随着社会经济的发展和国家基础设施建设的逐步完善, 我国桥梁发展已经从新建桥梁建设的高峰期逐步发展到管养高峰期。桥梁通车后, 随着运输量持续增长和桥梁的逐渐老化, 桥梁抵御各种灾害风险的能力逐渐减弱。由于桥梁车辆自燃、交通事故和意外爆炸引发的桥梁火灾事故也逐年增多, 引起相关部门和行业相关研究人员的重视与研究。如何在桥梁结构遭受火灾后准确评估桥梁受损情况, 确定桥梁损伤程度并根据温度场分析灾后结构状况, 并确定适当的修复加固方案值得重视。

目前, 我国对于桥梁火灾风险的评估方面研究较少。CECS252∶2009《火灾后建筑结构鉴定标准》规定, 火灾后混凝土构件按照受损程度分为四级, 四级建议拆除, 一级仅修复外表面即可使用^[1]。针对桥梁领域, 正在修编的JTG H11—2004《公路桥涵养护规范》增加了桥梁火灾防治的相关内容, DB21/T2397—2005《公路桥梁加固工程质量检验评定标准》增加了桥梁火灾防治加固质量检测评定等^[2], 但还没有形成系统性的火灾后判断、分析和加固处理方法。火灾后桥梁结构呈现其特殊性, 加固应遵循3大原则:加固以不增加结构自重为前提, 彻底凿除受损混凝土, 考虑结构耐久性。

俞博^[3]对火灾后混凝土桥梁结构的工程对策进行研究, 指出火灾后桥梁结构损伤评估的步骤、空心板构件温度检测及计算、结构损伤评定及修复加固技术;刘华等^[4]对某5×35m连续梁桥火灾受损程度进行评估并进行底板纵向张拉碳纤维板加固处理, 取得满意效果。

本文结合京港澳高速公路刘江黄河特大桥北引桥桥面火灾事故, 针对火灾后桥梁检测、鉴定及加固施工技术进行系统研究。

京港澳高速公路刘江黄河特大桥位于郑州市与新乡市交界处, 是京港澳高速公路跨越黄河的咽喉工程 (见图1) 。按照双向8车道高速公路设计, 桥梁从北到南为1联 (5×35m预应力混凝土T梁) +16联 (7×35m预应力混凝土T梁) +13联 (5×50m预应力混凝土T梁) +4联 (4×50m预应力混凝土T梁) +4联 (2×100m下承式钢管混凝土系杆拱) +3联 (9×20m预应力混凝土空心板) , 桥梁全长9 848m。引桥下部结构0号桥台为双肋板式桥台, 直径2m、长65m的钻孔灌注桩基础;桥墩为单排双柱式墩身, 高5~8.5m, 墩身直径1.8m, 墩柱长7m以上时墩顶设系梁, 采用直径2m、长60m钻孔灌注桩基础;桥梁采用板式橡胶支座 (型号为250mm×500mm×47/57/64mm 3种) , 桥台及连接墩设XFII-80C型伸缩装置。T梁顶桥面铺装等厚, 桥面横坡由桩柱高度结合T梁翼缘调整。铺装采用6cm厚防水混凝土+5cm厚中粒沥青混凝土+4cm厚中粒沥青混凝土面层。

2016年2月28日, 在大桥西半幅第11跨处 (桩号K642+150) , 由于两货车追尾引发车载易燃物着火, 加之春运期间严重拥堵, 导致灭火难度大。现场紧急采用砂土覆盖, 最终采取挖掘机抛撒等灭火, 期间火源在桥面燃烧达27h, 对桥面结构和桥体产生严重损伤。

在制订针对性桥梁加固方案前, 需要对桥梁火灾后损伤程度进行鉴定。采用外观检查配合回弹、取芯等方法对混凝土强度、钢筋强度和混凝土梁体其他病害进行检测。

第11跨 (面积约232m²) 和第10跨 (面积约30m²) 为过火区域, 经检验钻芯强度最小值为18.16MPa, 核心区颜色呈浅黄色, 推断核心区温度约1 000℃;混凝土次核心区呈浅白与灰白色, 推断温度达500~800℃。由于灭火过程后期采用冷水对着火车辆进行降温, 导致过火核心区钢筋出现非自然状态降温, 屈服强度与未过火区域对比从290MPa降至177MPa, 极限抗拉强度从410MPa降至330MPa。T梁腹板局部出现损伤。支座、伸缩缝等附属构件未受到明显损伤, 主体结构跨中区域顶部混凝土损伤严重, 预应力钢绞线未受影响, 属于桥面火灾的典型病害特征。

采用有限元分析软件ANSYS对混凝土梁火灾后温度场进行数值模拟, 主要分析对象为35m跨预应力混凝土简支T梁, 其跨中截面尺寸如图2所示。

梁体采用solid65单元, 最大控制尺寸取10cm, 整个梁体分为77 440个单元, 99 546个节点, 混凝土导热系数按文献[5]建议公式:

式中:λ_c为混凝土的导热系数;T为混凝土温度。

实际火灾中, T形梁顶板顶面距梁端7.5~21.5m范围受火, 直接对此区域节点施加1 000℃温度荷载, T梁其他非迎火外表面直接暴露并产生热对流。根据现场实际空气情况, 温度取10℃, 风速取0.6m/s, 空气热对流系数按张建荣等^[6]的研究结果计算为5.95W/ (m²·K) , 经计算得出T梁迎火温度梯度与日照温度梯度对比如图3所示。

由图3可以看出, 混凝土T梁受火后截面温度梯度与日照温度梯度趋势吻合, T梁受火时, 距梁顶约30cm处的温度约300℃, 根据CECS252∶2009《火灾后建筑结构鉴定标准》, 混凝土强度折减系数取0.8, 为简化计算, 认为此T梁受火后距梁顶30cm范围的混凝土不再承载, 30~40cm范围按线性梯度有限承载, 40cm以上深度不受影响。由于灭火过程采用冷水降温对火灾表层混凝土影响较大, 在效应分析时只考虑升温过程。

本次加固设计标准为不改变原桥的设计标准, 仍按照设计荷载汽车-超20级, 挂车-120级;地震基本烈度为7度, 采用8度设防;设计洪水流量Q_1/300=18 700m³/s。桥梁加固首先进行结构性病害处理, 需要恢复原桥的基本受力状态, 使受损桥梁具备基本通行条件, 实现快速修复;然后再进行一般性病害处置, 恢复原桥耐久性和结构设计使用年限, 达到二类以上标准。加固方案整体布置如图4所示。

为保证本次抢修工程快速顺利完成, 该项目除采用混凝土水力破除外, 其余尽可能采用有效的常规施工技术, 避免出现新技术的磨合期, 提高抢修速度。整体抢修施工流程如图5所示。

火灾区域沥青、混凝土铺装层清除施工与火灾后桥梁沥青铺装、混凝土铺装、铺装层内钢筋和梁板混凝土损伤状况的检测同步进行。根据检测情况确定清除的范围和深度, 采用道路切割机、空压机、风镐等机具配合进行破除, 部分破损严重的混凝土铺装层采用空压机+风镐破除。

桥梁应力保障工作由布置在梁底的2套PLC同步顶升系统承担, 每套配10台100t千斤顶, 其中1台备用。PLC同步顶升系统施加反顶时的工作平台, 主要由条形基础、钢管立柱、纵横向连接系统、分配梁等组成。

条形基础采用C30钢筋混凝土, 为满足快速施工要求, 在基坑底压实后满铺10mm厚钢板代替砂浆垫层, 避免混凝土凝固期占用主工期线路。立柱采用630×12钢管柱, 通过条形基础顶面布置的钢板预埋件与条形基础保持有效连接, 钢管柱顶设置钢板盖板, 盖板上布置顺桥向分配梁。钢管柱之间通过2[20b作为纵横向连接系统, 通过与连接钢板和钢管柱满焊形成有效连接。分配梁布置在钢管柱顶盖板上, 分配梁与盖板之间的空隙用薄钢板和圆盘钢筋塞垫并焊接, 如图6所示。

由于本项目的特殊性, 所有钢结构安装均在桥下有限净空内进行。由于分配梁和T梁底部间的净空仅0.6m, 采用桥上布置起重机, 梁体翼板清除后留下的空间由下向上将分配梁吊至柱顶高度完成竖向初就位, 然后由钢管柱正上方T梁布置的倒链吊拉分配梁并逐步承担分配梁自重完成受力转换, 最后由人工调整倒链将分配梁安全落至钢管柱顶, 完成就位。

本次桥体受损区混凝土清除以高压水破除为主、人工破除为辅。水力破除原理是在多微孔隙的混凝土内部生成高于混凝土抗拉强度的拉力, 使混凝土破碎并将其从钢筋上剥离。其特点主要表现在如下几个方面。

1) 效率高C50混凝土采用水力破除作业时, 工作效率约1m³/h, 是传统人工破除效率的15倍以上。

2) 破除精度高采用水力破除混凝土的精度可达mm级, 远高于切割机、风镐等机具。

3) 不会造成二次损伤水力破除混凝土全程几乎无振动, 不会对破除区域结构造成裂纹等二次损伤。

4) 效果好破除完成后形成干净、粗糙的界面, 无须再次凿毛, 有利于新浇筑混凝土与结合面原混凝土有效黏结。

5) 环保水力破除的主要机具为供水车、水力破除机器人和超高压泵车, 由于水压可控制, 不仅保证混凝土与钢筋有效剥离, 且不损坏需保留的混凝土和钢筋。整个施工过程几乎无粉尘, 有利于环境保护。

按照检测结果, 受损混凝土清除区域为18.14m×11.03m, 清除深度为自混凝土铺装层顶向下46cm (含混凝土铺装层) , 该清除深度范围包括混凝土铺装层、T梁翼板和T梁腹板的一部分 (见图7) 。

采用格构式拆板吊卸法进行受损区混凝土切割, 可实现多个作业面同时施工, 最大化提高混凝土破除效率。即对置换范围内的混凝土分区域处置, 通过水力破除的方式破除受损混凝土与梁体腹板和横隔板的连接, 通过该过程将待清除的大面积、大质量、整片混凝土分隔为数个相对独立的类板形结构单元, 这些类板形单元与原桥梁构件间通过水力破除后的钢筋进行连接。然后, 逐一破除每个单元与周围结构的钢筋连接, 并利用大吨位起重机逐块吊至桥下。

格构式拆板吊卸法施工的目标在于“拆”, 其关键和重点在“吊”。在水力破除完成板单元分割后, 剩余混凝土形成15块桥面板 (见图8) , 与原有腹板、横隔板无混凝土连接, 其自重全部由水力破除后剩余的与周围桥梁结构相连的钢筋网连接, 即15块桥面板全部挂在钢筋网上, 在桥面板逐块吊运过程中, 逐渐破除承受桥面板自重的钢筋, 当第1排1~5号板吊卸完毕时, 6~15号板顺桥向承重钢筋连接仅剩一端约束, 6号板吊走后, 7号板将再损失一端约束, 若顺桥向和横桥向均失去一端约束, 易出现剩余钢筋无法承担桥面板自重而跌落事故, 因此逐块吊卸板过程中如何保证有效的剩余承载力成为混凝土板拆除过程中的关键点。

针对此情况, 多次与设计单位、咨询单位沟通并经过专家论证, 确定了切割横向、保留纵向的原则, 即确保每块板吊卸前纵桥向钢筋都处于有效状态。具体做法:在水力破除横隔板混凝土时, 翼板与横隔板间连接部位的混凝土在深度方向仅进行部分破除, 存留部分混凝土握裹足够数量的顺桥向承重钢筋, 待桥面板全部吊卸完毕再人工凿除此部分少量混凝土。

混凝土清除后, 被置换梁体的截面特性发生较大变化, 梁内应力分布状态与破除混凝土前及其他未受损梁体均不一致, 为保证加固完成后各梁均处于理想受力状态, 按照设计要求, 需要在施工过程中按照不同状态设置梁体顶升力, 且顶升力可实时调整, 保证顶升过程中梁体内力可控。

在被置换梁体下方钢管柱平台上布置1套PLC同步顶升系统并配备10台100t千斤顶, 每片梁体下方在梁体与横隔板连接处布置2台千斤顶。梁体应力、位移状态通过PLC系统参数进行调节, 梁体应力或位移超过限值时自动补顶或发出警报, 参数设置由数值分析数据获得, 并通过梁体实时监控数据结果进行对比验证。

梁体顶升力保障系统工作自拆除混凝土顶板开始, 在模板搭设、钢筋绑扎、混凝土浇筑完成、恢复梁体横向联系、沥青铺装完成后结束, 对顶升力控制和梁体各阶段受力均有影响, 必须保证各梁体应力和位移变化处于可控范围, 为防止施工过程发生意外, 在顶升力保障平台上备用1台PLC及千斤顶系统, 并配备独立电力供应系统。

1) 梁体间横向联系分离及恢复待置换梁体与未置换梁体间横隔板连接采用绳锯切割。混凝土置换完成后, 横隔板粘贴钢板施工开始前, 先焊接已分离的横隔板间连接钢板, 然后用绳锯切割内空间、连接钢板内外层混凝土碎落后形成的空腔或缺损均利用简易小模板、灌注灌浆料的形式恢复。

2) 模板支架搭设由于无法采用传统满堂脚手架或钢管支架, 现场采取马蹄上搭设支撑及操作平台的方案, 即在T梁马蹄处由下至上依次布置横向槽钢、竹胶板、纵向槽钢、钢管支架作为模板支架, 梁体施工期间的新增荷载及施工临时荷载传递路线为:模板→方木→钢管支架→纵向槽钢→竹胶板→横向槽钢→T梁马蹄→千斤顶→应力实时保障系统。现场施工布置如图9所示。

模板支架搭设完成后, 按照正常工序完成方木和竹胶板安装, 浇筑混凝土厚度较小时加密钢管支架间距至60cm×90cm, 同时横向、纵向槽钢相应调整, 保证每根钢管底托坐落在纵横向槽钢交叉点。

模板工程完成后, 原T梁翼板钢筋和混凝土铺装层钢筋同时安装并浇筑混凝土, 置换区域新增钢筋与周围结构钢筋焊接。制备少量非标准尺寸钢筋以避免水力破除腹板混凝土时局部出现破除深度不一情况, 影响腹板与翼板倒角内钢筋安装。

置换混凝土采用较原C50混凝土高1个强度等级的C55微膨胀早强混凝土, 梁体部分混凝土和铺装层混凝土在低温时段一次性浇筑完成。在所有新旧混凝土结合面喷涂AY/HY133LP型界面胶保证混凝土的良好结合。由于混凝土整体浇筑量较小, 采用料斗配合起重机布料、人工振捣方式施工。为保证混凝土及早达到强度, 综合采用多种养护方式, 如表面覆盖土工布、彩条布并洒水养护, 混凝土下模板支架中布置煤炉补温并蒸汽养护, 此条件下混凝土相同养护试块5d抗压强度即达到50MPa以上。

采用T梁预顶方式可消除大部分不利影响, 为进一步恢复受损梁体预应力状态, 在受损梁体底板位置施加预应力荷载, 即采用在梁底张拉预应力碳纤维板的方式进行预应力补充。

本次桥梁加固共2处涉及粘贴钢板加固。为避免重车为置换后的混凝土翼板下旧混凝土结构损伤, 在新旧梁体翼缘每隔30cm粘贴1道钢板;桥梁加固完毕通过荷载试验开放交通后, 在限载或夜间车辆较少时在梁体腹板上粘贴钢板以避免后期腹板开裂。

现场采用热喷SBS改性沥青同步碎石防水黏结层。桥面防水黏结层改性沥青用量1.8~2.2kg/m²。铺设防水黏结层前, 按照0.8~1.0kg/m²喷洒50%沥青含量的透层油。为增强与碎石的黏结力, 提高对温度等环境影响的抵抗作用, 同步碎石封层黏结料采用SCS1-D型改性沥青, 用量为1.8~2.2kg/m²。

本项目施工监测原则为先按桥梁加固施工步骤建立数值模型, 然后现场根据实际施工过程的特征进行修正, 通过监测数据与计算数据对比, 控制抢修过程的安全性, 并通过后期的持续监测和荷载试验确定后期加固效果。监测内容主要为:主梁挠度、应力和裂缝发展情况, 临时墩扩大基础沉降量、沉降速率、顶升期间的基础沉降及安全监测, 桥梁顶升力、顶升同步性和梁体顶升位移监测 (见图10) 。本文仅给出主梁挠度、主梁应变和桥面板施工阶段主梁位移变化监测结果, 如图11所示。

由图11可知, 整个施工期间, 主梁跨中最大挠度均小于预警值9.22mm;主梁跨中最大拉应变均小于预警值95.4με, 最大压应变均小于预警值143με;主梁跨中位移均小于顶升预警值2mm, 所有监测结果均在预警值范围内, 且施工期间桥梁无异常声响, 主梁未发现新增裂缝。

加固施工完成后, 受火灾影响的11跨和未受火灾影响的12跨对比加载的荷载试验证明, 11跨桥梁实测挠度均小于理论挠度, 挠度校验系数0.47~0.78, 实测应变均未超出理论应变, 应变校验系数0.2~0.86, 对应的12跨挠度和应变校验系数分别为0.46~0.71, 0.39~0.85, 且两跨桥梁结构抗裂性能良好。11跨桥梁结构紧急修复加固达到了梁体承载力恢复的目的。

火灾是工程结构中最严重的灾害之一, 由于车载易燃物引发的火灾或爆炸对桥梁结构带来严重威胁, 而且与地震和洪水灾害不同, 桥梁火灾具有不可预测的典型特点, 因此, 对桥梁火灾后紧急修复就显得尤为重要。本文结合京港澳高速公路刘江黄河特大桥火灾事故, 介绍了其灾后紧急修复关键技术, 采用该系列修复技术达到了高速公路特大桥火灾后快速修复通车的目的, 效果良好。