中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
火災(zāi)是當(dāng)今世界發(fā)生頻率較高且極具毀滅性的災(zāi)難，隨著交通行業(yè)的發(fā)展，由于交通事故等原因造成的橋梁火災(zāi)事故也時有發(fā)生。橋梁火災(zāi)發(fā)生后，其結(jié)構(gòu)材料由于高溫作用，力學(xué)性能會發(fā)生一定的劣化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力有所下降，給橋梁的安全運營帶來不利影響。中小跨徑混凝土橋梁在目前運營的橋梁中占有較大的比例，本文針對性地選擇預(yù)應(yīng)力混凝土空心板簡支梁作為研究對象，對其火損后的承載能力進行分析，為管養(yǎng)單位對橋梁火災(zāi)后的交通量管制提供依據(jù)，同時也作為橋梁后續(xù)加固的參考。
材料高溫后力學(xué)性能的劣化
預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的組成材料包括混凝土、普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力筋主要有鋼絞線、高強鋼絲和精軋螺紋鋼筋。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在遭受火災(zāi)后，其結(jié)構(gòu)整體性能會發(fā)生劣化，而要對火損后的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進行承載力分析，首先需研究其組成材料高溫后的性能劣化規(guī)律，此前已有學(xué)者對混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼絞線高溫后的力學(xué)性能進行了大量的試驗研究。
火災(zāi)高溫后的混凝土性能
混凝土經(jīng)歷火災(zāi)高溫后的性能劣化主要分為兩階段，一是火災(zāi)過程中，混凝土各組分在高溫下會發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，致使其力學(xué)性能不斷劣化；二是火災(zāi)后，混凝土在高溫冷卻時，反應(yīng)生成的CaO又重新吸水膨脹，造成其力學(xué)性能劣化。此外混凝土外部先于內(nèi)部冷卻，形成的反向溫度梯度同樣會造成損傷。
經(jīng)研究表明,高溫后混凝土力學(xué)性能的衰減規(guī)律主要與受火溫度、受火時間、升溫速率等有關(guān)。混凝土高溫冷卻后的強度及彈性模量隨受火溫度的增大而逐漸降低。
災(zāi)高溫后的鋼絞線性能
鋼絞線是由多根高強鋼絲絞合后再進行低溫回火處理制成的，而高強鋼絲的強度來源于高碳鋼的多次冷拔處理，高碳鋼冷拔處理的產(chǎn)物在高溫下很不穩(wěn)定易于分解，因而鋼絞線的高溫劣化程度要比普通鋼筋大得多。
采用30根1860級鋼絞線，從室溫20℃到最高溫900℃共分為10個溫度段，每個溫度段選3根鋼絞線進行1h的恒溫加熱，待空氣中自然冷卻后再進行拉伸試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線經(jīng)歷高溫作用并在空氣中自然冷卻后，其性能可發(fā)生變化，但變化程度和變化規(guī)律不盡相同。在20~400℃范圍內(nèi)，鋼絞線的極限強度隨溫度的增加而緩慢下降；400℃以后下降速度加快，700℃時達到最低點；其后鋼絞線的極限強度略有回升。
通過空心板梁火損程度
評估梁體承載余力
橋梁火災(zāi)一般分為橋面失火和橋下失火兩種情況，橋面失火預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的熱量向上發(fā)散，且熱量受到橋面系的阻隔，不易對主梁結(jié)構(gòu)造成過大損傷。而橋下失火對主梁更為不利，采用梁體底板單面加熱的方式模擬橋下失火的最不利情況。同時為使試驗真實反映梁體受火后結(jié)構(gòu)的損傷程度，準(zhǔn)確評估梁體的剩余承載力，進行了空心板梁火損的足尺試驗。
試驗設(shè)置
試驗梁共選取四片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，跨徑13m，C50混凝土，底板單排布置10根1860級φs15.2鋼絞線。截面的具體尺寸如圖1所示：
圖1 空心板梁截面尺寸（單位：cm）
試驗加熱區(qū)域為空心板梁底面跨中向兩側(cè)各2.5m的范圍，梁體簡支，如圖2所示；
圖2 試驗梁底板受火區(qū)域示意（單位：cm）
四片梁依次編號為1～4#，其中1#梁作為標(biāo)準(zhǔn)梁進行加載試驗以得出其實際承載力，2～4#梁受火時間分別為1h、1.5h和1.5h，試驗時爐內(nèi)升溫曲線為ISO834曲線。
板梁預(yù)制時在跨中截面埋置了K型鎧裝熱電偶作為溫度傳感器，五個熱電偶到底板的距離分別為2cm、4cm、6cm、8cm和10cm?？缰薪孛鏌犭娕寂c鋼絞線的相對位置示意如圖3所示。
圖3 熱電偶埋設(shè)位置示意（單位：cm）
火損試驗現(xiàn)象
三片空心板梁先后進行了火損試驗，除火損時間設(shè)置不同，其他試驗條件基本相同。試驗中三片梁體都出現(xiàn)了混凝土內(nèi)水分蒸發(fā)，梁體下?lián)系默F(xiàn)象。比較值得關(guān)注的是，三片梁體底板出現(xiàn)了不同程度的爆裂現(xiàn)象且差別較大，具體如下：
1．2#梁爆裂程度較為輕微，僅受火區(qū)梁端發(fā)生局部爆裂，爆裂深度較淺。
2．3#梁爆裂最嚴重，受火的5m范圍全部發(fā)生了爆裂，但爆裂深度分布不均勻，平均深度2~3cm，最深處超過5cm，爆裂導(dǎo)致多處箍筋裸露，但沒有發(fā)現(xiàn)鋼絞線外露。
3．4#梁爆裂較3#梁輕，火損區(qū)域內(nèi)爆裂面積約40%，集中在受火區(qū)的端部，最深處超過6cm，并有一根鋼絞線裸露，而跨中區(qū)域基本無爆裂。
溫度是火損評估的分析基礎(chǔ)
火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度與過火溫度和燃燒時間有關(guān)，換言之，火災(zāi)中溫度隨時間的發(fā)展及造成的構(gòu)件內(nèi)部溫度分布，是損傷評估的分析基礎(chǔ)，通過在梁體內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器可獲得板梁內(nèi)部的溫度場變化規(guī)律。
火災(zāi)試驗中，加熱爐預(yù)留有熱電偶測得爐溫數(shù)據(jù)，結(jié)果整理如圖4所示?？梢?，升溫階段的爐溫數(shù)據(jù)與ISO834曲線較為吻合。另外，ISO834曲線沒有模擬降溫階段，而實際熄火后爐溫會逐漸下降。
圖4 加熱爐溫度變化
為研究火災(zāi)試驗中空心梁內(nèi)部溫度場規(guī)律，利用Ansys軟件建立空心板梁熱傳導(dǎo)平面模型，以進行溫度場分析。以受火時間為1.5h的空心板梁為例，混凝土采用Plan55單元模擬，導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容c和密度ρ均采用歐洲規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)曲線。空心板梁的邊界條件考慮如下：
1．空心板梁受火面為底面，與火焰空氣的熱交換由對流換熱和熱輻射兩部分組成；
2．背火面與空氣為對流換熱。此外，底板兩側(cè)由于隔熱材料覆蓋，熱量交換很小，取絕熱邊界條件。
3．內(nèi)腔邊界條件由內(nèi)腔壁與空氣對流換熱，和內(nèi)壁面之間的輻射換熱組成，環(huán)境溫度以試驗時實測內(nèi)壁溫度為準(zhǔn)。
圖5 熄火80min時溫度分布云圖
為更清晰地看出距底板不同高度處的溫度變化規(guī)律，提取距底板高度分別為2cm、4cm、6cm、8cm和10cm這五個位置的溫度數(shù)據(jù)，并與預(yù)埋溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)進行對比，如下圖：
圖6 溫度場分析結(jié)果與實測結(jié)果對比
可見，ANSYS計算結(jié)果與溫度傳感器的數(shù)據(jù)獲取結(jié)果大致吻合?？筛鶕?jù)ANSYS分析結(jié)果，求得底板受火時間為1h、1.5h，空心板梁中間鋼絞線（不考慮混凝土爆裂）的溫度變化曲線如下：
圖7 空心板梁鋼絞線溫度變化曲線
在空心板梁底板受火時間為1h、1.5h，鋼絞線經(jīng)歷的最高溫度分別為319℃和398℃。根據(jù)式1計算得知，鋼絞線極限強度分別折減為原來的93.9%和81.4%。
火損后梁體間的承載差異
空心板梁加載試驗
為研究火損后空心板梁實際承載力的大小，在試驗室內(nèi)利用反力架分別對四片梁進行加載試驗，加載方式為兩點對稱加載，兩加載點間距3m，布置時僅使用一個千斤頂，利用分配梁將單個千斤頂?shù)膲毫种羶蓚€加載點。千斤頂與反力架之間設(shè)有壓力傳感器，從而準(zhǔn)確測得加載力的大小。加載設(shè)備布置如圖8所示：
圖8 空心板梁加載試驗示意（單位：cm）
加載的同時，對空心板梁跨中撓度也進行了實時測量。通過加載試驗，得到各片梁最大承載力及對應(yīng)的撓度大小，如表1所示。
各片梁加載過程的荷載—位移曲線如圖9，加載過程如下：
圖9 空心板梁加載試驗荷載-撓度曲線
(1) 1#梁分級加載至混凝土頂板壓碎，未有異?，F(xiàn)象。
(2) 2#梁加載至1#梁破壞荷載的97%后人為終止加載(考慮后期吊裝清運的安全)?？梢耘袛?，2#梁還有繼續(xù)加載的空間，其抗彎承載能力相比1#梁沒有大幅降低。
(3) 3#梁加載至328kN(1#梁破壞荷載的70%)時鋼絞線發(fā)生斷裂，繼續(xù)加載時隨即又發(fā)生兩次鋼絞線斷裂，千斤頂?shù)膲毫χ祻?28kN降至259kN。
(4) 4#梁加載至354kN時有一根鋼絞線斷裂，且斷裂的鋼絞線正是受火過程中外露的一根。繼續(xù)加載至1#梁破壞荷載的90%(422.7kN)時終止加載。
從圖9中可以看出，火損后空心板梁彈性階段的截面剛度有所下降，三片火損梁彈性階段的撓度斜率明顯大于對照梁。這是由于彈性階段板梁為全截面參與工作，火損中底板混凝土的剝落及爆裂直接削弱了截面。同時，混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，都會使梁體的截面剛度降低，并且火損時間越長，爆裂越嚴重，火損后梁體的截面剛度越低。
火損后承載力分析
本次試驗采用僅對梁體底板單面加熱的方式，由于混凝土良好的隔熱性能，其腹板和頂板的溫度變化幅度有限。同時，板梁受高溫影響的底板區(qū)域在加載時屬于受拉區(qū)，在分析梁體極限承載力時，通常忽略此區(qū)域混凝土的作用，故而要準(zhǔn)確評估梁體火損后的極限承載力，關(guān)鍵是對預(yù)應(yīng)力鋼絞線的強度折減進行分析。
2#梁受火時間為1h，根據(jù)火損試驗溫度場分析結(jié)果，鋼絞線經(jīng)歷的最高溫度為319℃，強度折減為原來的93.9%。因此，2#梁的試驗結(jié)果驗證了火災(zāi)中若鋼絞線溫度較低，則空心板梁在高溫冷卻后，抗彎承載能力降低幅度較小。
3#梁理論上經(jīng)歷的最高溫為398℃，但由于其底板受火過程中發(fā)生大范圍的混凝土爆裂，使鋼絞線受火溫度較高，強度折減較大。4#梁由于只有一根鋼絞線因混凝土爆裂而受火溫度較高，其他鋼絞線強度折減較小，故而在此根鋼絞線斷裂后，4#梁仍具有較大的承載力。3#梁與4#梁雖受火時間相同，但因受火過程中底板混凝土爆裂程度的差異，致使火損后兩片梁的剩余承載力大小也發(fā)生較大差異。
針對三片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁的火損試驗，進行空心板梁內(nèi)部的溫度場分析。再結(jié)合空心板梁火損后的加載試驗結(jié)果，與對照梁的加載試驗結(jié)果進行比較，對火損后空心板梁的剩余承載力進行分析。可以看出，預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁受火損后，在加載的彈性階段，其截面剛度會有所降低，并且火損時間越長，混凝土爆裂越嚴重，火損后梁體截面剛度降得越低?？招陌辶旱装迨芑饡r，若混凝土爆裂輕微，可根據(jù)溫度場分析判斷鋼絞線的最大過火溫度，從而對空心板梁的剩余承載力進行評估?？招陌辶旱装迨芑饡r，相比于受火時間，混凝土爆裂對空心板梁火損后剩余承載力大小的影響更大?；馂?zāi)中混凝土爆裂，嚴重時甚至導(dǎo)致鋼絞線外露，會使鋼絞線過火溫度較高，從而導(dǎo)致火損后板梁的承載能力明顯下降。
針對預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁底板受火過程中出現(xiàn)混凝土爆裂的現(xiàn)象，在溫度場分析時，應(yīng)計及混凝土爆裂對空心板梁內(nèi)部溫度場的影響，以準(zhǔn)確判斷鋼絞線所經(jīng)歷的最高溫度，從而對梁體的剩余承載力作出正確的評估。
本文刊載 / 《大橋養(yǎng)護與運營》雜志 2021年 第3期 總第15期
作者 / 金世安 劉其偉
作者單位 / 江蘇泰州大橋有限公司
東南大學(xué)交通學(xué)院
