公路配筋混凝土桥梁火灾损伤评价技术规程-编制说明

(一)任务来源本标准任务来源是根据山东省市场监督管理局印发《2019年度标准化综合改革暨“山东标准”建设项目计划》(鲁标改办发(2019)6号)的文件要求。本标准由山东省委员会(鲁TC41)归口。(二)起草单位、主要起草人及任务分工23(三)起草过程标准计划下达后，标准编制负责人于2019年6月初成立了由山东交通学院牵头、山东高速科技发展集团(单位于2021年更名为山东高速工程咨询集团有限公司)共同参与标2019年7月到9月，起草组进行了资料搜集与调研，查2019年10开始，标准起草组各成员根据任务分工，着手标准的撰写工作。2020年3月，各成员提交标准编写内容并整理完毕，形成标准初稿。2020年4月到9月，起草组先初稿。2020年10月，组织专家初稿审查会议，根据专家意4本标准征求意见阶段起止时间为2021年5月14日-2021年6月24日，历时40天。征求意见采取邮寄和电子邮箱两种方式。共发送“征求意见稿”的单位数为30家，收到“征求意见稿”后，回函并有建议或意见的单位数为30家，征求意见单位范围为全国相关企业，涉及设计、施工、检测、管养和科研机构等相关单位。共收到意见88条，采纳62条未采纳26条。通过对征求意见的采纳，完善了标准的主要内容和架构，形成标准送审稿。5.专家审查2023年3月30日，山东省交通运输厅在济南组织召开了《公路配筋混凝土桥梁火灾损伤评价标准》山东省地方标准专家审查会议，省市场监管局对审查会议进行监督指导，来自山东大学、济南大学、山东建筑大学、交通运输部公路科学研究院、山东省交通科学研究院、山东省交通规划设计院集团有限公司、山东高速建设管理集团有限公司、济南城建集团有限公司、济南交通发展投资有限公司等单位共9名专家组成了审查委员会，审查委员会听取了标准编制情况汇报，对标准文本进行了逐章、逐条审查，对标准编制说明等进行了审查。审查委员会对提交审查会的标准资料进行审查，专家提出了按照损伤评价程序调整章节顺序，明确损伤分级、分类等方面意见，同时一致同意该标准通过审查。会议要求起草单位根据审查意见对标准文本等进行修改完善后，尽快形成报批材料后上报省市场监督管理局。二、标准制定的目的和意义5配筋混凝土桥梁已成为我国公路桥梁最常用结构形式。随着国民经济和高速公路的飞速发展，交通量的增加和桥梁安全管理的欠缺，导致国内公路配筋混凝土桥梁火灾事故时有发生。桥梁火灾事故的发生，不仅对既有桥梁造成严重损坏，而且影响公路安全运营。桥梁发生火灾后，在高温作用下混凝土强度和弹性模量随温度升高而降低，严重时会导致结构开裂、剥落；混凝土内部钢筋受高温影响会导致强度降低，严重时会产生落筋，影响结构承载力和耐久性。轻微火灾也会导致混凝土表面受损影响结构耐久性和承载力。桥梁发生火灾后如何准确而迅速地鉴定评估其损伤程度，并据此提出维修、加固或拆除重建方案，以尽可能降低损失是亟需解决的首要任务，也是防灾减灾的重要组成部分，对社会和经济发展具有重要的意义。国内外关于公路配筋混凝土桥梁火灾损伤鉴定和评估尚缺乏科学的理论体系指导，火灾损伤鉴定主要依靠工程经验并借助外观技术状况进行定性评定，缺乏严格的科学依据，难以提出科学合理的处治措施。基于上述原因，亟需制定公路配筋混凝土桥梁火灾损伤评定标准，全面分析配筋混凝土桥梁火灾损伤机理，建立火灾损伤评价体系和评价方法，为合理处治火灾桥梁提供科学三、标准编制原则、主要技术内容和依据(一)编制原则适用性：标准编制严格贯彻执行国家相关法律法规和地方政策、行业标准，标准中所有规定内容均不得与现行法律法规、行业标准相违背；同时结合我国公路桥梁运营现状，6充分考虑标准使用的可行性，兼顾全社会各方利益。安全性：标准编制确保对火灾桥梁损伤评价结论满足公路桥梁安全运营的要求，避免发生次生事故并确保火灾桥梁先进性：充分借鉴国内外研究成果和先进技术标准，体现行业发展方向和科技发展水平，形成国家标准并与国际接成熟性：标准确定的检测方法、评价指标体系和评价标准，应充分借鉴国内外现有标准，确保检测评定工作能够正常开展和标准的有效实施。经济性：标准制定的检测手段充分考虑现有检测机构的检测能力，在满足技术要求的前提下尽可能降低成本；积极推广先进技术成果，做到技术先进、经济合理。(二)主要技术内容及依据1.范围标准明确了火灾后桥梁损伤评价的基本要求、检测内容、评价方法和损伤分类与处治措施。界定了本标准的适用条件与范围。2.规范性引用文件部分内容为直接引用现行标准，部分内容为借鉴现行标准，所有涉及现行标准的均已列出。3.术语和定义明确的术语和定义，是标准使用者准确理解和实施标准的前提条件。标准首先对火灾损伤与检测、结构分析、鉴定7评级、火灾损伤分类等相关概念和范围进行了明确的界定。4.基本要求标准对桥梁发生火灾后的交通组织、检测评价、损伤等级、鉴定流程及加固设计进行了明确界定，对初步鉴定和详细鉴定的主要工作内容进行了明确要求。基本要求的确定主要是依据了国家相关标准和文件的要求和精神，结合管养和检测单位的需求而制定。5.调查与初步鉴定(1)主要技术内容制定了桥梁火灾后调查和检测的内容和范围，桥梁部件表面火灾温度的确定方法，桥梁部件内部温度的确定方法。(2)关键技术指标依据标准中5.2.3:火灾中桥梁部件直接受火烧灼的结构表面曾经达到的温度与范围，应根据混凝土表面颜色、裂损状况及锤击反应等，按照附录A中表A.1确定；对直接受火部件的当量标准升温时间，应根据混凝土表面颜色、裂损状况和锤击反应等，按照附录A中表A.2确定。制定主要依据如混凝土材料一旦经受火灾，其物理化学性质将会发生变化，为了更好的探索不同温度场对混凝土自身结构的损伤，需对高温后的混凝土进行外观分析。①试验方法本次试验试件的制作和养护在济南金曰公路工程有限公司一预制场加工完成，试件的高温试验在山东交通学院化8功率为45kW,电压380/220V,最高工作温度1200℃,炉膛尺寸为325×200×125mm,温度控制采用PID自动控温，预定温度时，恒温10分钟。500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃的凝土在高温作用下会发生颜色的改变，在100℃~200℃时，不留痕且声音响亮；温度在接近300℃时，混凝土表面发生颜色变化，由浅灰色变成暗灰色；温度升高到350℃-500℃锤击留有痕迹，声音较响亮；温度升高到500℃-700℃后，混凝土颜色为浅灰白-浅红，角部混凝土剥落并出现裂缝，锤击留有痕迹，混凝土粉碎和塌落且声音发闷；温度达到当温度达到900℃时，混凝土的表面颜色变为浅黄色且伴有白色(见图1),此时混凝土表面浆体变得松散并脱落，表9度在900℃-1100℃时，混凝土的表面颜色变为浅黄色显白标准中5.2.4:火灾后桥梁部件截面内部曾经达到的温①试验概况试件制作：预制混凝土试件强度等级为C40和C合比见表1),试件采用自主研发的多功能混凝土成型试模100mm×100mm×100mm立方体试件进行抗压强度验算。表1混凝土配合比设计砼强度水泥标号水灰比设计配合比重量比525普硅水泥多功能成型试模温度场测定试件制作：混凝土采用C40混凝土，钢绞线采用1860级、直径为15.2mm预应力钢绞线，试件截面尺寸为200mm×200mm,试件长度分别为60d、70d、80d、90d、100d(d为钢绞线的直径),试件两端分别预留500mm和200mm,用于安装百分表和应变片测定受力状态。试验装置及测点布置：本实验采用六种规格的温度传感器和中长图彩色无纸记录仪采集在实验过程中温度场数据。温度传感器采用测温量程为-10℃-12000℃的福镍硅型温度传感器(见图3),按照不同的受火深度，温度传感器埋置在预先设计好的位置。为了能够采集到不同深度的温度随时间变化情况，按照距离受火面分别为0mm,20mm,40mm,60mm,80mm,100mm,120mm,140mm,160mm,180mm,200mm埋设测点，把传感器预先均匀埋置在预定的位置，具体埋置情况见图4,实验采用单面受火。图3温度传感器和无纸记录仪图4传感器埋置示意图图5火灾试验箱模拟火灾的实验装置采用自主设计研发的火灾试验箱(见图5)。该实验装置可以有效地模拟公路桥梁现场的实际火灾状况，以柴油为燃料，试验温度模拟现场着火之后实际的升温情况，以此来测试混凝土内部的温度场分布。无纸记录仪具有自动记录数据和设置采样频率的优点，可以保证采集的数据准确无误。本次实验采样频率为0.1HZ。②温度场数据采集本次实验的升温曲线采用ISO834标准升温曲线，实测火炉温度与采集到的数据一致。但是由于受火面与火源中心有一定的距离，采集到的温度为ISO834标准升温曲线的0.8倍。同时对采集到的数据分析拟合得到实测表面升温曲线如图6。将预先准备好的试件放置于火灾试验箱中。为保证试件单面受火，利用耐高温砖将试件周围进行阻挡，试件受火面正对受火口的位置，耐高温砖与试件缝隙用耐高温黏土进行封堵，保证温度对非受火面不造成影响；把外露的钢筋头采用耐高温棉包裹起来以防热辐射，热传导对实验结果的影响。火灾试验见图7。考虑到现实中桥梁如果发生火灾事故，一般在90min内所以本实验试件受火试件最长燃烧时间为90min。工况序号工况名称受火形式受火时间1单面2单面3单面通过对混凝土试件进行火灾试验，分别得出火灾历时图8-图11。图8试件燃烧60min各测点温度-时间曲线图8为混凝土试件经历火灾60min后试件不同部位温度变化图。由图中可知：在距离火灾面2cm处，火灾前5min升温曲线基本为线性增长，5-10min温度处在100℃左右基根据试件60分钟火灾试验温度-时间曲线图可知：配筋混凝土桥梁发生火灾历时在60min以内时，混凝土表面温度温度会明显降低，在距表面4cm处(一般为钢筋中心位置)温度最高约在250℃,此时预应力钢绞线屈服强度折减系数仅为0.98、抗拉强度折减系数仅为0.82、弹性模量折减系数为0.83,可初步判定桥梁火灾历时60min内对钢筋的使用性能产生一定影响。此时混凝土抗压强度折减系数为0.90、抗拉强度折减系数为0.78、弹性模量折减系数为0.78,可初步判定桥梁火灾历时60min内对混凝土的使用性能产生一图9试件燃烧90min各测点温度-时间曲线图9为混凝土试件经历火灾90min后试件不同部位温度火灾历时35min后，升温速度明显加快；测点距受火表面距离小于4cm部位，在40min后温度急剧增高，90min后升温至约270℃;而测点距受火表面距离大于4cm的其他测点温度维持在100℃左右。由此可推断：当配筋混凝土桥梁发生火灾历时在90min时，在距表面4cm处(一般为钢筋中心位置)温度约在300℃,此时预应力钢绞线屈服强度折减系数仅为0.97、抗拉强度折减系数为0.76、弹性模量折减系数为0.72,可初步判定桥梁火灾历时90min后已严重影响钢筋的使用性能。此时混凝土抗压强度折减系数为0.80、抗拉强度折减系数为0.7、弹性模量折减系数为0.67,可初步判定桥梁火灾历时90min后已严重影响混凝土的使用性能。图10试件燃烧60min温度-受火面距离曲线图10为受火历时60min不同测点受火距离与受火时间温度分布图。由图中可知：各测点温度随受火面的变化曲线基本成反比例函数曲线，在短时间内温度曲线较为平缓；在长时间内，温度随着距离的增加而逐渐降低。图11试件燃烧90min温度-受火面距离曲线图11为受火历时90min不同测点受火距离与受火时间温度分布图。由图中可知：在火灾历时90min时温度曲线较各时刻的温度曲线逐渐靠近，在100℃时曲线较为集中。通过试件火灾试验数据整理与分析，形成不同燃烧时间下，火灾混凝土构件内部温度场分布，即附录B。混凝土材料一旦经受火灾，其物理化学性质将会发生变化，为了更好的探索不同温度场对混凝土自身结构的损伤，需对高温后的混凝土取样进行微观分析。①试验方法将高温后的试件，采用自然冷却的方式放置室温，然后用试验压力机碾碎，取一部分碎片在研钵中磨细，然后将粉末放在有机玻璃的凹格中压实，并压光表面，以备试件进在上述压溃的试件芯部和表面另选较规整的薄片4片，用专用气球干燥和除尘，气干后放在真空仪中抽真空，进行分析的试件直接作为微观分析的试件，共11组工况。图12100℃下混凝土不同放大倍数SEM图对100℃混凝土试样进行扫描电镜分析(见图12)。由图12a)可知：混凝土内部结构紧密，骨料与砂浆的界面粘结良好，存在少量裂缝；由图12b)和c)可知：水泥的水图13700℃后混凝土不同放大倍数SEM图对700℃后梁板混凝土试样进行扫描电镜分析(见图13)。由图中可知：高温后混凝土SEM照片和100℃下SEM同火灾温度下的混凝土物相特征，即附录C的表C.2。B.混凝土XRD分析图14为100℃和700℃混凝土X射线衍射分析对比图，由下图可知：混凝土在100℃和700℃,组分发生了较大的变化，各组分的峰值也明显改变。100℃时，由于混凝土的和钙矾石，此时d值为8.86。由于试件成型时间较长，表面700℃时，已无法观测到氢氧化钙和钙矾石组分，同时碳酸钙峰值较高，此时d值为3.43,说明氢氧化钙在高温下发生图14混凝土X射线衍射分析对比图通过对100℃-1100℃火灾试件的X射线衍射分析，形成(1)主要技术内容(2)关键技术指标依据标准中6.3.1:火灾后桥梁部件详细鉴定按照评价标度面状况和结构模态状况4项内容。制定主要依据如下：各指标的评定标准主要依据构件的火灾试验(本标准第5章所述),即对构件在不同火灾工况下，观察和检测构件的表标准中6.4.2:火灾后桥梁部件损伤评价标度K,应根据各评价指标的损伤状况采用加权综合评价法和单一指标控制法确定。制定主要依据如下：借鉴《公路桥梁技术状况评定标准》、《公路桥梁承载能力检测评定规程》,对评价指标的损伤状况采用加权综合评价法和单一指标控制法确定。7.火灾后结构分析与部件校核(1)主要技术内容制定了火灾过程中和火灾后桥梁结构分析应考虑的因素，火灾后桥梁部件抗力效应和承载力校核以及火灾后材料损伤的折减。(2)关键技术指标依据标准中7.2.3:火灾后混凝土强度损伤应按照附录D确定，钢筋强度损伤应按照附录E确定。制定主要依据如下：①混凝土抗压试验本次试验试件的制作和养护在济南金曰公路工程有限公司一预制场加工完成，共制作21个试件，分别进行300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃火灾升温试验，冷却方式采用自然冷却和水降温冷却，试件的高温试验在山东交通学院化学实验室进行高温，试件的抗压试验在山东交通学院力学实验室内完成。根据高温混凝土试件抗压试验结果，并参考欧洲规范及相关文献推荐的经验公式，确定不同高温下混凝土的抗压强+5.2690×10-⁶T²-0.0011Tf.₂₀-混凝土20℃时的抗压强度15)对高温后钢筋进行拉伸试验。试件加载端即MTS座动器加载头配备位移传感器，计算机数据采集系统自动收集数图16试验加载装置地下连接件和下边板连接在一起，确保试件不产生横向位移；再将加工好的上边板连接在实验座动器上，最后将钢筋锚固在上边板上，连接完毕进行试验，试验装置见图16。通过对拉伸试验结果整理与分析，形成不同温度下受力钢筋强度折减系数，即附录E的表E.1~E.2。钢绞线屈服强度指的是材料发生屈服现象时所能承受的最大应力，本实验梁采用1860级预应力钢绞线，根据需要采用国内郑文忠、张昊宇等学者通过试验得出预应力钢绞线在不同温度场下强度变化规律的研究结果，即本标准附录E的E.2。式中：fo₂(T)-预应力钢绞线Tf₂-预应力钢丝常温下的屈服强度图17不同温度场钢绞线屈服强度折减系数8.损伤分类与处治措施(1)主要技术内容确定了火灾桥梁部件的损伤分类，明确了与损伤分类相(2)关键技术指标依据本标准中8.1:损伤分类。制定主要依据如下：借鉴《公路桥梁承载能力检测评定规程》,根据火灾后桥梁部件的损伤评价标度进行分类。本标准中8.2:处治措施。制定主要依据如下：根据行业常规养护维修办法，对不同损伤分类的桥梁采取与之相应的处治措施，比如简单修补、局部加固、更换或拆除重建等。9.评价报告编制(1)主要技术内容明确了火灾桥梁损伤评价报告编制的主要内容及要求。(2)关键技术指标依据借鉴《公路桥梁技术状况评定标准》《火灾后混凝土构件评价标准》中对评价报告内容的编制要求，确定火灾桥梁评价报告编制的主要内容及要求。四、与现行相关法律、行政法规和其他标准的关系目前国内关于建筑结构火灾损伤评定标准主要包括《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS252)和《火灾后混凝土构件评价标准》(DBJ08)。《火灾后建筑结构鉴定标准》依据混凝土构件烧灼损伤、变形、开裂等情况，将火灾后混凝土构件初步鉴定评级分为4类，并提出相应的处治措施。《火灾后混凝土构件评价标准》提出火灾后混凝土构件强度采用宏观调查与微观分析相协调，现场检测与试验分析相结合的综合性评定方法，综合评定包括混凝土构件承载能力、裂缝和变形。由于建筑火灾火源、受火环境、结构材料等与桥梁火灾尚存在一定差异，无法完全套用该标准进行桥梁火灾损伤的鉴定与评价。目前国内关于桥梁性能评价的标准主要包括《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG