王利軍，唐先習，徐俊兵

(蘭州理工大學土木工程學院，蘭州，730050)

0 引言

近年來隨著社會經濟高速發(fā)展，我國城市化進程快速推進，基建設施如雨后春筍般崛地而起，尤其是橋梁建設日新月異，但是由于人為或自然因素所引起的各種橋梁火災事故也接踵而來，通常將其分為三種“典型”火災場景。

第一種典型場景：最為常見，橋梁破壞或坍塌事故往往由橋下載有易燃化學物、碳氫化合物等物品的車輛著火而引起。對于鋼筋混凝土橋梁，若燃料著火點正好位于其下方，那么橋梁坍塌的可能性很大。2007年4月29日，位于舊金山心臟地帶處的某一高速公路樞紐，MacArthur Maze大橋由于橋下載有易燃物品的大車失火從而引發(fā)火災，這次事故的直接損失約1200萬美元，據(jù)最終統(tǒng)計火災的經濟影響高達9000萬美元[1,2]。

第二種典型場景：運輸液體燃料的槽罐車在橋上發(fā)生意外出現(xiàn)罐體破裂或者車輛傾覆，導致燃料溢出引發(fā)火災。2012年10月，位于法國魯昂的Mathilde大橋，便是發(fā)生了該類型的火災[3-5]。

第三種典型場景：位于橋下的材料由于人為或者自然原因著火，從而引發(fā)橋梁火災。2017年3月，美國亞特蘭大 I-85 州際公路上的一座主線橋梁，因人為點燃儲存在橋下的存放設備和PVC管等易燃材料引發(fā)火災，導致了嚴重的交通事故以及巨額經濟損失[6,7]。

通常情況下，一旦發(fā)生火災，往往造成巨大的社會危害和經濟損失，使得橋梁火災成為影響在役橋梁的災害之一?；馂母邷貢蛄航Y構材料的力學性能產生一系列復雜的影響，如強度下降、彈性模量下降、應變增大等變化。伴隨著火災的蔓延，火災溫度持續(xù)升高，結構溫度可升至1 000 ℃甚至更高，受火區(qū)域構件承載力不斷削弱，同時結構內部發(fā)生相應的應力重分布，伴隨有結構開裂，變形增大，承載力下降，出現(xiàn)局部破損或倒塌等，從而導致巨大的經濟損失甚至慘重的人員傷亡。

1 工程背景

圖1 連續(xù)梁火燒部位現(xiàn)場拍攝圖及火災示意圖Fig.1 On-site shooting and fire schematic drawing of continuous beam fire site

2 火災升溫及結構受火特性

火災現(xiàn)場調查結果顯示，火災發(fā)生時火焰溫度最高達到1 000 ℃以上，且燃燒時間較長(超過1.5 h)?；馂南落摻罨炷料淞旱臏囟茸兓瘯芸扇嘉镄再|、橋下空間、供氧量、受火位置、燃燒時長等諸多因素影響，其中可燃物性質對于影響火災時的溫升趨勢最為顯著。目前火災溫度多采用國際標準組織(ISO)提供的ISO 834標準火災升溫公式模擬，該公式能夠較好的體現(xiàn)大多數(shù)火災的燃燒特點，具有一定的代表性及規(guī)律性，該計算公式如式(1)：

T=T0+345lg(8t+1)

(1)

然而本次火災由易燃化學物引發(fā)，火焰中心基本位于箱梁底板正下方，而且橋下開敞，供氧充足，可在短時間內迅速升溫至很高溫度，碳氫化合物燃燒(Hydrocarbon)火災模式下升溫迅速，延火時間短，最高溫度可達1 000 ℃以上，用該升溫曲線模擬橋梁升溫模式更為合理，該計算公式如式(2)，式(1)和式(2)兩種升溫曲線對比如圖2所示。

圖2 升溫曲線對比Fig.2 Comparison of heating curves

(2)

式中：T為t時刻的溫度；T0為環(huán)境初始溫度；t為火災持續(xù)時間。

經初步計算，橋下最高溫度可達1 000 ℃以上，同火災現(xiàn)場初步調查結果相對應。根據(jù)經火災高溫后的預應力混凝土結構表觀情況，通?？蓪⒒馂臏囟葏^(qū)域劃分為以下三種：低溫區(qū)(≤300 ℃)、中溫區(qū)(300 ℃～600 ℃)和高溫區(qū)(≥600 ℃)。

2.1 火災高溫下混凝土破壞機理及其力學性能

1)迎火面表面處溫度較其內部升高快，內外溫差較大引起混凝土開裂；

2)火災高溫作用下，膠體的粘結力破壞，出現(xiàn)裂縫，表面發(fā)毛、起砂、呈蜂窩狀、出現(xiàn)龜裂、邊角潰散脫落等現(xiàn)象；

3)骨料和水泥石比熱容相差較大，導致其出現(xiàn)應力集中以及微裂縫的開展；

4)隨著溫度的持續(xù)升高，鋼筋與混凝土之間的變形差異增大，混凝土的抗拉強度降低和混凝土產生內部裂縫，從而導致鋼筋與混凝土的粘結力逐漸降低直至完全消失，進而鋼筋與混凝土分開，鋼筋裸露、松弛變形；

5)高溫下混凝土應力-應變關系發(fā)生很大變化，表現(xiàn)為彈性模量隨著溫度升高而逐漸降低，而且在經火災高溫作用后其殘余強度會顯著降低等[8-12]。

2.2 火災高溫后鋼筋的性能

當火災溫度高于200 ℃時，鋼筋屈服強度開始下降，當溫度在550 ℃～600 ℃時，普通鋼筋強度下降約50%左右，預應力鋼筋在高溫作用下強度下降比非預應力鋼筋快，當溫度在400 ℃左右時的強度損失可高達50%。溫度較低時鋼筋與混凝土之間粘結強度下降較少，甚至會出現(xiàn)有所提高的情況；但是當超過一定溫度(螺紋鋼筋大于600 ℃，光圓鋼筋大于400 ℃)時，粘結性能明顯下降[13-15]。

預應力筋的高溫蠕變將產生附加預應力損失，這將嚴重影響預應力混凝土結構在火災下的承載力，這是火災下預應力混凝土結構不同于普通鋼筋混凝土結構的重要特征[16]。

3 檢測及監(jiān)測

3.1 強度檢測

混凝土結構經火災高溫作用后，強度會有顯著降低，并伴隨有開裂、掉塊等現(xiàn)象。清除結構受損和掉落混凝土后，采用超聲回彈法以及取芯試驗法對箱梁剩余部分的混凝土強度進行檢測。所以進行超聲回彈法(共計60個測區(qū))和取芯試驗法(4個試驗)檢測，該兩項檢測結果均表明，剩余部分箱梁強度滿足原設計的技術要求[17]。

3.2 應變監(jiān)測

因該橋為新建橋梁尚未通車，所以只考慮梁體結構火損后的材料力學性能及結構力學性能變化而導致的應力重分布，監(jiān)測分析在自重狀態(tài)下的應變變化，監(jiān)控橋梁結構在一段時間段內的穩(wěn)定性，為后續(xù)橋梁結構的加固提供可靠依據(jù)。

3.2.1 測點布置

考慮到盡可能的提高觀測的精度標準，選用東華DH3821數(shù)據(jù)采集儀、EY501工具式表面應變計進行全天候24 h監(jiān)測。為減少溫度、濕度等環(huán)境因素對應變計的影響，同時為防止應變計脫落對梁體下部可能產生的危害，所以將應變計布設在箱梁內部混凝土結構表面?？紤]到交角部位的倒角可能導致的應力集中，應變計距倒角的距離為10 cm。結合梁體受火損的具體部位，應變監(jiān)測斷面在橋梁縱向共布置4個，分別為：

1)監(jiān)測斷面1：梁體6號、7號塊連接部位，此部位為靠近跨中方向的火損部位邊緣，僅在腹板與底板交角處布置2個監(jiān)測點。

2)監(jiān)測斷面2：梁體5號塊縱向中部，此部位為火損較嚴重區(qū)域，分別在腹板與梁頂?shù)装逄幗唤翘幑膊贾?個監(jiān)測點。

3)監(jiān)測斷面3：梁體4號塊縱向中部，此部位為火損較嚴重區(qū)域，分別在腹板與梁頂?shù)装逄幗唤翘幑膊贾?個監(jiān)測點。

4)監(jiān)測斷面4：位于梁體2號、3號塊連接部位，此部位為靠近支座方向的火損部位邊緣，僅在腹板與底板交角處布置2個監(jiān)測點。

4個斷面共布置12個監(jiān)測點。測點布置示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 應變監(jiān)測點縱向斷面布置示意圖Fig.3 Diagram of vertical section layout of strain monitoring points

圖4 應變監(jiān)測點橫向斷面布置示意圖Fig.4 Diagram of cross section layout of strain monitoring points

3.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)及其處理

監(jiān)測期間共測得了受損橋梁所選4個斷面共布設的12個應變計1.5月的應變變化值，對所監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了計算及分析，考慮到溫度等其他因素的影響，取12個應變計每天上午7:00的數(shù)據(jù)，繪制各應變計變化隨時間的曲線變化圖如圖6～圖9。

圖5 預應力鋼束布置圖Fig.5 Layout of prestressing steel

圖6 梁體1號斷面各點應變變化趨勢圖(微應變單位：1、時間單位：天)Fig.6 Trend chart of strain variation at each point of No.1 Section of beam bridge

圖7 梁體2號斷面各點應變變化趨勢圖(微應變單位：1、時間單位：天)Fig.7 Trend chart of strain variation at each point of No.2 section of beam bridge

圖8 梁體3號斷面各點應變變化趨勢圖(微應變單位：1、時間單位：天)Fig.8 Trend chart of strain variation at each point of No.3 section of beam bridge

圖9 梁體4號斷面各點應變變化趨勢圖(微應變單位：1、時間單位：天)Fig.9 Trend chart of strain variation at each point of No.4 section of beam bridge

火災下預應力鋼絞線處于高應力狀態(tài)，從而產生顯著的應力松弛(或蠕變)[18],使得預應力明顯降低，變形增大；高溫會導致混凝土材料內部受損，例如界面裂縫、強度降低、失水疏松等現(xiàn)象均可能引起應力集中，伴隨著溫度的持續(xù)升高，混凝土的抗壓強度顯著下降。結合預應力鋼束布置圖，見圖5，對各點應變變化進行分析。

第6～9天，梁體內部溫度開始降低，此時鋼束預應力損失和混凝土強度降低達到最大水平，基本不再發(fā)生預應力損失和混凝土強度降低，所以梁體應變不再增大且在微應變最大值處波動，近似保持穩(wěn)定狀態(tài)；

第7～10天，梁體內部溫度開始逐漸降低，類似于1-1截面，此時鋼束預應力損失和混凝土強度降低達到最大水平，我們認為基本上不再發(fā)生預應力損失和混凝土強度降低，所以梁體應變不再增大且在微應變最大值處波動，近似保持穩(wěn)定狀態(tài)；

第7～9天，梁體內部溫度開始逐漸降低，類似于2-2截面，此時鋼束預應力損失和混凝土強度降低達到最大水平，我們認為基本不再發(fā)生預應力損失和混凝土強度降低，所以梁體應變不再增大且在微應變最大值處波動，近似保持穩(wěn)定狀態(tài)；

第6～9天，梁體內部溫度開始降低，此時鋼束預應力損失和混凝土強度降低達到最大水平，基本不再發(fā)生預應力損失和混凝土強度降低，所以梁體應變不再增大且在微應變最大值處波動，近似保持穩(wěn)定狀態(tài)；

4 結論

根據(jù)對梁體進行的強度檢測和應變監(jiān)測結果，結合國內外其他學者對火損預應力梁橋的相關研究，綜合分析了火災高溫對預應力混凝土梁橋組成材料(混凝土、普通鋼筋和預應力鋼筋)的力學性能的影響，得出對于火損后的梁體而言：

1) 火損后結構微應變變化可分為三個階段：上升、穩(wěn)定、下降(回升)，總體表現(xiàn)為火災發(fā)生后的一周左右內，應變變化迅速增大，隨著時間的推移，應變值變化幅度逐漸緩和下來，最終逐漸趨于穩(wěn)定；

2) 由于火焰中心位置偏向于梁體右側，所以梁體東側(遠離火的一側)應變值變化較小，西側(靠近火的一側)應變值變化較大；

3) 箱梁底面為迎火面，箱梁下部應變值變化數(shù)值明顯大于箱梁上部；

4) 低溫區(qū)(≤300 ℃)應變變化相對最小、中溫區(qū)(300 ℃～600 ℃)應變變化相對居中、高溫區(qū)(≥600 ℃)應變變化相對最大；

5) 在橋梁自重的作用下，火損后的應力重分布過程已基本完成。

因此，在不增加其他外加荷的情況下，梁體結構已趨于穩(wěn)定，可暫時停止監(jiān)控，進行下一步的梁體火損檢測，如：預應力損失等檢測，從而定量地推導出火災對于整體結構的影響等，并對梁體進行必要的加固。此外通過該分析研究可以對其他同類型橋梁工程提供理論支撐，使得火災后橋梁評定技術更全面、更具有針對性。