0 引言

随着我国交通事业的快速发展，作为重要基础设施的一部分桥梁建设进展迅速。根据近年来的统计，从2005年到2012年之间，中国公路的总里程由368万km增加至424万km，桥梁总数由33.66万座增加到71.34万座，7年来有了大幅度提升。以江苏为例，到2010年，全省公路桥梁总计达61 744座，共2 651 038延米，位居全国首位。其中国省干线(含高速公路)公路桥梁8 934座，1 035 405延米，平均每公里有一座桥梁。国省干线公路(含高速公路)上，共有特大桥140座，大桥1 745座，中桥3 382座，小桥3 667座。在上述桥梁中，绝大多数为中小跨径的混凝土桥梁。随着交通量日益增加，由于交通事故或养护管理中存在缺陷等造成的火灾事故时有发生，给桥梁的安全运营带来不利影响，甚至会造成致命的安全事故。

火灾是当今世界多发性灾难中发生频率高且极具毁灭性的灾难^[1]。我国每年因为火灾导致的人员伤亡达数千人，造成的直接经济损失达数十亿，而间接经济损失则更多^[2]。火灾发生频率最高的是建筑火灾，而随着交通行业的发展，近年来桥梁遭受火灾事故也愈发频繁，其中大部分为中小跨径桥梁，如图 1所示。以江苏省宁沪高速桥梁为例，中小跨径桥梁在所有桥梁中所占的比例达到83.6%，预应力空心板在中小跨径桥梁中所占的比例达到70.8%，而简支结构的预应力混凝土空心板桥是最常见的中小跨径桥梁，其在江苏省桥梁结构中占有较高比例。为此，本次试验时选择具有足够普遍性和针对性的预应力混凝土空心板简支梁作为研究对象。本研究将从安全性能和使用性能的角度对火损后预应力混凝土空心板梁研究结果进行阐述。

东北大学CAE研究室结合2004年两座预应力混凝土空心板梁桥火灾实例，进行了“预应力混凝土空心板梁火灾反应及结构性能分析研究”。试验研究了高速公路预应力空心板所常用的C40混凝土在高温(火灾)后抗压强度、应力-应变本构关系及弹性模量等力学性能指标随受火温度的变化规律，通过对大量试验数据的处理，给出了钢绞线及混凝土强度和弹性模量的折减系数。将受火后实桥的承载能力试验结果与理论分析的结果对比，两者基本趋于一致^[3]。

辽宁公路试验检测中心对辽宁某高速公路上一座火损后4孔16 m先张法预应力混凝土空心板梁桥进行了现场调查和荷载试验。荷载试验选取了不同火损程度的板梁共4片，在桥下以简支状态进行荷载试验，确定受火后梁板的实际承载能力。通过试验得出：梁板底部受高温(大于700 ℃)后截面的整体刚度明显降低，正常使用极限状态的承载能力大幅度衰减；梁板底部受高温(小于500 ℃)后截面的梁承载能力无明显变化；梁板在支点附近受火后其抗剪能力明显降低，当温度大于300 ℃时，就应该考虑抗剪能力的衰减问题。通过荷载试验与理论分析总结出一种火损后空心板残余承载能力分析的方法，通过该方法可初步确定桥梁的残余承载能力，及时制订交通管制方案，降低火灾对交通的影响^[4]。

东南大学交通学院对近几年江苏省内发生的几座预应力混凝土空心板梁桥火灾进行过评估与加固处理。通过对火损后桥梁的现场检测和温度场分析，对受损桥梁进行了综合评估，针对桥梁各构件不同的火损情况，主要采用碳纤维布加固的方式进行了处理^[5]。在正常运营条件下的跟踪观测表明对火损桥梁的处理切实可行，取得了良好的经济和社会效益^[6]。

在针对火损结构构件的检测评估方面，目前没有完善、统一的评判体系和参考标准^[7]。现场检测方法各异，检测数据不能标准化；火损后结构的评估多依据工程经验和简化计算，评估多偏保守^[8]；耐久性方面多被忽略，或是笼统地定性判断；加固对策也都是以经验为主，加固后结构的力学性能的改善以及耐久性问题研究甚少^[9]。

对于桥梁构件火灾后的处理，实际工程中一般参考工民建的做法。然而，由于桥梁与工民建的结构构件之间在受力、构造特点以及火灾环境有明显的差异，上述的研究成果与试验数据不能完全照搬。因此，需要对典型的桥梁构件进行必要的火灾试验，以研究其火灾中的温度场分布及火灾后的力学性能。此外，火损桥梁的检测评估与加固也亟需标准化、规范化，有必要通过桥梁火灾试验并结合工程实例的探索，以形成一套火灾后桥梁结构的评估与加固标准来推广应用。

1 火损试验后梁体检测

依托足尺预应力混凝土空心板梁火损试验，进行火损后预应力混凝土空心板梁的检测，研究火损后该类板梁构件的损伤表现。本节进行了7片板梁的火损试验，各片板梁火损试验对比如表 1所示。

1.1 火损后梁体外观检测

试验梁采用13 m先张法预应力混凝土空心板梁，火损试验通过特制燃气加热炉进行^[10]，试验照片如图 2所示。受火梁的燃烧升温曲线采用ISO834曲线^[11]，如图 3所示，板梁火损试验的灼烧区域为跨中全宽5 m范围内，试验中主要测试的数据包括内埋热电偶的温度监控数据、混凝土中振弦式应变计的读数以及跨中竖向挠度的变化数据。板梁火损试验以后吊至指定台座上面进行火损后的检测工作。

外观检测内容主要包括以下几点^[12]：

(1) 混凝土火损后的表观颜色、疏松状况、剥落深度与面积及裂缝情况；

(2) 钢筋与钢绞线裸露数量、颜色、变形情况。火损后梁体底板外观典型照片如图 4~图 6所示。

本试验中梁体受火后的表现总结如下：

(1) 在受火过程中板梁底板混凝土可能会发生爆裂情况，各片板梁的爆裂程度随机性较大，混凝土爆裂后的性状表现为表面砂浆全部崩落，露出粗骨料且爆裂边缘界限明显，爆裂后混凝土表面凹凸不平，一般来说，爆裂区域的中心深度较大而边缘深度较小。

(2) 混凝土剥落的主要特征为表面混凝土砂浆起皮龟裂^[13]，在火灾后松散混凝土会自然脱落，造成粗骨料零散外露，另外附着于表面的砂浆敲击易掉落，剥落后的表面平整度较好且剥落深度一般小于爆裂深度。

(3) 混凝土爆裂可能导致钢筋及钢绞线外露^[14]，直接承受火焰的炙烤，火损后钢筋及钢绞线的表层附着一层碳化层，碳化层存在细微裂纹^[15]。

(4) 火损后梁体底板出现纵向裂缝(受火区与非受火区均有)，裂缝位置主要位于底板横向宽度的中心区域，裂缝在火损试验中出现且冷却后裂缝未闭合。

(5) 腹板高度的中间区域存在竖向或斜向的裂缝，裂缝在火损试验中出现冷却后大部分裂缝基本闭合。

(6) 从炉体内残留的混凝土残渣可以看出，混凝土较高的过火温度会导致粗骨料的颜色从青色变为白色，而水泥砂浆的颜色从灰色变为黄褐色。

1.2 火损后混凝土过火温度检测

混凝土过火温度检测采用烧失量法进行^[16]，烧失量试验的加热设备采用SX2系列箱式电阻炉，电阻炉配有KSW型温度控制器及热电偶，能对炉膛温度进行测量指示及自动控制。电阻炉额定温度1 100 ℃，炉膛尺寸(长×宽×高)为700 mm×700 mm×300 mm。加热设备如图 7所示。

试验过程主要有以下步骤：

(1) 板梁未受火区域与受火区域混凝土取样；

(2) 混凝土样品捣碎并用粒径0.28 mm标准筛子筛取出水泥砂浆粉末；

(3) 未受火混凝土烧失量试验，拟合烧失量曲线；

(4) 受火混凝土烧失量试验，烧失量代入拟合曲线推出混凝土过火温度。

本次未受火混凝土烧失量试验采用连续灼烧法，即对同一份混凝土试样在200~900 ℃进行连续的温度预处理，在每个预处理温度稳定2 h后称取样品的质量，这样可节约试验时间提高试验效率。

预处理温度越大，混凝土烧失量越小，由未受火区域混凝土烧失量与预处理温度之间拟合回归建立的方程如下：

y=897.624-35.974x+4.364x²-0.186x³,

式中, y为温度；x为烧失量。

烧失量散点图及拟合曲线如图 8所示。

以9^#板梁一根跨中向东1.7 m断面中心钢绞线处混凝土样品为例，将受火区域混凝土烧失量代入回归方程即得混凝土的最高过火温度，烧失量法反推得到的混凝土温度与热电偶温度实测值如表 2所示。

由表 2可以看出，烧失量法反推得到的混凝土受火温度比实际测量值偏小。因为钢绞线处热电偶测得的温度为一个点的温度，而烧失量法反推得到的温度为钢绞线附近同一高度处混凝土的平均温度，且混凝土温度在高度方向由外向内递减，在钢绞线处受火混凝土凿除的过程中，混凝土采样的高度距底板的距离不易控制，一般来说样品位置稍微偏高，导致混凝土样品的平均过火温度偏低。本次温度推估值与实测值的误差率在10%以内，满足工程实际的要求。

根据本试验的研究成果，对该类预应力混凝土空心板梁桥遭受火灾时的检测重点给出以下几方面的建议：

(1) 着重调查混凝土爆裂区的表观特征，本次试验的冷却方式为自然冷却，而实际桥梁火灾中可能会采用冷水灭火的方式，必须区分火灾中混凝土的爆裂与浇水冷却引起的混凝土爆裂两者之间的不同之处，浇水冷却引起的混凝土爆裂只是使得混凝土尺寸进一步削弱，内部的混凝土或钢筋并没有直接经受高温的炙烤，而火灾中的爆裂则会使得截面温度场发生突变，可能对钢筋及钢绞线造成较大的损伤，这对后续承载能力评估指导性较强。

(2) 对钢绞线实际保护层厚度进行调查，该检测结果对板梁承载能力的计算及钢绞线遭受的最高温度推算至关重要。选取受火严重区域，进行表层砂浆及钢绞线处混凝土取样，结合烧失量试验推估构件表面及钢绞线处曾经受火温度，为后续温度场分析及承载能力评估提供数据基础。

(3) 为提高烧失量试验的精度，应在以下几方面注意：

① 因为混凝土中粗骨料的烧失量随温度的变化波动性较大，因此采样时应尽量剔除掉所有粗骨料；

② 选用内部底面表面积较大的坩埚，确保水泥砂浆粉末受热均匀且易于水分和二氧化碳气体的逸出；

③ 烧失量试验的灼烧时间不宜过短，保证高温下试样的化学反应进行得比较充分。

(4) 火灾作用下梁体会出现裂缝：包括腹板竖向及斜向裂缝、底板纵向裂缝。腹板裂缝出现在腹板中部且在火灾后裂缝会闭合，实际桥梁中板梁之间有铰缝存在，该裂缝一般不会对桥梁结构安全性带来威胁；底板纵向裂缝在实际火损桥梁中不易检查到，该形式裂缝一般出现在受火区底板的中上部，若内腔有积水则会导致水分通过纵向裂缝侵蚀钢绞线，对桥梁结构的安全性及耐久性都会带来不利的影响，在钢绞线保护层局部凿除过程中可仔细检查底板内部是否存在纵向裂缝，若纵向裂缝情况严重，后续加固工作中应予以考虑。

(5) 火灾会造成板梁高温变形，通过本试验研究结果来看，板梁跨中底部受火后，梁体跨中并未下挠反而向上出现一定反拱，预应力可能未损失或损失较小。一般桥梁火灾燃烧时间在1 h左右，因此预应力混凝土空心板梁桥在火灾后不一定会出现下挠。检测中若发现梁体下挠严重则需采取一定的安全措施和交通管制措施。

2 加载试验

本节选取7片试验梁进行研究。为了得到试验梁实际的承载能力，选取一片未受火梁进行四点弯曲加载试验至破坏以获取梁体承载能力数据，如图 9所示。加载采用分级加载，每级荷载为理论极限荷载的5%左右^[17]，在接近破坏阶段每级荷载减小至理论极限荷载的2%左右。1^#板梁为标准梁，实测的极限承载力供后续火损梁的加载试验参考。

通过对加载试验过程现象的观测及测试数据的总结分析可以得出以下几点规律：

(1) 随着荷载的不断加大，跨中挠度不断增加；

(2) 腹板裂缝开展的范围主要集中在跨中区段的7 m长度之间(跨中两侧各3.5 m范围)，纯弯段内主要为腹板竖向裂缝，而剪弯段内主要为腹板斜裂缝；

(3) 接近极限状态时，裂缝开展的高度线距离底面40 cm左右；

(4) 加载过程中板梁支点处发生旋转，出现支座剪切变形及局部脱空现象；

(5) 有外露钢绞线的板梁及局部钢绞线过火温度过大的板梁在加载过程中钢绞线发生断裂情况，断口处有明显颈缩现象。

图 10为各片板梁荷载位移曲线汇总图。

荷载位移曲线存在以下几点规律：

(1) 1^#标准梁的荷载位移曲线呈现明显的3个特征，即弹性阶段、开裂阶段和屈服阶段；

(2) 火损后梁的整体刚度在弹性阶段明显比标准梁的整体刚度低，而个别开裂阶段的刚度比标准梁大。

从各片板梁的统计数据结果可总结以下几点：

(1) 由于各片板梁钢绞线的保护层厚度均不一样，即使燃烧时间相同，钢绞线处热电偶测得的温度也不一样，另外各片板梁的爆裂情况随机性较大，因此加载试验实测的承载能力结果与燃烧时间的关联性不大；

(2) 火损后板梁的剩余承载力一方面与钢绞线处的平均过火温度有关，另一方面与混凝土的爆裂严重程度有关，若钢绞线处的平均过火温度较高且混凝土爆裂导致钢绞线外露，则在加载过程中钢绞线可能断裂，使得火损后板梁承载能力明显下降；

(3) 火损后板梁的剩余承载能力越小，卸载后板梁的残余变形基本上越大。

根据本试验的研究成果，对该类预应力混凝土空心板梁桥遭受火灾时的评估重点给出以下几方面的建议：

(1) 若钢绞线裸露，且结合表观特征与钢绞线附近混凝土烧失量试验综合判断出该钢绞线经历温度超过700 ℃，在承载能力计算时建议偏安全地认为该根钢绞线失效。

(2) 以钢绞线处实测受火温度和标准升温曲线达到相同温度为等效准则，反推出受火时间，在此基础之上进行截面温度场分析，结合受火后材料性能变化及截面折减情况计算出截面剩余承载能力。

(3) 4类构件的评定指标推荐值如表 4所示，火损后板梁评定从3方面入手：承载能力、使用性能和耐久性能，具体指标分别对应板梁剩余承载力、弹性阶段整体刚度和烧疏层厚度。评估时以承载能力指标为主，刚度和烧疏层厚度指标为辅综合进行评估。

以上述试验结果中的剩余承载力作为重要评估要素，本文选用9^#板梁作为维修加固对象。

3 火损后试验梁加固 3.1 加固方案

待板梁检测完成以后，在原场地进行板梁火损后的加固工作，如图 11、图 12所示。

根据承载力评估结果，粘贴两层碳纤维布进行加固^[18]。施工步骤如下：

(1) 将板梁火损区松散的混凝土及其表面变色的混凝土全部凿除，凿除深度以露出新鲜界面为准，然后清理表面浮尘，露出新鲜骨料；

(2) 采用结构胶将梁体受损部位修复至原有尺寸。由于破损区域面积较大，尺寸较厚，用结构胶修复破损区域时，采用立模挤压工艺浇注结构胶，即在板梁底面设置植筋螺杆或膨胀螺杆，在其上支撑有一定刚度的模板，拧紧螺栓挤压结构胶来修补；

(3) 板梁结构尺寸恢复完毕，待结构胶固化后，在板梁底面粘贴碳纤维布，进行补强加固。碳纤维布粘贴范围为板梁底面长11 m×宽1 m区间，规格采用300 g/m³的碳纤维布。

3.2 加固后加载试验

梁体粘贴碳纤维布养护10 d后吊至加载位置准备进行加载试验。加载过程中需要采集的数据包括跨中与支点处的百分表读数、内埋振弦式应变计的读数、外贴电阻式应变片的读数、加载区段安放的倾角仪的读数以及压力传感器的读数。加载采用分级加载，每级荷载为理论计算荷载的5%左右，接近破坏阶段时每级荷载适当减小。加载工况与千斤顶压力对照表如表 5所示。

当荷载加载至211.9 kN时，开始间断出现碳纤维布剥离破坏声音，此剥离破坏在后续加载工况均有出现，当荷载加至434.5 kN时，剥离破坏急剧发展，停止加载。碳纤维布应变随荷载变化如图 13所示。在荷载小于100 kN时，碳纤维布的应变基本呈弹性增长，之后碳纤维布应变增长速率加快，表明碳纤维布发挥作用越来越大，在最后一个加载工况，碳纤维布的拉应变为5 000 με，达到碳纤维布极限拉应变的1/3，换算拉应力为1 050 MPa。

电阻式应变片粘贴于跨中截面的腹板两侧，每侧布置7个应变片，不同加载工况混凝土应变如图 14所示。

应变片数据汇总为以下几点：

(1) 板梁四点弯曲加载时，跨中截面混凝土底部受拉而顶部受压；

(2) 在工况0~13下，跨中截面基本符合平截面假定，且随着荷载增加中性轴不断上移，待裂缝出现以后，平截面假定不再成立；

(3) 最后一个加载工况时，最上部顶板应变片压应变达1 500 με；

图 15为荷载位移曲线图。从图中可以看出：

(1) 在弹性加载阶段，加固前后火损梁的整体刚度基本保持不变且比未受火梁的刚度小，在开裂阶段，由于碳纤维布限制了裂缝的开展，刚度有所提高，甚至比标准梁开裂阶段的刚度大；

(2) 加固后火损梁的承载能力比加固前火损梁的承载能力有所提高，本试验粘贴两层碳纤维布后火损梁承载能力提高至少11%；

(3) 加固后火损梁的荷载位移曲线没有明显的屈服阶段，破坏形式可能为突然的脆性破坏。

4 结论

根据本试验的研究成果，针对火损后预应力混凝土空心板梁检测、评估与加固技术有以下几点结论：

(1) 钢绞线所遭受的最高温度是火损后预应力混凝土空心板梁评估中的一个重要指标，若可以判定混凝土爆裂导致钢绞线在火灾中裸露且遭受高温炙烤，在承载能力评估时可偏安全地考虑裸露钢绞线失效。

(2) 烧失量法是检测混凝土过火温度较为精确的一种方法，可供实际工程应用时参考。

(3) 粘贴碳纤维布加固火损后板梁是一种行之有效的加固方法，但碳纤维布对于刚度的贡献几乎为零。