火災是當今世界發生頻率較高且極具毀滅（miè）性的災難，隨著交通行業的發展，由於交通事故等原（yuán）因造成的橋梁（liáng）火災事故也（yě）時有發生。橋梁火災發生後，其結構材料由於高（gāo）溫作用，力學性能會發生一定的劣化，從而導致結構（gòu）的承載力有所下降（jiàng），給橋梁的安全運營帶（dài）來不利影響。中小跨徑混凝土（tǔ）橋梁（liáng）在目前運營的橋梁中占有較大的比例，本文針對性地選擇預應力（lì）混凝土（tǔ）空心板簡支梁（liáng）作為研究（jiū）對象，對（duì）其火損後的承載能力（lì）進行分析，為管養單位對橋梁火（huǒ）災後的交通量管製提供依據，同時也作為橋（qiáo）梁後續加固（gù）的參考（kǎo）。
材料高溫後（hòu）力學性能的劣化
預應力混凝土結構的組成材料包括混（hún）凝土、普通鋼筋和預應力筋，預應力筋主要有鋼絞線、高（gāo）強鋼絲和精（jīng）軋螺紋鋼筋。預應力（lì）混凝土橋梁在遭受火災後（hòu），其結構整（zhěng）體性能會發生劣化，而要對火損後的預應力混凝土結構進行承載（zǎi）力分析，首先需研究其組成材料高溫後的性能劣化規律，此前已有學者對混凝土和預應（yīng）力鋼絞線高溫後的力（lì）學性能進（jìn）行了大量（liàng）的（de）試驗研（yán）究。
火災（zāi）高溫後的混凝土性能
混凝（níng）土經曆火災高溫後的性能劣化主要分為兩（liǎng）階段，一是火災（zāi）過程中，混凝土各組分在高溫（wēn）下會發生一係列的物理化學反應，致使其力學性能不斷劣化（huà）；二是火災後，混凝土在高溫冷（lěng）卻時，反應生成（chéng）的CaO又重新吸水（shuǐ）膨脹，造成其力學（xué）性能劣化。此外混凝土外部（bù）先（xiān）於內部冷卻，形成的反向溫度（dù）梯度同樣會造成損傷。
經研究表明,高溫後混凝土力學性能的衰（shuāi）減規律（lǜ）主要與受火溫度、受火（huǒ）時間、升溫速率（lǜ）等有關。混凝土高溫冷（lěng）卻後的強度及彈性模量隨受火溫度的增大而逐漸降低。
災高溫後的鋼絞線性能（néng）
鋼絞線是由（yóu）多根高（gāo）強鋼絲絞合後再進行低溫回火處理製成的，而高強鋼（gāng）絲的強度（dù）來源（yuán）於高（gāo）碳鋼的多次冷拔處理，高碳鋼冷拔處理的產物在高溫下很不（bú）穩定易於分解，因而鋼絞線的高溫劣化程度要比普通鋼筋（jīn）大得（dé）多。
采用30根1860級鋼絞線（xiàn），從室溫20℃到最高溫900℃共分為10個溫度段，每個溫度段選（xuǎn）3根鋼絞線進行（háng）1h的恒溫加熱（rè），待空氣中自然冷卻後再進行拉伸試驗。試驗發現，預應力鋼絞線經曆高溫作用並在空氣中自然冷卻後，其性能可發生變化，但變化程度和變化規律不盡相同。在20~400℃範圍內，鋼絞（jiǎo）線的極限強度隨溫度的增加而緩慢下降；400℃以後下降（jiàng）速度加快（kuài），700℃時達（dá）到最低（dī）點；其後鋼絞線的（de）極（jí）限強度略有回升。
通過空心板（bǎn）梁火損程度
評估梁體（tǐ）承載餘力
橋梁（liáng）火災一般分為橋麵失火（huǒ）和橋下失火兩種情況，橋麵失火預應力混凝土梁橋的熱量向上發（fā）散，且熱量受到橋麵係的阻隔，不易對主梁結構造（zào）成過（guò）大損傷（shāng）。而橋下失火（huǒ）對主（zhǔ）梁更為不利，采用梁體底板單麵加（jiā）熱的方式模擬橋下失火的最不利（lì）情況。同時為使試驗真實反映梁體受火後結構的損傷程度（dù），準確評估梁體的剩（shèng）餘承載力，進行了空心板梁火（huǒ）損的（de）足尺試驗。
試驗設置（zhì）
試驗梁共選取四片預應力混凝土空心板梁，跨徑13m，C50混凝土，底板單（dān）排布置10根1860級φs15.2鋼絞線。截麵的具體（tǐ）尺寸如圖1所示：
圖1 空心板梁截麵尺寸（cùn）（單位：cm）
試驗加熱區域為空心板梁底麵跨（kuà）中向（xiàng）兩側各2.5m的範圍，梁體簡支，如圖2所示；
圖2 試驗梁底板受火（huǒ）區域示意（單位（wèi）：cm）
四（sì）片梁依次編號為1～4#，其（qí）中1#梁作為標準（zhǔn）梁進行加載試驗以得出其（qí）實際承載力（lì），2～4#梁受火時間分別為1h、1.5h和1.5h，試驗時爐（lú）內升溫（wēn）曲線（xiàn）為ISO834曲線。
板梁預製時在跨中截麵埋置了K型鎧裝熱電偶作（zuò）為溫度傳感器，五個熱電偶（ǒu）到底板的距離分別為2cm、4cm、6cm、8cm和10cm。跨中（zhōng）截麵熱電偶與鋼（gāng）絞線的（de）相對位置示意如（rú）圖3所（suǒ）示。
圖3 熱電偶埋設位置示意（yì）（單位：cm）
火損試驗現象
三片空心板梁先後進行（háng）了火損（sǔn）試驗，除火（huǒ）損時間（jiān）設置不同，其他試驗條件基本相同。試驗中三（sān）片梁體都出現了（le）混凝土內水分蒸發，梁體下撓的（de）現象。比較值得關注的是，三片梁體底板（bǎn）出現了不同程度（dù）的爆裂現象且差別較大，具體（tǐ）如下：
1．2#梁爆裂程度較為輕微，僅受火（huǒ）區（qū）梁端發生局部爆裂，爆裂深度較淺。
2．3#梁爆裂最嚴重，受火的5m範圍全部發生了爆裂，但（dàn）爆（bào）裂深度分布不均勻，平均深度2~3cm，最（zuì）深處超過（guò）5cm，爆裂導致多處箍筋裸露，但沒有發現鋼絞線外（wài）露。
3．4#梁爆裂較3#梁輕，火損區域內爆裂（liè）麵積約40%，集（jí）中在受火區（qū）的端部，最深處超過6cm，並有一根鋼絞線裸（luǒ）露，而跨中區域基本無爆裂。
溫度是火損評估（gū）的分析基礎
火災後結構構件的損傷程度與過火溫度和燃燒時間有關，換言之，火（huǒ）災中溫度隨時間的發展及造成的構件內部溫度分（fèn）布，是損傷評估的分析基礎，通過在梁體內部預埋溫度傳感器可獲得板梁內部的（de）溫度場變化規律。
火災試驗中，加熱爐預留有熱電偶測得（dé）爐溫數據，結果整理（lǐ）如圖4所示。可見，升溫階段的爐溫數據與ISO834曲線較為吻合。另外，ISO834曲線沒有模擬降溫階段，而實際熄（xī）火後爐溫會逐漸（jiàn）下降。
圖4 加熱爐溫度變化
為研（yán）究火災試驗中空心梁內部溫度場規律，利用Ansys軟件建立（lì）空心板梁熱傳導平麵模型（xíng），以（yǐ）進行（háng）溫度場分析。以受火時間為1.5h的空心板梁為例，混凝土采用Plan55單元模擬，導熱係數λ、比熱容c和密度ρ均采用歐洲規範中的標準曲線（xiàn）。空（kōng）心板梁的（de）邊界條件考慮（lǜ）如下：
1．空心板梁受火麵為底麵，與火焰空氣的熱交換由對流換熱和熱輻射（shè）兩部分組（zǔ）成；
2．背火麵與空氣為對流換熱（rè）。此外，底板兩側（cè）由於隔熱材料（liào）覆蓋，熱量交換很小，取絕熱邊（biān）界條件。
3．內腔邊界條件由內腔壁與空（kōng）氣對流換（huàn）熱，和內壁麵之間的輻射換熱組成，環境（jìng）溫度以試驗時實測內壁（bì）溫度為準。
圖5 熄火80min時溫度分布雲圖
為（wéi）更清晰地看出距底（dǐ）板不同高度處的（de）溫（wēn）度變化規律，提取（qǔ）距底板高度分別為2cm、4cm、6cm、8cm和10cm這五個位置的溫（wēn）度數據，並與預埋溫度傳感器測得的（de）數據進行對比，如下圖：
圖6 溫度場（chǎng）分析結（jié）果與實測結果對比
可見，ANSYS計算結果與溫度傳感器的數據獲取結果大致吻合。可根據ANSYS分析結果，求得底板受（shòu）火時間（jiān）為1h、1.5h，空心板梁中間鋼絞線（不（bú）考慮混凝土爆裂）的溫度變化曲線如下：
圖7 空心板（bǎn）梁鋼絞線溫度變化曲線
在空心板梁底板受火（huǒ）時間為1h、1.5h，鋼絞線經曆的最高溫度分別為319℃和398℃。根據式1計（jì）算得知，鋼絞線極限強度分別折減為原來的93.9%和81.4%。
火損後梁體間的承（chéng）載差異
空心板梁加載試驗
為研究（jiū）火損後空心板梁實際（jì）承載力的大小，在試驗（yàn）室內利用反力架（jià）分別對四片梁進行加載試驗，加（jiā）載方式為兩點對稱加載，兩加（jiā）載點間距3m，布置（zhì）時僅使用一個千斤頂，利（lì）用分（fèn）配（pèi）梁將單個千斤頂的壓力均（jun1）分至兩個加載點（diǎn）。千斤頂與反力架（jià）之間設有壓力傳感器，從而準（zhǔn）確測得加載力的（de）大小。加載設備布置如圖8所示：
圖8 空心板梁加載試驗示意（單位：cm）
加（jiā）載的同時，對空心板梁跨中撓度也進行了實時測量。通過加載試（shì）驗，得到各片梁最大承載力及對應的撓度大小，如表1所示。
各片（piàn）梁加載過程（chéng）的荷載—位移曲線如圖9，加（jiā）載過程如下：
圖9 空（kōng）心板梁加載試驗荷載-撓度曲線
(1) 1#梁分級加載（zǎi）至混凝土頂板壓碎，未有異常現象。
(2) 2#梁（liáng）加載至1#梁破壞荷載的97%後（hòu）人為終止加載(考慮後期吊裝清（qīng）運的安全（quán）)。可以判斷，2#梁還有繼續加載的空間，其抗彎承（chéng）載（zǎi）能力相比1#梁沒有大幅降低。
(3) 3#梁加（jiā）載至328kN(1#梁破壞荷載的70%)時鋼絞線發（fā）生斷裂，繼（jì）續加（jiā）載時隨即又（yòu）發生兩次鋼絞線斷裂，千斤頂的壓力值從328kN降至259kN。
(4) 4#梁加（jiā）載（zǎi）至（zhì）354kN時有一根鋼絞線斷裂，且斷裂的鋼絞線正是受火過程中外露的一根。繼續加載至1#梁破壞荷載的90%(422.7kN)時終止加載。
從圖9中可以看出，火損後空心板梁彈性階段的截麵剛度（dù）有所下降，三片火損梁彈性階段的撓度（dù）斜率明（míng）顯大於對照梁。這是由（yóu）於彈（dàn）性階段板梁為全截麵參與工作，火損中底板（bǎn）混凝土（tǔ）的剝落及爆裂直接削弱（ruò）了截麵。同時，混凝土內部微裂縫（féng）的發展，都會使梁體的截麵剛度降（jiàng）低，並且火損時（shí）間（jiān）越長，爆裂越嚴重，火損後梁體的截麵剛度越低。
火損後承載力分（fèn）析
本次試驗采用僅對梁體底板單（dān）麵（miàn）加熱的方式，由於混（hún）凝土良好的隔（gé）熱性能，其腹板和頂板的溫度變化幅度（dù）有限（xiàn）。同時，板梁受高溫影響（xiǎng）的底板區域在加載時屬於受拉區，在分析梁（liáng）體極限承載力時，通常忽略此區域混凝土的作用，故而（ér）要準確評（píng）估梁體（tǐ）火（huǒ）損後的極限承載力，關鍵（jiàn）是對預應力鋼絞線的強度折減進行分析。
2#梁受火時間（jiān）為1h，根據火損試驗溫度（dù）場分析結果，鋼（gāng）絞線經曆的最高溫度為319℃，強度折減為原來的93.9%。因此，2#梁的試驗結果驗證了火災中若（ruò）鋼絞線溫度較低，則（zé）空心板梁在高溫冷卻後，抗彎承載能力降低幅度（dù）較小。
3#梁理論上經曆的最高溫為398℃，但由於（yú）其底板受火過程中發生（shēng）大（dà）範（fàn）圍的（de）混凝土爆裂，使（shǐ）鋼絞線受火溫度較高，強度折減較大。4#梁由（yóu）於隻（zhī）有一根鋼絞線因混凝土爆裂而受火溫度較高，其他鋼絞線強度折減較小，故而（ér）在此（cǐ）根鋼絞線斷裂後，4#梁仍具有較大的承載力（lì）。3#梁與4#梁雖受火時間相同，但因受火過程（chéng）中底板混凝土（tǔ）爆裂（liè）程度的差異，致使火損後兩片梁的剩餘承載（zǎi）力大小也發生較大差異。
針對三片預應（yīng）力混凝土空心板梁的火損試驗，進行空心板梁內（nèi）部的溫度場分析（xī）。再結合空（kōng）心板梁火損後的加載試驗結果，與對照梁的加（jiā）載試驗結果進行比較，對火損後空心板梁的剩餘承載力進行分析。可以看出，預應力混凝土空心板梁受火（huǒ）損後，在加（jiā）載的彈性階段，其截麵（miàn）剛度會有所降低，並（bìng）且火損時間越長，混凝（níng）土爆裂越嚴重，火損後梁體截麵剛（gāng）度降得（dé）越低。空心板梁（liáng）底板受火時，若混凝土爆裂輕微，可根據溫度場分析判斷鋼絞線（xiàn）的最大過火溫度，從而對空心板梁的剩餘承載（zǎi）力進行評估。空心板梁底板受火時，相比於受火時間，混凝土爆裂對空心板梁火損後剩餘承載力大小的影響更大。火災中混凝土爆裂，嚴重時甚至導致鋼絞線外露，會使鋼絞線過火溫度較高，從而（ér）導致火損後板（bǎn）梁的承載能力明顯下降。
針對預應力混（hún）凝土空（kōng）心（xīn）板梁底板受（shòu）火過程中出現混凝土爆裂的現象，在溫度場分析時，應計及混凝土爆裂對空心板梁內部溫度場的影響，以準確判斷（duàn）鋼絞線所經曆的最高（gāo）溫度，從而對梁體的剩（shèng）餘（yú）承載（zǎi）力作出正確（què）的評估。
本文刊載（zǎi） / 《大橋養護與運營》雜誌 2021年 第3期 總第15期
作者（zhě） / 金世安 劉其偉
作者單位 / 江蘇泰州大橋有（yǒu）限（xiàn）公司
東南大學交通學院
