火损后预应力混凝土空心板梁检测、评估与加固技术研究

火灾在短时间内产生高温并对桥梁结构造成损伤,一般虽不致使桥梁立即倒塌,但却降低了其安全性、适用性和耐久性,使其无法继续正常使用。火灾后,必须及时、科学地对受损结构构件进行损伤评估,才能为火损后桥梁的处治对策提供可靠的理论与数据支持。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。在受火过程中板梁底板混凝土可能会发生爆裂情况,可能导致钢筋及钢绞线外露,直接承受火焰的炙烤。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。根据实测的火损后预应力混凝土空心板梁剩余承载力大小,采用粘贴碳纤维布方式对空心板梁进行加固,研究该加固方法的实际加固效果。结果表明: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。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。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。     

考虑防火涂料的PC箱梁时空温度场及刚度退化试验研究

为了明确涂有防火涂料的预应力混凝土（PC）箱梁火灾温度场及火灾后的刚度退化性能,针对3片有、无膨胀型防火涂料的PC简支箱梁开展了火灾模型试验研究。基于预应力混凝土梁受火性状推导了刚度衰变率与挠度衰变率关系方程,通过分析混凝土箱梁截面时空温度场分布状态,基于分区域理论提出了一种PC箱梁受火损伤后初始截面等效刚度简化计算方法,并基于自振频率推导了受火梁动刚度计算公式;对模型梁进行了火灾后的静力逐级加载和动力性能试验,分析了受火梁挠度、频率等静、动力参数的变化规律,研究了受火损伤状态对箱梁静、动力特征参数的影响;基于理论计算和试验数据对比分析了受火梁静、动力刚度在不同损伤状态下的退化规律。研究结果表明：膨胀型防火涂料的使用显著降低了预应力混凝土箱梁的高温敏感性,混凝土温升速率明显下降,大幅降低了混凝土结构温度,有效减少了混凝土结构开裂和爆裂现象;受火试验梁的截面静刚度随荷载增加而逐渐减小,且初始损伤越大,进入弹塑性阶段发展越快,越早达到结构极限承载力;初始损伤状态对结构截面静刚度的影响大于对结构动刚度的影响,且截面静刚度衰减速率比动刚度衰减速率更快。提出的受火梁静、动刚度及固有频率的简化计算方法可为火损箱梁的结构静、动力性能初评估提供理论依据。     

隧道火灾后衬砌残余强度的试验研究与分析

本文采用不同火灾温度场和不同燃烧时间对隧道衬砌材料和构件进行实际烧损的试验手段，探讨了衬砌在高温作用后力学性能的变化规律和衬砌损伤程序与截面残余强度之间的关系，据此提出了隧道衬砌残余强度的分析计算方法以及衬砌之灾损伤等级地划分标准和有关指标。     

火灾下混凝土空心板温度场及损伤规律研究

为分析火灾下混凝土空心板温度场分布变化，研究其结构受火损伤规律，从服役多年的空心板桥上截取长2.6 m的梁段，按ISO 834标准规定的升温曲线对其进行180 min的明火高温试验，通过预埋温度传感器实测获得空心板梁段温度场随受火作用时间的分布变化规律。在此基础上，结合统计得到的混凝土热工参数代表值、火灾试验升温加热过程和空心板实际受火热边界条件，对梁段的温度场进行有限元数值仿真分析，并将温度场理论计算结果与实测结果进行比较，分析温度场计算偏差的主要原因，探讨温度场有限元模型参数合理取值。采用300℃、500℃和800℃等温线法分别计算火灾下空心板的截面缩减系数。基于最小二乘法拟合得到空心板截面缩减系数与受火作用时间关系，对其火灾下截面损伤进行多项式量化。研究结果表明：空心板内部在试验前期升温速度较快，后期趋于平缓；同一时刻下，空心板内部温度沿梁高方向非线性递减，且梯度逐渐降低；空心板温度场有限元数值仿真结果与实测结果接近；所提出的热工参数代表值合理；空心板截面高度对其受火损伤范围影响不大；火灾下混凝土空心板截面缩减系数随受火时间呈二次抛物线递减，并随梁高递增。该研究成果可用于类似桥梁火灾下的温度场仿真分析和损伤状况评估。     

预应力混凝土空心板梁火灾损伤特性研究

为探究火灾对预应力混凝土空心板梁受力性能的影响机理,制作10片跨径13 m的预应力混凝土空心板梁进行火灾模拟试验和火灾后的静力加载试验,分析火灾过程中及火灾后的试件状态、梁体内部温度及火灾后的剩余承载能力。结果表明:火灾初期梁体受火面混凝土会随机性爆裂,爆裂削减了钢绞线的混凝土保护层厚度,导致钢绞线火灾中温度显著升高;随着火灾时间增长,梁体腹板中部出现竖向裂缝,梁体逐渐下挠,内部温度逐渐升高,但高温影响区主要集中在距受火面10 cm以内。火灾后梁体剩余承载能力跟火灾持续时间有一定的关联性,但关键取决于火灾中钢绞线经历的最高温度;钢绞线的混凝土保护层爆裂越严重,保护层厚度越薄,钢绞线经历的温度越高,火灾后梁体承载能力损失越严重。     

某混凝土公路桥火灾后损伤评定

为给火灾后桥梁的维修加固提供合理意见,需先对灾后桥梁进行损伤评定。以某受火混凝土公路桥为研究对象,根据混凝土表观检测进行受损区域划分,初步确定构件不同区域受损程度。采用碳化深度及回弹检测法分析确定各区域的受火影响范围和深度。进行构件不同区域表面过火温度的分析,推定混凝土内部温度,在此基础上进一步推定出混凝土及钢筋力学性能的退化情况,最后对桥梁性能进行损伤评定。经评定分析该公路桥受火最严重的箱梁底板及桥墩评定为Ⅲ级中度烧灼,对结构安全和正常使用有不利影响,应采取相应加固维修措施。     

预应力混凝土空心板梁火灾中行为特点的试验研究

桥梁结构遭受火灾时内部会产生不均匀的温度场,温度场的分布及其随时间的变化十分复杂。开展室内火灾试验,使3片足尺预应力混凝土空心板梁经受不同程度的火损,探究试验梁的温度场分布、梁体变形以及应力应变的变化规律。3片试验梁在相同的火场温度(仅受火时间不同)下进行火灾模拟,各片梁的爆裂程度却不相同,在进行温度场计算时需考虑每片梁的混凝土爆裂程度。借助有限元软件ANSYS模拟梁体的温度场时考虑实际爆裂情况,得到的计算结果与试验数据吻合度较好。各片梁经受火灾时的应变变形具有相似的规律性,借助有限元软件ABAQUS得到梁体的受力和变形计算模型,计算结果显示在火损时间小于1 h时,模型与实测吻合较好,可用于分析大部分的实际火灾情况。     

盾构隧道管片及接头耐火试验

盾构隧道衬砌由预制钢筋混凝土管片通过螺栓连接拼装而成,存在很多薄弱接头,这使其在火灾高温条件下会呈现出更加复杂的力学响应。因此,为了获取盾构隧道管片及接头高温下力学性能,对7组足尺管片试件进行了火灾试验,研究了火灾类型(ISO834、HC及RABT标准升温曲线)、管片类型(标准块、标准块接头及封顶块接头)和密封设置对盾构隧道管片在火灾高温下力学性能的影响。试验结果表明：①在较快的升温速率和较高的温度下,管片受火面混凝土发生严重剥落,导致大量钢筋外露,影响盾构管片高温下承载力,威胁盾构隧道衬砌结构安全;②当各试验距受火面25 mm处混凝土温度均超过《建筑设计防火规范》规定的耐火极限判断标准时,试验管片变形较小且未出现破坏现象,可知仅将温度作为隧道内承重结构体耐火极限判定依据较片面和保守;③管片接头处手孔密封设置及接缝密封设置分别对连接螺栓螺母和螺杆起到了很好的保护作用,但对止水条的温度变化趋势和特征影响不大;④混凝土严重剥落导致的管片厚度减少、大量裂缝产生造成的管片完整性下降以及混凝土水分受热蒸发留下的与外界贯通的毛细孔道均严重降低管片的抗渗性能。     

某预应力混凝土连续梁桥火损评估与加固

某大桥靠岛岸侧的5×35m连续梁引桥于2012年某日凌晨3时左右遭受火灾。为恢复该桥的使用功能,针对火损后的桥跨进行现场检测,并结合火场温度和结构温度场的模拟分析,对结构的受损程度进行综合评定。结果表明箱梁表面有较大面积的混凝土崩落,且造成钢筋外露,受火灾影响最为严重的是内侧翼板处,因火损导致8根横向预应力钢绞线外露。在此基础上针对箱梁混凝土火损后剥落采取砂浆修补或灌注并结合粘贴锚固钢板的措施;针对翼板横向预应力火损采取增设钢结构隔板的措施;针对结构整体采用张拉粘贴预应力碳纤维板的措施进行维修加固。经试验评定,验证了加固方案实施后的桥梁承载能力得以恢复。     

火灾下混凝土桥墩仿真分析

沪宁高速无锡段某预应力混凝土桥发生以粗苯为燃料的突发性火灾,该桥因此受到严重损伤.对处于核心受火区域的该桥桥墩进行受火分析,确定桥墩内部在火灾环境下的温度场分布,评判桥墩的受损情况,同时对桥墩的加固提出相应的建议.     

火灾工况下地下共用结构中隧道顶板设计方法研究

为研究隧道、地铁和综合管廊合建结构薄弱处的抗火设计理论,保证在火灾情况下地下共用结构的安全性,以义乌商城大道车行隧道发生火灾为例,采用有限元分析软件ANSYS建立全尺寸火灾模型,利用热分析功能,研究不同火灾规模下结构温度场的分布规律,并采用理论分析的方法,对火灾后共用结构顶板极限承载力计算方法进行推导。研究结果表明:1)随火灾规模增加,混凝土径向影响范围逐渐增加,研究明确了不同火灾规模下轻、中、重度受损范围;2)提出了高温下钢筋与混凝土黏结强度、混凝土抗压强度以及钢筋屈服抗拉强度计算公式,并基于此给出了火灾后地下共用结构中隧道顶板极限承载力计算方法。     

碳氢火灾下钢-混组合梁破坏试验研究

为研究钢-混组合梁(钢结构桥梁)遭遇碳氢火灾时的耐火性能与抗火设计方法,设计制作了3榀大比例钢-混组合缩尺试验梁,包括简支体系箱形截面梁、连续体系箱形截面和双肋工字形钢截面梁。开展了碳氢火灾下(前期燃油急速升温和后期天然气维持高温)简支梁跨中受火和连续梁单跨局部受火试验,获悉了截面温度场、受火跨和非受火跨挠度变化路径、裂缝发展模式、钢板屈曲特征和破坏模式。分析得到了组合梁在碳氢火灾下的耐火极限,深入揭示了组合梁截面类型和结构体系对组合梁耐火性能的影响机理。试验结果表明:混凝土具有显著的热沉效应,火灾下钢梁的升温速率远快于混凝土板,停火后钢梁温度迅速降低而混凝土板温度持续升高,混凝土板上层的温度在停火48 min后仍然呈走高趋势;碳氢火灾下简支体系钢-混组合梁的挠度从初期就表现出快速增大的趋势,最终因挠度过大而失效;连续体系钢-混组合梁受火跨的挠度在初期增长较为缓慢,最终由于墩顶负弯矩区和跨中正弯矩区均出现塑性铰,梁转为机构体系,使得跨中挠度快速增大而破坏;连续体系钢-混组合梁非受火跨由于变形协调性先上拱,随后由于受火跨刚度衰退转向下挠;闭口截面箱梁仅外表面受火,其耐火性能显著优于双肋工字形钢截面梁,在相似荷载水平下其耐火极限分别为48 min和42 min;连续体系钢-混组合梁由于多余约束的存在,从受火开始就发生剧烈的内力重分布和变形协调,相较于简支梁,其耐火极限可提高100%;高温下连续体系钢-混组合梁出现的塑性铰与常温下的不同,是一种刚度逐渐降低的时变塑性铰。研究成果可为钢结构桥梁的耐火试验方法提供指导依据,也可为其抗火设计方法奠定理论基础。     

基于RABT火灾曲线的沉管隧道管壁一维温度场解析

海底隧道火灾高温会造成混凝土爆裂、力学性能劣化等严重后果,研究管壁结构厚度方向的温度场分布具有重要意义。结合沉管隧道遭受火灾时的实际工况建立了相应的数学模型,采用2次分离变量法求得RABT火灾曲线下的隧道管壁厚度方向的温度场解析解,最后以广东某沉管隧道为例对管壁结构不同位置和不同时间的温度场分布规律进行了探讨。结果表明:火灾高温对沉管管壁的影响深度在20 cm左右,由于混凝土材料的热惰性造成了温度传递的滞后,从而使得沉管管壁上各测点的时间-温度曲线和RABT曲线并不是严格一致,但在关键时间节点处仍有突变,且更靠近管壁受火面位置处的降温速度更快;在火灾恒温阶段时,管壁靠受火面位置处的温度仍然增长,并在95 min时达到最大值,甚至在火灾降温过程中,管壁靠内部位置的温度也一直在增长,并在125 min时达到最大值;降温结束后,管壁内部某些区域的温度呈现内高外低现象,即内部有较高的残余温度,后续仍有可能会对管节造成进一步的损伤。COMSOL数值计算结果与数值模拟结果相吻合,验证了解析解的正确性,能为类似工程提供参考。     

不同火源面积下隧道火灾温度场试验与数值模拟分析

为了探究隧道内不同火源面积下温度场的分布规律,给隧道火灾救援提供科学的理论支持,为隧道防火设计提供参考,建立1∶9的缩尺寸模型隧道,对3种不同火源面积下,隧道火灾的热释放速率、拱顶及纵断面温度场分布特征、隧道洞口火溢流分布特点进行试验研究。同时采用大涡模拟方法对以上3种火灾场景进行了数值模拟计算,并利用试验对模拟结果进行对比分析。研究结果表明:当火源面积较小时,空气充足,燃烧主要以燃料控制型为主,隧道内最高温度位于火源正上方,并沿隧道纵向向两端逐渐减小,温度分布稳定、分层明显,此时通过火灾模拟软件FDS得到的数值模拟结果与试验较为吻合;当火源面积较大时,空气较为不足,燃烧主要以通风控制型为主,在稳定燃烧阶段,火源中部的燃烧因通风受限而受到抑制,其温度明显降低,而火源两侧燃烧相对剧烈,温度较高;当燃烧进入衰减阶段,由于两侧可燃蒸气减少,火源中部因助燃物充足而再次剧烈燃烧,此时,FDS数值模拟结果能够较好反映出该场景下的燃烧情况,但相对于试验,模拟计算所获得的温升速率较快,在充分燃烧阶段火源中心的抑制作用较试验更为明显;隧道洞口火溢流的模拟结果与试验结果相一致,数值模拟能够更好地给出火羽流的结构细节。     

混凝土桥梁火灾损伤数值分析方法研究

以混凝土桥梁为研究对象,进行火灾作用下的混凝土结构损伤数值分析。首先,根据桥梁火灾特点,制定火灾热释放速率分析方法,并对桥梁火灾发展过程进行分析,建立了桥梁火灾模型。然后,采用FDS进行桥梁火灾数值模拟得到火灾温度场,并以此为基础进行了桥梁结构温度分析。最后,根据不同温度下的混凝土外观损伤特点,进行了桥梁外观损伤分析。同时,根据温度沿混凝土板厚的变化规律,建立了受火桥梁损伤深度计算方法。通过上述研究,形成了适用于混凝土桥梁火灾损伤的数值分析方法,可用于桥梁火灾损伤评估,有助于提升桥梁养护质量。     

基于计算的混凝土结构抗火设计

防火与抗火是建筑工程领域的重要问题之一。该文通过对国内外大量文献与研究成果的分析与对比,总结了国内外结构抗火研究的现状,介绍了基于计算的混凝土结构抗火设计方法,并且对火灾荷载与等效曝火时间、构件截面温度场分析、高温极限承载力的简化计算等重要内容进行了具体讨论。     

基于HC温升曲线的T梁抗弯承载能力分析

为研究预应力混凝土T梁在火灾后承载能力随延火时间的变化规律,采用ANSYS建立实体模型,通过施加不同的火灾工况,设计材料在高温下的强度折减,计算不同火灾工况下的抗弯承载力并对其安全性进行评估。结果表明,T梁在桥面受火时承载能力衰减程度低,承载力满足要求;T梁腹板底部及多面受火时,承载能力衰减速率先迅速后缓慢,在一段时间后均不满足要求。     

人工气候下腐蚀预应力钢绞线的力学性能研究

为了研究腐蚀预应力钢绞线的力学性能,通过人工气候试验箱获取了腐蚀预应力钢绞线样本,进而开展静力拉伸和电镜扫描试验,分析腐蚀对预应力钢绞线屈服强度、极限强度、极限应变及弹性模量的影响,探讨腐蚀预应力钢绞线微结构和断口变化特征,并在此基础上建立了腐蚀预应力钢绞线本构关系模型。研究结果表明:腐蚀对钢绞线力学性能的影响随着腐蚀程度而逐渐发生改变。在腐蚀率较低的情况下,钢绞线的极限应变随腐蚀率的增加近似地线性降低,极限强度轻微下降,腐蚀对钢绞线弹性模量与屈服强度影响较小;当腐蚀率增大到临界值后,钢绞线的极限应变减少较大,具有明显脆性失效特征,但对弹性模量与屈服强度的影响依然较小。钢绞线轻度腐蚀时,其本构模型可用弹性-硬化双线性模型表征,当腐蚀率超过临界值时,其本构关系转变为单线性模型。     

大件运输车载下考虑强度退化过程的钢绞线斜拉索安全评估

为实现大件运输车载下退化钢绞线斜拉索安全评估，首先，在总结已有研究成果的基础上建立了"微动-腐蚀-疲劳"损伤历程下的钢绞线斜拉索强度退化模拟方法；其次，根据斜拉索运营阶段安全性的内涵，依据可靠度理论建立了大件运输车载下的两层次安全评估方法，两层次安全评估极限状态分别对应于不满足规范要求安全储备的状态及拉索断裂破坏，明确了两层次安全评估目标可靠指标的确定方法；最后，以一个实例分析对所构建的钢绞线斜拉索强度退化模拟方法及两层次安全评估方法的应用进行说明。结果发现：采用所构建的模拟方法可顺利实现对钢绞线斜拉索强度退化过程的模拟，钢绞线斜拉索在腐蚀过程开始之前，其抗拉强度会在微动磨损进程下损失约5%，一般大气环境下，服役30年时抗拉强度退化至初始水平的约72.6%；第1层次安全评估目标可靠指标可选择为3.09，第2层次安全评估目标可靠指标的确定应同时考虑正常运营荷载及年均大件运输车辆授权通行次数的影响；考虑到大件运输车辆通过大跨桥梁时严格交通管制的艰难程度，安全评估过程应考虑正常交通荷载的影响，考虑一般运行状态或密集运行状态活载模型对安全评估结果的影响较小。所建立的两层次安全评估方法可为大件运输车载下大跨桥梁关键构件安全评估提供参考。     

公路隧道衬砌火灾损伤专用测强曲线试验研究

依托西部交通建设科技项目,针对公路隧道中常用的C30混凝土制备试块,采用不同温度、不同燃烧时间对隧道衬砌试块进行烧损试验;并通过抗压强度试验得到混凝土试块强度分别随温度与受火时间的变化规律,以及分别通过回弹试验与超声试验分别得到回弹值与温度、波速比与受火时间的关系;最后通过以上相关试验建立了公路隧道衬砌火灾损伤专用测强曲线,为以后相关试验及实际应用提供参考.