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某桥梁火灾后的修复与加固
发布时间:2012-5-18 阅读:3997次  

摘要: 某高速立交桥桥下半夜突发大火,造成板梁、盖梁、墩柱等钢筋混凝土结构大面积不同程度被烧伤,局部损伤十分严重。为了尽快抢修、确保安全同时节省资金,我们采取了用高强快凝聚合物修补砂浆修复崩裂脱落的混凝土恢复刚度、用芳玻韧布复合纤维材料加固强度的解决方案。通过加固前后对桥梁进行的检测对比,证实了加固修复工作的可靠性,达到了预期目的。

关键词: 钢筋混凝土立交桥;火灾;修复;加固;聚合物砂浆;芳玻韧布复合纤维;

1. 前言

某高速立交桥全长 138.9m ,分上行和下行,两分离式桥面各宽 13.5m ,桥跨上部结构采用跨度为 16m 的预应力混凝土简支空心板梁,桥墩均为钢筋混凝土圆柱。火灾是由于桥下堆积的纸板起火燃烧,造成该桥下行第三跨的 11 片板梁及 4 个墩柱大面积严重烧伤,混凝土爆裂、脱落深度达 60mm ;相邻的第二跨、第四跨钢筋混凝土结构也受到了不同程度地损伤。因此造成结构的强度降低,构件的刚度减少,预应力的钢绞线强度也有所损失,严重地影响了桥梁的安全使用。经对比,如果更换 11 片严重烧伤的板梁及其它部位必要的修复,造价至少需要 120 万,而且需要采用半幅封闭交通、半幅施工的方法;如果采用科学的加固修复方案,不仅节省费用三分之二,且能节省一半的工期。本文就**终的加固修复方案及实施过程介绍如下。

2. 火灾后桥梁破坏情况

火灾后,业主委托检测单位对该桥的火灾受损情况进行全面检查,并对下行第三跨(火灾重创跨)与****跨(火灾未伤跨)的跨中挠度进行对比性加载测试,提供的检测报告主要内容如下:

2.1 板梁:

下行第三跨的 11 根板梁烧伤严重,混凝土颜色灰白或显浅黄,锤击声音发闷、混凝土粉碎和塌落。可以判断板梁表面在火灾时温度约达 800 度。其烧伤****深度依次为: 66 、 64 、 60 、 72 、 54 、 36 、 34 、 52 、 56 、 54 、 32mm ,其中 4 号板梁**为严重,从北端 L/4 到南端 3L/4 段,混凝土被烧酥,爆裂剥落,钢筋外露(如图 1 ),其余大部分面积混凝土碳化失去强度,板梁截面面积减小。

第二跨、第四跨的板梁被烟熏黑,锤击声音响亮、混凝土表面不留下痕迹,初步判断火灾期间板梁表面温度约 200 度。

根据“ 火灾后建筑结构鉴定标准( 2005 年 8 月送审初稿)”中火灾后结构构件鉴定评级标准,第三跨板梁评定为Ⅲ级,即 已产生严重影响构件承载能力和耐久性的缺陷和损伤 ;第二跨、第四跨评定为Ⅰ级,局部 Ⅱ 级 。

图 1 板梁受损情形 图 2 立柱受损情形

对****跨、第三跨板梁的跨中挠度进行对比性测试,测试分对称加载和偏心加载,结果显示,第三跨板梁挠度全部大于****跨板梁挠度,第三跨(火灾重创跨)与****跨(火灾未伤跨)挠度比较,在对称荷载作用下,其跨中挠度增量在 20.4 %~ 32.7 %之间,其平均值为 25.9 %;在偏心荷载作用下,其跨中挠度增量(去掉**小的 0.6 %,****的 43.4 %)在 21.3 %~ 35.6 %之间,其平均值为 26.9 %。

2.2 盖梁

下行 3 #盖梁左端头底部部分混凝土剥落,有钢筋外露现象,右端头有少量混凝土脱落。

2.3 立柱

立柱表层混凝土脱落,受损深度在 40mm -60mm 不等。

2.5 检测结果初步结论:

1 )下行第三跨各梁受到大火影响,有挠度变化分析知,承载能力有不同程度的下降,范围在 20 %~ 30 %;

2 ) 2 #墩、 3 #墩立柱及盖梁有不同程度的损坏;

3 )支座受到大火的影响,表面碳化,碳化深度 1 ~ 3mm ,其功能没有丧失;

4 )由于大火对桥梁的影响是有一个长期的效应的,应此必须对该桥及时采取加固措施。

3. 加固修复原则及计算分析

3.1 加固修复原则

用高强快凝聚合物修补砂浆修复崩裂脱落的混凝土恢复刚度 , 在计算分析的基础上设计用 芳玻韧布复合纤维材料恢复强度 ;精心施工,使该桥经过加固后的承载能力不低于相邻跨板梁。

3.2 计算分析简述

首先通过等代截面换算,计算得梁板烧伤前截面惯性矩 I 前 =3528861.159cm 4 ;烧伤后梁板截面按照高度平均损失 4cm 计算,得 I 现 =2899881.826 cm 4 。

本工程拟采用在板底粘贴美国 TYFO ? 芳玻韧布复合纤维来补充板梁钢绞线损失的拉力△ F ,美国进口的 TYFO ? 芳玻韧布复合材料的强度设计值 220Mpa ,厚度为 1.3mm ,一块空心板宽度为 1170mm 。若在板底粘贴一层芳玻韧布,可以提高预应力板梁的抗拉力为△ F :

△ F =1.3 × 220 × 1170/10 3 = 334.6KN

加固后新增加的抗弯弯矩简化计算如下:

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

参照原设计图,一块典型中板在未烧伤前设计抵抗弯矩为 M 原 =120T · m 。根据梁挠度变化求得钢绞线伸长 6.8 %,则预应力值增加:

F=4687.2 × 6.8%=318.72 KN

即设计抵抗弯矩储备量损失 M 失

M 失 = △ F × Z=31.87 × 0.6=19.12 T · m

由计算知: M =24.59T · m > M 失 = 19.12 T · m ,加固后板梁强度满足要求。

3.3 加固设计方案

经计算分析,具体设计方案如图 3 、图 4 所示。其中,图 3 为板梁加固图,即对受火灾损伤较严重的区域,在板底满贴芳玻韧布复合材料;图 4 为柱墩加固图,对受损伤较浅的部位,用混凝土补平,对受损伤较深的部位,需先植筋,再用混凝土补平,然后环向满贴芳玻韧布复合材料。

图 3 板梁加固图

图 4 柱墩加固图

4. 主要修补与加固材料

4.1 修补材料

为恢复原结构混凝土设计尺寸,采用的聚合物高强专用修补砂浆经过高分子改性,对混凝土构件的结合力极强,镘抹时不垂落,硬化后不收缩、不开裂、强度高,能恢复结构强度,防止外界因素对钢筋的侵蚀。其 3 天的抗压强度 ≥ 30Mpa , 28 天 ≥ 45Mpa ,膨胀率为 0.1% 左右,与圆钢筋的粘结力为 6 Mpa 。

4.2 加固材料

主要加固材料为美国进口的芳玻韧布( TYFO? Fibrwrap )复合加固材料,它是由芳纶凯拉芙( Kevlar )(防弹衣材料),特种玻纤( E-glass )与 TYFO 专用树脂现场粘合而成的强韧复合编织布材料,粘贴在混凝土结构的外表面,并形成新的复合结构,以达到提高原结构承载力的作用;该复合纤维片材单层质量为 920g / ㎡ ,复合后厚度为 1.3mm ,复合后抗拉强度≥ 550 Mpa ,延伸率≥ 2.2% ;该材料具有如下几个方面的特性:

1 )芳玻韧布是介于粘钢板和碳纤维复合材料之间的半刚半柔性加固材料,单层极限抗拉力相当于 3mm 厚钢板,延韧性是碳纤维复合材料的 1.4 倍;

2 )弹性模量、热膨胀系数与钢筋砼结构基本一致,工作变形协调,不产生温差应力;

3 )双向受力,抗裂性能比单向受力的纤维材料更优越;

4 )由于该材料厚度大,必须采用渗透与粘结性能卓著的树脂胶(指标同比高 30% );

5 )芳玻韧布及树脂胶虽为美国原装配套产品,但因其近二十年的应用、规模化生产使其价格相对便宜。

5 加固修复施工方法

本工程的施工实施由上海久坚加固工程有限公司负责,施工步骤包括:基层处理;裂缝修补及局部植筋;混凝土修复;粘贴芳玻韧布复合材料及加固后的表面修饰。

5.1 基层处理

首先凿除原板梁表面因火烧形成的烧酥层混凝土;对外露钢筋采用钢丝刷进行除锈;用吹风机将板梁底面的浮尘吹净,确保清洁无尘。

5.2 裂缝修补处理

对宽度δ < 0.15mm 的裂缝,采用环氧树脂封缝处理;对宽度δ ≥ 0.15mm 的裂缝,采用环氧树脂浆液灌缝处理。

5.3 混凝土修复

1 )施工前需清除底面的疏松杂质、浮灰、油污、铁锈等,并用水清洗干,使表面润湿;

2 )刷界面剂一道;

3 )用聚合物高强专用修补砂浆进行修补,厚度大时要分层施工,每层不超过 2cm ,保证修补的密实度;

4 )在 0 o C 以上使用,浆料终凝(约 3 小时左右)后,注意保护表面免遭雨水的破坏;

5 )对坑洞或烧伤较深处混凝土植 ?8 钢筋,然后采用聚合物高强专用修补砂浆进行修补;

6 )在修补层上用环氧修补胶抹平细处理。

5.4 粘贴芳玻韧布

5.4.1 基层处理

1 )混凝土基层修补后打磨使之平整,没有尖角和突起物;

2 )清除结构表面的结露和凝水,使其干燥。

5.4.2 配制特种环氧树脂和浸润纤维布

1 )在环境温度下按比例混合环氧树脂组份 A 和组份 B ,并用低速机械搅拌约 5 分钟,期间温度应控制在 5 ~ 38 0 C 之间。

2 )根据图纸尺寸裁剪芳玻韧布纤维布,并将裁剪好的纤维布用专用树脂均匀涂湿。

5.4.3 复合补强层的施工

1 )将待加固的结构表面涂刷一层混合好的树脂做底层。

2 )在规定的时间内,将湿透的纤维布平整地贴在混凝土表面,纤维布之间径向(主纤维方向)搭接长度不得小于 150mm 。

3 )对复合补强层进行检查,树脂中的气泡必须在树脂硬化前排出,每一层纤维布必须与前一层或基层紧密附着。

4 )在复合材料硬化前进行撒砂处理,以增加表面粗糙度并方便加固后的粉刷装饰。

5.4.4 复合补强层的养护

在自然环境温度和湿度下,粘贴后的复合纤维布 24 小时即可达到设计强度的 80% , 48 小时将完全硬化,可以进行加载或使用。

6. 加固后桥梁检测结果

加固后对第三跨板梁的跨中挠度再次进行测试,测试分对称加载和偏心加载,结果显示,加固后第三跨板梁挠度减小,相对刚度损失大幅度减小。下行第三跨梁加固后,刚度均有所提高,提高范围在 7.32 ~ 19.3% 之间。

加固后控制截面挠度与计算挠度的比值均小于 0.8 ,说明结构有足够的安全储备,刚度满足要求。相对残余变形****值为 10.8 %,小于规范要求的 20 %,说明该跨的梁具有较好的弹性回复能力。

7. 结论

高速公路及城市立交桥经火灾重创后未必都要拆除更换或重建,根据上述介绍的某桥修复加固方法经计算分析及加固前后的实测对比,结果表明:重伤后的桥梁只要科学分析,选择合适的方案与材料,精心施工,承载力是可以恢复的;修复加固远比拆除更换要节省时间、节约费用并取得良好的社会效益。

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