 榀板梁并考慮梁高折減15 mm計算。主筋抗拉強度折減2%，按原設計0.98 倍取用。

（4）根據(jù)無損檢測結果，上部結構板梁混凝土實測強度推定值均不小于40.6 MPa；本次檢算時板梁混凝土各項材料指標按40 號（C38）混凝土取值。

下部結構主梁計算參數(shù)：

（1）下部結構針對受火災影響嚴重的橋墩立柱抗壓強度進行檢算，以判斷橋墩立柱在目前狀態(tài)下是否滿足計算荷載的安全承載要求。

（2）根據(jù)無損檢測結果，橋墩立柱實測混凝土強度推定值均不小于32.6 MPa；本次檢算時偏安全考慮，橋墩立柱混凝土各項材料指標按30 號（C28）混凝土取值。

（3）2-1# 橋墩立柱因火燒作用影響導致立柱直徑由原來的80 cm 縮頸至73 cm，故目前狀態(tài)下橋墩立柱的檢算截面按直徑73 cm 取值，主筋抗拉強度降低10%，按設計0.9 倍取用。

計算結論：目前北3 跨上部結構板梁、下部結構橋墩立柱承載能力均能夠滿足計算荷載汽車-20級、掛車-100 的安全承載要求。

3 火災后檢測評估結果綜述

（1）該橋北3 跨上下部結構受火災影響，1#、2#橋墩蓋梁、立柱及第1、第2 跨上部結構多榀板梁底面混凝土大面積剝落，部分位置箍筋外露。其中2# 橋墩立柱在可見高度范圍內混凝土成塊起殼、剝落，立柱直徑由原來的80 cm 縮頸至73 cm，導致橋墩立柱內部鋼筋受力性能下降，板梁及橋墩立柱、蓋梁混凝土強度退化和受力面積縮減，在一定程度上降低了上、下部結構的承載能力。

（2）結構檢算結果表明，火災后該橋北3 跨上部結構板梁、下部結構橋墩立柱承載能力均能夠滿足計算荷載汽車-20 級、掛車-100 的安全承載要求。

（3）受火災作用影響，下部結構橋墩立柱及上部結構板梁表面混凝土大面積剝落，局部露筋，且2#橋墩立柱全截面縮頸達17%，橋梁上下部結構主要部件材料有嚴重缺損，出現(xiàn)中等功能性病害，影響橋梁安全。依據(jù)《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）第4.1.8 條“全橋總體技術狀況等級評定時，當主要部件評分達到4 類或5 類且影響橋梁安全，可按照橋梁主要部件最差的缺損狀況評定”[4]，由于目前該橋橋墩的缺損狀況影響橋梁安全，彩虹路河祝橋（北3 跨）總體技術狀況評定按照橋墩的缺損狀況進行評定，即該橋總體技術狀況等級為4 類（主要構件有較大缺損，嚴重影響橋梁使用功能）。

4 維修加固及管養(yǎng)建議

結合本橋北3 跨存在的病害及其形成原因，并參考同類型橋梁處理措施[5-6]，對該橋提出維修加固思路如下：

（1）先鑿除被火灼傷的橋墩蓋梁及立柱起殼疏松的混凝土，對受火災影響嚴重的1-1#、1-2#、2-1#及2-2# 共4 個橋墩立柱采用鋼筋混凝土圍套的方法予以維修，對橋墩蓋梁用聚合物修補砂漿補平。

（2）建議鑿除被火灼傷的板梁起殼疏松混凝土，用聚合物修補砂漿補平后，再用賽柏斯涂刷2 遍，以確保結構的耐久性。若條件允許，建議對第1、第2 跨上部結構板梁底面粘貼碳纖維布予以加固。

（3）橋梁維修完成后方可通行。

（4）橋下空間使用應滿足橋梁安全需求，橋下空間使用單位應建立健全消防安全管理制度、環(huán)境衛(wèi)生管理制度，且橋下空間使用不得影響橋梁日常養(yǎng)護、維修、檢測作業(yè)。

5 結語

（1）火災后鋼筋混凝土橋梁的混凝土和鋼筋的力學性能都發(fā)生了一定程度的變化，此時的橋梁檢測評估工作與一般情況下在役橋梁相比有較大不同。為確保橋梁結構的安全運營，采取適合方法對受火災影響的橋梁實際狀況進行科學合理的檢測評估是非常必要的。

（2）本文結合某橋梁火災后專項檢測的項目、方法、結果、評估及相應的維修處理建議，為火災后橋梁結構的處理決策提供技術依據(jù)。