預應力混凝土梁橋過火后破壞模式

甘亮丁 王力波 郝朝偉

(1.廣東梅平高速公路有限公司 廣東梅州 514700; 2.吉林省交通科學研究所吉林長春 130021; 3.交通運輸部公路科學研究院 北京 100088)

預應力混凝土梁橋是國內最廣泛使用的橋梁類型之一，因其卓越的力學性能和便捷的建造工藝而在江、河、峽谷等各種地形中得到廣泛應用。近幾十年來，我國交通行業迅速發展，橋梁作為交通網絡不可或缺的組成部分，一旦受到損害，會導致整個交通系統癱瘓，尤其是在城市交通系統中，造成的損失是不可估量的?；馂耐ǔ１欢x為由不可控制的時間和空間內的燃燒所引發的災害或損害[1]。隨著社會生產力的提高，社會財富的不斷增加，火災損失的上升和火災威脅范圍的擴大是一個客觀趨勢?，F實表明：火災是當今世界上發生頻率較高的多發性災害之一[2-3]，也是時間和空間跨度最廣泛的災害之一。美國紐約和加利福尼亞州的交通運輸部于2008 年進行了一項橋梁坍塌事故的調查，匯總了1 746起橋梁事故垮塌的案例。研究結果揭示了一個顯而易見的事實：火災是導致橋梁坍塌事件發生的原因之一，其發生率是地震導致橋梁坍塌事件的3倍多。這一高比例迫切凸顯了對橋梁結構火災研究的重要性和必要性。

隨著科技進步和生產技術提升，我國公路和鐵路建設中，預應力混凝土梁橋的質量和數量持續提高。另一方面，隨著生活水平的改善，截至2019年6月，全國機動車總數已達3.4億輛[4]，并保持7%左右的年增長率，燃料和危險品運輸也日益頻繁。另外，近年來我國大力發展新能源汽車，新能源汽車的產業發展成為汽車行業的新向導。到2019 年6 月，我國新能源汽車存量已達344萬輛，占總數的1.37%。與此同時，新能源汽車的事故率也不斷上升，僅2019年前8個月，我國新能源汽車就發生40多起燃燒事故。此外，某些地區居民常在公路橋洞下堆積易燃物，或從事較危險的社會活動（如市場等）。由于這些不利因素，橋梁火災發生率逐年上升，對橋梁結構造成不可忽視的損害，甚至導致部分或完全坍塌，給橋梁管理和運營帶來巨大壓力。根據國內2012—2015年部分橋梁火災案例統計[2]，混凝土梁橋占事故總數90%以上，主要是預應力混凝土橋。

近年來，國內外學者專注于研究預應力混凝土結構的獨特特性，開展了較多的抗火研究，多集中于材料性能熱工性能，有效預應力損失機理、縮尺后構件抗火試驗及整橋數值模擬分析。本文結合在役橋梁真實過火后的材料性能試驗和數值模擬研究過火后預應力混凝土梁破壞機理，以期為此類橋梁的抗火實用設計方法及其維修加固等后續養護提供決策依據。

1 工程概況

空心板半平面圖及配筋示意圖如圖1和圖2所示，混凝土強度C50，底板14根鋼束，有效長度詳如表1所示，每根預應力鋼束型號為6ΦJ15.2，凈保護層厚度為49.4 mm。根據外觀檢測結果，空心板梁腹板損傷較輕，火災過程中未受火源直接灼燒，抗剪承載能力幾乎未受影響。

圖1 空心板半平面圖和半立面圖

圖2 空心板配筋圖

2 材料參數

利用頻率法測試過火后空心板有效預應力。頻率法測鋼絞線（索）永存應力的主要因素是邊界和抗彎剛度。為減小這些影響，對選取的鋼絞線進行兩次現場測試。測試時，鋼絞線長度L為1.1 m，然后從梁板上取下并用拉力試驗機測試，以修正現場測試結果。測試結果如表2所示。

表2 有效預應力測試結果 （單位：MPa）

按照相關文獻的要求，進行橋梁上部結構混凝土強度和彈性模量試件的現場取樣工作。芯樣尺寸為直徑70 mm、高度70 mm的圓柱形試樣，長徑比為1.0。測試結果如表3所示。

表3 混凝土強度試驗結果 （單位：MPa）

鋼絞線力學性能的試驗按照《預應力混凝土用鋼材試驗方法》（GB/T 21839-2019）[5]的有關規定進行，取樣長度l=0.5 m。測試結果如表4所示。

表4 鋼絞線屈服強度試驗結果（單位：MPa）

鋼筋的屈服強度、抗拉強度和彈性模量等性能都可以通過拉伸試驗獲得，拉伸試驗按照《金屬材料拉伸試驗 第1 部分:室溫試驗方法》（GB/T 228.1-2021）[6]進行。試驗現場取樣長度l=400 mm，測試結果如表5 所示。由表5可知，光圓鋼筋（箍筋）強度略有提高，2#梁光圓鋼筋強度相對于1#梁略有提高。

表5 光圓鋼筋拉伸強度試驗結果（單位：MPa）

通過材質試驗知，因1#、2#梁箍筋強度變化很小，導致破壞模式不同的原因主要是以下4 個方面：有效預應力、受拉區混凝土強度、鋼絞線強度及鋼筋（鋼絞線）與混凝土黏結力。擬通過數值模擬深入分析。

3 有限元模型

利用大型通用有限元軟件ANSYS 10.0 建立過火后空心板模型，采用SOLID65 單元模擬過火后混凝土力學行為，LINK8單元模擬過火后的鋼筋及鋼絞線（與混凝土的黏結滑移未考慮，預應力通過降溫施加）的力學行為?；炷翍?應變模型采用隨動硬化法，用于非線性分析。張開裂縫剪切傳遞系數為0.7，閉合裂縫系數為0.95，均基于經驗和試算。單軸應力-應變綜合了Hognestad 和GB 50010-2010 標準。過火后鋼絞線采用BISO 模型考慮強化效應。普通鋼筋以固定配筋率分布到混凝土單元中，避免應力集中。加載點和支座處彈性模量為混凝土的100倍。六面體映射網格劃分，總計5 918個單元和8 266個節點，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

根據相關標準和研究[7-9]可知：預應力鋼絞線的彈性模量小于700 ℃時，變化不大，當達800 ℃以后，有所下降，試驗梁保護層厚度3 cm，能夠對鋼絞線起到較好保護作用，確保在1 000 ℃溫度場中，鋼絞線溫度低于800 ℃，即高溫冷卻后鋼絞線彈性模量基本不降低，實測高溫后的彈性模量同樣也證明鋼絞線彈性模量基本不變。有研究表明：鋼絞線高溫后有限預應力、抗拉強度均與過火溫度呈正相關，均隨著過火溫度升高而降低或減少[10-11]。綜合以上因素，采用計算工況如表6 所示，表中混凝土抗拉強度采用與立方體抗壓強度回歸公式換算而來。

表6 計算工況 （單位：MPa）

4 機理分析

提取各工況接近破壞時的主拉應力及鋼絞線應力結果分別如圖4、圖5所示。

接近破壞時，工況A 和工況D 在四分之一跨的主拉應力小于跨中；工況B 和C 四分之一跨處的主拉應力與跨中基本接近，尤以工況C 四分之一跨處應力梯度更為明顯，極易導致裂縫寬度加大。對比工況A 和D 知，受拉區混凝土強度降低不是造成空心板過火后抗彎承載能力破壞機理改變的主要原因；接近破壞時，工況A 和工況B 的鋼絞線均已屈服，但工況B 鋼絞線屈服強度僅為工況A 的76.3%，所提供于彎剪區的軸壓力降低明顯，嚴重降低抗剪承載力。對比工況A、B、C 可知，造成破壞機理改變的主要原因是有效預應力減少和鋼絞線強度降低。有效預應力降低或鋼絞線提前屈服，導致能阻滯斜裂出現和開展的軸壓力降低，減少了混凝土剪壓區高度，從而降低混凝土所承擔的抗剪能力；混凝土的斜裂縫長度有所縮短，也降低了斜裂縫內箍筋的抗剪能力。

5 結語

以在役高速公路橋梁真實受火后拆除的預應力混凝土空心梁為樣本，對其進行材質試驗、數值模擬和理論分析，研究了先張法預應力空心板過火后破壞模式，結論如下：（1）隨著火災灼燒程度的加重，預應力空心板梁發生剪切破壞的概率較純彎破壞逐漸增大；（2）有效預應力及鋼絞線強度的降低是造成過火后空心板破壞模式改變的主要原因；（3）先張法預應力空心板過火后評估應采取有效手段測試有效預應力，以便準確計算剩余承載能力。