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某橋梁火災后的修復與加固
發布時間:2012-5-18 閱讀:3984次  

摘要: 某高速立交橋橋下半夜突發大火,造成板梁、蓋梁、墩柱等鋼筋混凝土結構大面積不同程度被燒傷,局部損傷十分嚴重。為了盡快搶修、確保安全同時節省資金,我們采取了用高強快凝聚合物修補砂漿修復崩裂脫落的混凝土恢復剛度、用芳玻韌布復合纖維材料加固強度的解決方案。通過加固前后對橋梁進行的檢測對比,證實了加固修復工作的可靠性,達到了預期目的。

關鍵詞: 鋼筋混凝土立交橋;火災;修復;加固;聚合物砂漿;芳玻韌布復合纖維;

1. 前言

某高速立交橋全長 138.9m ,分上行和下行,兩分離式橋面各寬 13.5m ,橋跨上部結構采用跨度為 16m 的預應力混凝土簡支空心板梁,橋墩均為鋼筋混凝土圓柱。火災是由于橋下堆積的紙板起火燃燒,造成該橋下行第三跨的 11 片板梁及 4 個墩柱大面積嚴重燒傷,混凝土爆裂、脫落深度達 60mm ;相鄰的第二跨、第四跨鋼筋混凝土結構也受到了不同程度地損傷。因此造成結構的強度降低,構件的剛度減少,預應力的鋼絞線強度也有所損失,嚴重地影響了橋梁的安全使用。經對比,如果更換 11 片嚴重燒傷的板梁及其它部位必要的修復,造價至少需要 120 萬,而且需要采用半幅封閉交通、半幅施工的方法;如果采用科學的加固修復方案,不僅節省費用三分之二,且能節省一半的工期。本文就**終的加固修復方案及實施過程介紹如下。

2. 火災后橋梁破壞情況

火災后,業主委托檢測單位對該橋的火災受損情況進行全面檢查,并對下行第三跨(火災重創跨)與****跨(火災未傷跨)的跨中撓度進行對比性加載測試,提供的檢測報告主要內容如下:

2.1 板梁:

下行第三跨的 11 根板梁燒傷嚴重,混凝土顏色灰白或顯淺黃,錘擊聲音發悶、混凝土粉碎和塌落。可以判斷板梁表面在火災時溫度約達 800 度。其燒傷****深度依次為: 66 、 64 、 60 、 72 、 54 、 36 、 34 、 52 、 56 、 54 、 32mm ,其中 4 號板梁**為嚴重,從北端 L/4 到南端 3L/4 段,混凝土被燒酥,爆裂剝落,鋼筋外露(如圖 1 ),其余大部分面積混凝土碳化失去強度,板梁截面面積減小。

第二跨、第四跨的板梁被煙熏黑,錘擊聲音響亮、混凝土表面不留下痕跡,初步判斷火災期間板梁表面溫度約 200 度。

根據“ 火災后建筑結構鑒定標準( 2005 年 8 月送審初稿)”中火災后結構構件鑒定評級標準,第三跨板梁評定為Ⅲ級,即 已產生嚴重影響構件承載能力和耐久性的缺陷和損傷 ;第二跨、第四跨評定為Ⅰ級,局部 Ⅱ 級 。

圖 1 板梁受損情形 圖 2 立柱受損情形

對****跨、第三跨板梁的跨中撓度進行對比性測試,測試分對稱加載和偏心加載,結果顯示,第三跨板梁撓度全部大于****跨板梁撓度,第三跨(火災重創跨)與****跨(火災未傷跨)撓度比較,在對稱荷載作用下,其跨中撓度增量在 20.4 %~ 32.7 %之間,其平均值為 25.9 %;在偏心荷載作用下,其跨中撓度增量(去掉**小的 0.6 %,****的 43.4 %)在 21.3 %~ 35.6 %之間,其平均值為 26.9 %。

2.2 蓋梁

下行 3 #蓋梁左端頭底部部分混凝土剝落,有鋼筋外露現象,右端頭有少量混凝土脫落。

2.3 立柱

立柱表層混凝土脫落,受損深度在 40mm -60mm 不等。

2.5 檢測結果初步結論:

1 )下行第三跨各梁受到大火影響,有撓度變化分析知,承載能力有不同程度的下降,范圍在 20 %~ 30 %;

2 ) 2 #墩、 3 #墩立柱及蓋梁有不同程度的損壞;

3 )支座受到大火的影響,表面碳化,碳化深度 1 ~ 3mm ,其功能沒有喪失;

4 )由于大火對橋梁的影響是有一個長期的效應的,應此必須對該橋及時采取加固措施。

3. 加固修復原則及計算分析

3.1 加固修復原則

用高強快凝聚合物修補砂漿修復崩裂脫落的混凝土恢復剛度 , 在計算分析的基礎上設計用 芳玻韌布復合纖維材料恢復強度 ;精心施工,使該橋經過加固后的承載能力不低于相鄰跨板梁。

3.2 計算分析簡述

首先通過等代截面換算,計算得梁板燒傷前截面慣性矩 I 前 =3528861.159cm 4 ;燒傷后梁板截面按照高度平均損失 4cm 計算,得 I 現 =2899881.826 cm 4 。

本工程擬采用在板底粘貼美國 TYFO ? 芳玻韌布復合纖維來補充板梁鋼絞線損失的拉力△ F ,美國進口的 TYFO ? 芳玻韌布復合材料的強度設計值 220Mpa ,厚度為 1.3mm ,一塊空心板寬度為 1170mm 。若在板底粘貼一層芳玻韌布,可以提高預應力板梁的抗拉力為△ F :

△ F =1.3 × 220 × 1170/10 3 = 334.6KN

加固后新增加的抗彎彎矩簡化計算如下:

M =1.3 × 220 × 1170 × [750-110+(110+80)/2]/10 6 = 24.59T · m

參照原設計圖,一塊典型中板在未燒傷前設計抵抗彎矩為 M 原 =120T · m 。根據梁撓度變化求得鋼絞線伸長 6.8 %,則預應力值增加:

F=4687.2 × 6.8%=318.72 KN

即設計抵抗彎矩儲備量損失 M 失

M 失 = △ F × Z=31.87 × 0.6=19.12 T · m

由計算知: M =24.59T · m > M 失 = 19.12 T · m ,加固后板梁強度滿足要求。

3.3 加固設計方案

經計算分析,具體設計方案如圖 3 、圖 4 所示。其中,圖 3 為板梁加固圖,即對受火災損傷較嚴重的區域,在板底滿貼芳玻韌布復合材料;圖 4 為柱墩加固圖,對受損傷較淺的部位,用混凝土補平,對受損傷較深的部位,需先植筋,再用混凝土補平,然后環向滿貼芳玻韌布復合材料。

圖 3 板梁加固圖

圖 4 柱墩加固圖

4. 主要修補與加固材料

4.1 修補材料

為恢復原結構混凝土設計尺寸,采用的聚合物高強專用修補砂漿經過高分子改性,對混凝土構件的結合力極強,鏝抹時不垂落,硬化后不收縮、不開裂、強度高,能恢復結構強度,防止外界因素對鋼筋的侵蝕。其 3 天的抗壓強度 ≥ 30Mpa , 28 天 ≥ 45Mpa ,膨脹率為 0.1% 左右,與圓鋼筋的粘結力為 6 Mpa 。

4.2 加固材料

主要加固材料為美國進口的芳玻韌布( TYFO? Fibrwrap )復合加固材料,它是由芳綸凱拉芙( Kevlar )(防彈衣材料),特種玻纖( E-glass )與 TYFO 專用樹脂現場粘合而成的強韌復合編織布材料,粘貼在混凝土結構的外表面,并形成新的復合結構,以達到提高原結構承載力的作用;該復合纖維片材單層質量為 920g / ㎡ ,復合后厚度為 1.3mm ,復合后抗拉強度≥ 550 Mpa ,延伸率≥ 2.2% ;該材料具有如下幾個方面的特性:

1 )芳玻韌布是介于粘鋼板和碳纖維復合材料之間的半剛半柔性加固材料,單層極限抗拉力相當于 3mm 厚鋼板,延韌性是碳纖維復合材料的 1.4 倍;

2 )彈性模量、熱膨脹系數與鋼筋砼結構基本一致,工作變形協調,不產生溫差應力;

3 )雙向受力,抗裂性能比單向受力的纖維材料更優越;

4 )由于該材料厚度大,必須采用滲透與粘結性能卓著的樹脂膠(指標同比高 30% );

5 )芳玻韌布及樹脂膠雖為美國原裝配套產品,但因其近二十年的應用、規模化生產使其價格相對便宜。

5 加固修復施工方法

本工程的施工實施由上海久堅加固工程有限公司負責,施工步驟包括:基層處理;裂縫修補及局部植筋;混凝土修復;粘貼芳玻韌布復合材料及加固后的表面修飾。

5.1 基層處理

首先鑿除原板梁表面因火燒形成的燒酥層混凝土;對外露鋼筋采用鋼絲刷進行除銹;用吹風機將板梁底面的浮塵吹凈,確保清潔無塵。

5.2 裂縫修補處理

對寬度δ < 0.15mm 的裂縫,采用環氧樹脂封縫處理;對寬度δ ≥ 0.15mm 的裂縫,采用環氧樹脂漿液灌縫處理。

5.3 混凝土修復

1 )施工前需清除底面的疏松雜質、浮灰、油污、鐵銹等,并用水清洗干,使表面潤濕;

2 )刷界面劑一道;

3 )用聚合物高強專用修補砂漿進行修補,厚度大時要分層施工,每層不超過 2cm ,保證修補的密實度;

4 )在 0 o C 以上使用,漿料終凝(約 3 小時左右)后,注意保護表面免遭雨水的破壞;

5 )對坑洞或燒傷較深處混凝土植 ?8 鋼筋,然后采用聚合物高強專用修補砂漿進行修補;

6 )在修補層上用環氧修補膠抹平細處理。

5.4 粘貼芳玻韌布

5.4.1 基層處理

1 )混凝土基層修補后打磨使之平整,沒有尖角和突起物;

2 )清除結構表面的結露和凝水,使其干燥。

5.4.2 配制特種環氧樹脂和浸潤纖維布

1 )在環境溫度下按比例混合環氧樹脂組份 A 和組份 B ,并用低速機械攪拌約 5 分鐘,期間溫度應控制在 5 ~ 38 0 C 之間。

2 )根據圖紙尺寸裁剪芳玻韌布纖維布,并將裁剪好的纖維布用專用樹脂均勻涂濕。

5.4.3 復合補強層的施工

1 )將待加固的結構表面涂刷一層混合好的樹脂做底層。

2 )在規定的時間內,將濕透的纖維布平整地貼在混凝土表面,纖維布之間徑向(主纖維方向)搭接長度不得小于 150mm 。

3 )對復合補強層進行檢查,樹脂中的氣泡必須在樹脂硬化前排出,每一層纖維布必須與前一層或基層緊密附著。

4 )在復合材料硬化前進行撒砂處理,以增加表面粗糙度并方便加固后的粉刷裝飾。

5.4.4 復合補強層的養護

在自然環境溫度和濕度下,粘貼后的復合纖維布 24 小時即可達到設計強度的 80% , 48 小時將完全硬化,可以進行加載或使用。

6. 加固后橋梁檢測結果

加固后對第三跨板梁的跨中撓度再次進行測試,測試分對稱加載和偏心加載,結果顯示,加固后第三跨板梁撓度減小,相對剛度損失大幅度減小。下行第三跨梁加固后,剛度均有所提高,提高范圍在 7.32 ~ 19.3% 之間。

加固后控制截面撓度與計算撓度的比值均小于 0.8 ,說明結構有足夠的安全儲備,剛度滿足要求。相對殘余變形****值為 10.8 %,小于規范要求的 20 %,說明該跨的梁具有較好的彈性回復能力。

7. 結論

高速公路及城市立交橋經火災重創后未必都要拆除更換或重建,根據上述介紹的某橋修復加固方法經計算分析及加固前后的實測對比,結果表明:重傷后的橋梁只要科學分析,選擇合適的方案與材料,精心施工,承載力是可以恢復的;修復加固遠比拆除更換要節省時間、節約費用并取得良好的社會效益。

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