鐵路橋梁裂縫形成原因分析及控制措施

王 立

(中國中鐵上海工程局市政工程有限公司,上海 200063)

鐵路橋梁裂縫形成原因分析及控制措施

王 立

(中國中鐵上海工程局市政工程有限公司,上海 200063)

該文對鐵路橋梁裂縫的成因與分類以及施工防治措施進行了闡述,獲得了一些有益結(jié)論。

鐵路橋梁; 耐久性; 成因與分類; 控制措施

長期以來,鐵路在我國社會經(jīng)濟發(fā)展的作用是巨大的,鐵路極大地方便了人們的出行和大量貨物的輸送,促進了我國各個城市的發(fā)展。為了跨越江河,出于經(jīng)濟效益的考慮,在路線中設(shè)計建造了大量的橋梁工程,各類型的橋梁均有,如斜拉橋、懸索橋、連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋、拱橋、簡支梁橋等等,既有預應力鋼筋混凝土拱橋,也有栓焊結(jié)合與全焊的鋼橋,在橋梁的設(shè)計、施工、運營期間有可能產(chǎn)生裂縫。鐵路橋梁的荷載形式與公路橋梁有很大的區(qū)別,動力特性更加顯著,對裂縫的控制要求更加嚴格,只有這樣才能很好地保證橋梁的正常使用與運營的安全性。

隨著橋梁使用年限的不斷增加,加之前期設(shè)計的荷載與當下列車及貨物等產(chǎn)生的荷載不同,一些混凝土橋梁產(chǎn)生了裂縫。由于水、腐蝕介質(zhì)的不斷入侵,裂縫不斷變大,進一步降低了結(jié)構(gòu)的耐久性與承載能力,這樣會導致預應力長期處于高應力工作狀態(tài),同時也會發(fā)生應力腐蝕。鐵路橋梁的車輛行車速度快,橋梁動力特性顯著,對裂縫較為敏感,對剛度要求較高,因此在設(shè)計施工運營階段都應加強對裂縫的控制與處理,以保證列車行駛的安全性與舒適性。

1 裂縫的成因與分類

實際的橋梁結(jié)構(gòu)比設(shè)計狀態(tài)的受力與環(huán)境更加復雜,很多橋梁結(jié)構(gòu)在施工控制、材料選擇、養(yǎng)護維修等方面存在很大的問題,往往導致橋梁結(jié)構(gòu)很早就出現(xiàn)了裂紋,比如預應力鋼筋張拉次序選擇不當造成預應力梁的開裂,施工時間選擇不適宜使橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差過大而開裂。一般地,可以將橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫分為結(jié)構(gòu)型與非結(jié)構(gòu)型裂縫。前者是由于受力引起的,而后者主要是由于施工與氣候等非受力因素引起的。

1.1 荷載產(chǎn)生的裂縫

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,車輛運輸?shù)馁|(zhì)量也比原來大,往往超過了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用的荷載規(guī)范值,橋梁結(jié)構(gòu)由于車輛超載而發(fā)生裂縫。若對車輛超載不進行控制、橋梁結(jié)構(gòu)也不進行維修加固,那么橋梁的裂縫將進一步發(fā)展,勢必嚴重影響行車的安全性與舒適性。常見的由荷載引起的裂縫有彎曲裂縫、剪切裂縫(支座附近)、斷開裂縫(受拉引起的)、扭曲裂縫等。

1.2 溫度效應產(chǎn)生的裂縫

混凝土的抗拉強度低,當結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度顯著變化時,混凝土將發(fā)生變形,加之很多情況結(jié)構(gòu)是超靜定的,變形將受到約束,結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生溫度次應力。當溫度次應力超過混凝土的抗拉強度時結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生裂縫,裂縫寬度較細,且縱橫交錯。在拆模前后、大體積混凝土的施工時,易產(chǎn)生溫變裂縫,表面裂縫沒有固定的走向,而深層的裂縫往往與主筋走向相同。

1.3 收縮與凍脹產(chǎn)生的裂縫

隨著混凝士水分的散發(fā),結(jié)構(gòu)會發(fā)生塑性收縮和縮水收縮(干縮),混凝土收縮會產(chǎn)生拉應力,當拉應力比混凝土的抗拉強度低時會產(chǎn)生收縮裂縫,這種裂縫是不規(guī)則斜裂縫,比較容易在橋梁橋墩中出現(xiàn)。由于開裂面積大,隨著一些雨水及腐蝕介質(zhì)的侵入,加之在冬季雨水結(jié)冰會形成膨脹應力體積會膨脹9%,從而加速結(jié)構(gòu)的破壞,對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋與預應力鋼筋將產(chǎn)生嚴重的損害。冬季施工時,對預應力孔道灌漿后若不采取保溫措施,將可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫,給后期預應力的工作留下安全隱患。

1.4 鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫

由于混凝土施工質(zhì)量較差或在設(shè)計時對混凝土的保護層取值太小,在實際的橋梁環(huán)境中,混凝土結(jié)構(gòu)會被CO2侵入而碳化以及海洋附近的腐蝕氣體與氯離子的侵入,使鋼筋逐漸被銹蝕,而銹蝕的鋼筋表面將產(chǎn)生Fe2O3從而增大鋼筋體積,使混凝土的裂縫進一步被擴展,同時保護層也會剝落。對于處于高應力的預應力鋼筋更加危險,擴展更加迅速,導致結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸減小,嚴重威脅結(jié)構(gòu)的使用安全性。

1.5 施工與材料引起的裂縫

對于混凝土結(jié)構(gòu),施工工序?qū)α芽p的產(chǎn)生有重要的影響,如預應力的張拉順序、大體積混凝土施工順序(橋梁墩臺基礎(chǔ)等施工)、起吊點的設(shè)置與運輸堆放等等,處理不當就可能會產(chǎn)生施工裂縫,嚴重時可能釀成工程安全事故,給乘客生命財產(chǎn)與國家經(jīng)濟帶來嚴重損失,影響整個工程的施工進度與鐵路運營通車時間。施工人員對橋梁施工的具體流程不熟、對起吊的預制梁隨意設(shè)置起吊點、未達到混凝土強度的70%就張拉鋼筋、拆除支架的順序不合理,這些都會造成施工不當。

很多的橋梁都采用了鋼筋(預應力鋼筋)、混凝土兩種材料來建造,但是材料的質(zhì)量優(yōu)劣、原料的制備與選取也都直接影響到結(jié)構(gòu)的耐久性,如配制混凝土時氯離子含量的控制好壞就是一個重要因素。很多施工單位為了追求利益的最大化和進度,往往選擇一些質(zhì)量不合格或質(zhì)量較差的原材料,甚至一些施工管理人員對進入施工現(xiàn)場的施工材料也疏于檢測,使施工材料遠遠達不到設(shè)計的要求。施工材料選擇不合理主要有水泥體積安定性不合格,水泥強度不足,水泥中堿性氧化物與砂石中云母超標、級配不良。

2 鐵路橋梁裂縫的施工防治措施

隨著許多鐵路線路的修建,大量的橋梁被建造,在建造與運營過程中出現(xiàn)了大量裂縫,國內(nèi)外許多專家學者對混凝土結(jié)構(gòu)開裂的原因進行了大量的研究和探討,針對這些開裂原因也提出了一些具體的措施與方案,獲得了較好的效益。在實際的設(shè)計與施工中,應采取防治結(jié)合的方針,將混凝土橋梁的裂縫消除在萌芽之中,對于難以避免的裂縫則及時地采取有效措施進行處理,以免裂縫進一步擴大,影響結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。在混凝土橋梁的設(shè)計中要合理地布置結(jié)構(gòu)與鋼筋,在進行施工前,應根據(jù)當?shù)氐臍夂颦h(huán)境條件制定好混凝土澆筑與振搗、養(yǎng)護方案。

2.1 荷載引起的裂縫控制措施

在施工階段對施工機具與材料進行合理放置,對預制結(jié)構(gòu)的吊點進行合理設(shè)計,加強施工階段的管理與工程監(jiān)理,將一些施工工程易導致混凝土橋梁開裂的因素消除在萌芽之中。由于鐵路橋梁的荷載較大,結(jié)構(gòu)的動力特性明顯,在設(shè)計中應加強結(jié)構(gòu)的疲勞強度與穩(wěn)定性驗算,不得隨意在橋梁結(jié)構(gòu)中鑿槽、開洞、設(shè)置牛腿等,從而避免橋梁在荷載作用下應力集中而引起裂縫。

2.2 溫度裂縫的控制措施

施工過程中由于晝夜溫差較大與結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度變化不均勻,極易產(chǎn)生裂紋,在施工過程中減少使用水化熱比較大的、體積安全性不良的水泥。在施工過程中應采取有效措施以控制混凝土澆筑時的溫度,諸如:對于大體積混凝土可以采取分層分段澆筑,用水降低拌合前混凝土的澆筑溫度,在寒冷季節(jié)與地區(qū)施工時采取保溫措施等等。

2.3 混凝土收縮裂縫與表面龜裂的控制措施

在施工材料的選擇時應避免選擇一些收縮大的水泥如礦渣水泥、快硬水泥等,而應該選擇普通水泥與火山灰水泥等這類收縮性小的水泥,同時選擇合適的骨料、水灰比、摻外加劑進行混凝土的配制,采用機械振搗方式使混凝土振搗密實,注意混凝土后期的養(yǎng)護工作,以避免混凝土的收縮裂縫的形成。為了有效地防止混凝土表面現(xiàn)象的發(fā)生,施工單位應采用低水化熱水泥品種,減小水泥用量,盡量縮短拆模時間,同時在拆模后采取一定的包裹措施,使混凝土表面的溫度變化小以減小熱脹冷縮,進行澆水養(yǎng)護28天,減小混凝土的水分流失速度。

2.4 施工裂縫的控制措施

施工單位應有一個完善的質(zhì)量保證措施,因施工質(zhì)量優(yōu)劣將可能直接導致裂縫的形成,影響橋梁的結(jié)構(gòu)的正常使用,況且鐵路橋梁對線形要求較高,列車的時速較快,荷載較大,動力特性顯著,在施工中更應該加強混凝土裂縫的管理與控制,監(jiān)理單位加強對一些易產(chǎn)生裂縫的部位檢測。在施工中合理安排施工節(jié)段的先后施工順序,科學地搭設(shè)支架避免一些塑性沉降裂縫的形成,混凝土澆筑完成后應加強混凝土養(yǎng)護以保證施工質(zhì)量。在進行施工材料選擇時應嚴格控制混凝土配制中各成分的比例與氯離子含量,同時也應該避免堿骨料反應,采用一些添加劑改善混凝土的各項性能,如抗拉強度、和易性、收縮性能等。選擇體積安定性良好的水泥,嚴格控制水泥中堿性氧化物的含量,選擇級配良好的骨料進行混凝土拌合。

3 結(jié) 語

大量的各類型的橋梁應用于鐵路建設(shè)中,極大地促進我國鐵路建設(shè)與發(fā)展。在鐵路設(shè)計、施工、運營中,有不少橋梁由于各種原因產(chǎn)生了裂紋,其中列車對鐵路線形要求較高,橋梁的動力響應明顯。有些裂縫是由于荷載產(chǎn)生的,有一些是由于材料選擇不適當?shù)确呛奢d因素引起的,在設(shè)計時合理選擇荷載值,同時考慮未來幾年內(nèi)線路列車荷載與速度的發(fā)展,在施工中加強裂縫控制與運營后期的橋梁養(yǎng)護維修工作,以保證列車運行的安全性與舒適性,提高橋梁的使用壽命與耐久性。該文對鐵路橋梁裂縫的成因與分類以及施工防治措施進行了闡述,獲得了一些有益結(jié)論,希望對今后鐵路橋梁裂縫的控制措施具有一定參考價值。

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Formation Cause Analysis and Control Measures of Railway Bridge Cracks

WANG Li
(Municipal Engineering Co,Ltd,CREC,Shanghai 200063,China)

This paper introduced reasons and classification and construction prevention measures of railway bridge cracks,and got some useful conclusions.

railway bridge; the durability; reasons and classification;control measures

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.06.019

2014-08-10.

王 立(1985-),工程師.E-mail:383972318@qq.com