鐵路橋梁墩身表面裂紋整治及安全性分析

李　濤

(中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上?！?00070)

鐵路橋梁墩身表面裂紋整治及安全性分析

李濤

(中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海200070)

摘要：針對某鐵路特大橋在施工過程中出現(xiàn)的部分墩身表面裂紋，分析裂紋發(fā)生原因，應(yīng)用靜、動力分析方法對橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評估，得出墩身表面裂紋對墩身強(qiáng)度及剛度等設(shè)計控制因素影響較小、不影響橋墩正常使用的結(jié)論，提出結(jié)構(gòu)加固整治措施并付諸實施。建成后進(jìn)行的行車檢測表明，橋梁結(jié)構(gòu)安全，完全滿足運營要求。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁；橋墩；裂紋；加固

1概述

某線鐵路特大橋跨越運河，全長3 512.94 m，雙線Ⅰ級鐵路，客車設(shè)計速度為120 km/h，中一活載。主跨為64 m下承式鋼桁梁，道砟橋面。引橋為32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，共105孔。橋墩為雙線重力式圓端墩，橋臺為雙線T臺。

本橋2009年8月動工建設(shè)，2013年6月建成通車。在施工過程中，發(fā)現(xiàn)主墩墩身及部分引橋墩身表面出現(xiàn)裂紋。經(jīng)檢測及成因分析，對橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全性評估，提出了加固整治措施并付諸實施。建成后進(jìn)行了行車檢測，結(jié)果表明橋梁結(jié)構(gòu)安全，完全滿足運營要求。

2橋墩工程

主橋橋墩(57、58號)為圓端形重力式混凝土墩，縱向?qū)?.3 m，橫向?qū)?5.6 m，高8.4 m；引橋橋墩為圓端形混凝土墩，縱向?qū)?.8 m，橫向?qū)?.3 m，高度0.1～5.3 m；橋墩頂帽均采用C30鋼筋混凝土，墩身采用C30混凝土；基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，主墩樁徑1.25 m，引橋墩樁徑1.25 m；樁長為28～54 m。墩身及托盤采用整體模板澆筑、振動棒振搗的施工方法。引橋橋墩一次澆筑，主橋墩采用泵送混凝土，兩次澆筑。

工程場地地貌單元屬海湖積平原，土層性質(zhì)為第三、第四系。樁基持力層根據(jù)不同地質(zhì)分段區(qū)，分別為⑧3層礫砂夾圓礫土、⑧4層圓礫土及弱風(fēng)化石英砂巖。區(qū)域抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計基本地震動峰值加速度值為0.05g。

3墩身裂紋及成因分析3.1裂紋性質(zhì)

(1)主橋墩身裂紋出現(xiàn)10余條，大多為豎向裂縫，分布于墩中心附近，個別為橫向裂縫。裂縫寬度0.2～1.0 mm，深度約200 mm。

(2)引橋墩身裂縫較少，一般為2～3條，豎向及斜向裂縫各半，裂縫寬0.1～0.5 mm，深度約150 mm。

根據(jù)觀測記錄，大多數(shù)裂紋在混凝土澆筑50～60d后出現(xiàn)，之后趨于穩(wěn)定，未見繼續(xù)發(fā)展。

3.2發(fā)生機(jī)理

研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)的裂紋是由材料內(nèi)部的初始缺陷、微裂紋的擴(kuò)展而引起的?；炷两Y(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)裂縫比較常見，引起裂紋的原因也很多，可歸納為由外荷載引起的結(jié)構(gòu)性裂紋，以及由溫度變化和混凝土收縮等因素引起的非結(jié)構(gòu)性裂紋兩大類[1-2]。由于本橋正處于橋墩和基礎(chǔ)施工階段，上部外荷載尚未施加，因此可判定為非結(jié)構(gòu)性裂紋，并屬于常見的收縮裂紋和溫度裂紋。

3.3裂紋原因分析

分析本橋的施工過程，判斷有以下幾方面原因產(chǎn)生了裂紋。

(1)主墩體積較大，混凝土施工時早期水化熱和水化速度相對較快，混凝土內(nèi)部早期聚集熱量較大，引起墩身內(nèi)部溫度升高，產(chǎn)生溫度應(yīng)力引起裂紋。

(2)施工時未采取原材料降溫及混凝土散熱等措施，造成混凝土內(nèi)外溫差過大，產(chǎn)生收縮應(yīng)力，造成裂紋。

(3)主墩墩身混凝土采用泵送施工方法，施工速度過快，混凝土內(nèi)部溫度快速升高，加劇了裂紋的出現(xiàn)發(fā)展。

4橋墩安全性評估

由于墩身裂紋的出現(xiàn)，可能造成結(jié)構(gòu)截面局部削弱。為確保建成后鐵路正常運營，必須對橋墩結(jié)構(gòu)計算分析，進(jìn)行安全性及耐久性評估，提出必要的加固補強(qiáng)措施。根據(jù)鐵路、公路橋涵設(shè)計及檢定規(guī)范[3-7]標(biāo)準(zhǔn)，參照類似工程病害分析方法[8-10]，選擇裂紋最多的58號主墩以及引橋28號墩，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、耐久性等方面計算分析。靜力分析時分別采用構(gòu)件分析、有限元分析兩種方法，相互驗證；動力分析時采用結(jié)構(gòu)車橋耦合動力有限元計算。橋梁建成通車后，還進(jìn)行了行車狀態(tài)下的振動測試，檢驗加固效果。

4.1構(gòu)件法計算

(1)結(jié)構(gòu)假定

對于橫向裂紋，假定墩身每條橫向裂紋沿其方向貫通、出現(xiàn)整體環(huán)裂的極端情況，計算時偏安全地僅計入裂紋深度范圍以內(nèi)墩身混凝土截面為承受荷載的有效截面。

對于豎向裂紋，同樣假定出現(xiàn)了裂紋上下、前后貫通的極端情況，按照墩身豎向裂紋實際位置，偏安全地將整體橋墩分離為多個立柱構(gòu)件的框架結(jié)構(gòu)，立柱上端固結(jié)于頂帽，下端固結(jié)于承臺。

(2)主要計算結(jié)果

按照上述最不利的結(jié)構(gòu)假定，在最大列車荷載作用下，主橋58號墩主要設(shè)計控制指標(biāo)計算結(jié)果見表1。

表1　構(gòu)件法計算結(jié)果比較

可以看出，裂紋出現(xiàn)后對設(shè)計控制參數(shù)影響很小，例如橋墩無裂紋時，混凝土最大壓應(yīng)力為0.93 MPa。裂紋發(fā)生后，橋墩混凝土最大壓應(yīng)力為1.21 MPa，較原設(shè)計增大30%，但仍遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值10.0 MPa，滿足設(shè)計要求。

4.2有限元法計算

采用ANSYS軟件建模，混凝土橋墩選用SOLID45單元[11-12]。按照前述最不利狀況考慮，橋墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

表2　有限元法應(yīng)力計算結(jié)果　MPa

注： “-”為拉應(yīng)力。

由表2可見，墩身出現(xiàn)裂紋后的橋墩應(yīng)力發(fā)生較小變化，例如豎向最大壓應(yīng)力從1.07 MPa增大至1.28 MPa，但仍遠(yuǎn)小于規(guī)范容許值10.0 MPa；主拉應(yīng)力從0.45 MPa增大至0.71 MPa，也遠(yuǎn)小于規(guī)范容許值0.73 MPa。圖1給出了橋墩豎向應(yīng)力分布情況。

圖1　橋墩豎向(SZ)應(yīng)力分布云圖

4.3動力分析計算

(1)有限元模型

車橋耦合動力計算分析時考慮了相鄰邊跨的影響，采用MIDAS軟件建模，圖2為主橋空間有限元模型。

圖2　主橋空間有限元模型

(2)列車工況

考慮準(zhǔn)高速客車和C62貨車兩種列車，16輛編組，即1DF機(jī)車+15拖車。

(3)主要結(jié)果

58號墩縱向及橫向自振頻率、橫向振幅計算結(jié)果見表3。

表3　58號橋墩自振頻率、橫向振幅對比

考慮裂紋后，動力參數(shù)變化很小，頻率變化在3%范圍以內(nèi)；橫向振幅為0.181 mm，增大97%，但仍遠(yuǎn)小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運[2004]120號)規(guī)定值0.85 mm。此外，列車減載率及脫軌系數(shù)變化也很小，例如客車以140 km/h最大速度行駛時，脫軌系數(shù)由0.153增加到0.167，增大9%，仍遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值1.0，表明列車運營安全性能良好。

上述安全性評估表明，墩身表面裂紋對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度等設(shè)計控制因素影響較小，不影響橋墩的正常使用，在保證耐久性的條件下，橋梁結(jié)構(gòu)完全滿足鐵路運營要求。

5裂紋修復(fù)及加固效果

5.1修復(fù)加固方法

由于引橋橋墩的裂紋少而淺，對其修復(fù)的主要原則是填充封閉裂紋、外側(cè)增加耐久涂層的方法，保證結(jié)構(gòu)的耐久性；主墩裂紋較多且較深，采用了更為牢固可靠的表面包箍法封閉。

對混凝土表面裂紋處理，一般有表面噴漿、樹脂膠灌補、壓漿、增加鋼筋混凝土套箍或局部拆建等方法。參照國內(nèi)外橋墩裂紋病害常用的修復(fù)方法[9-12]，經(jīng)綜合比選，引橋墩裂紋處理采用環(huán)氧樹脂膠注射封閉，墩身全表面再涂1層QX-2B型聚丙烯硅材料防護(hù)，增加耐久性效果。

主橋墩墩身處理時，鑿毛表面混凝土，外側(cè)澆筑20 cm厚C40鋼筋混凝土套箍，與墩身連成整體。水平植入φ16 mm鋼筋，間距45 cm，梅花形布置，植入墩身16 cm。外包層鋼筋網(wǎng)豎向鋼筋直徑20 mm，間距15 cm，植入承臺深度20 cm；水平環(huán)向鋼筋直徑12 mm，間距10 cm。加固后不僅提高了耐久性，還加大了墩身截面，改善了受力狀態(tài)。圖3為加固后主橋橋墩截面。

圖3　主墩加固后斷面(單位：cm)

5.2效果評估

橋墩經(jīng)過裂紋封閉處理、增加外涂層或設(shè)置鋼筋混凝土外套箍等措施后，耐久性有很大提高，完全滿足鐵路運營安全的要求。同時，與未開裂的橋墩相比，加固后的主橋墩由于外包混凝土部分使得受力截面增大并產(chǎn)生套箍作用，降低了墩身的荷載應(yīng)力，改善了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。例如，豎向最大壓應(yīng)力由原1.07 MPa降低為1.02 MPa，因此，加固后的橋墩結(jié)構(gòu)具有更大的安全儲備。

6現(xiàn)場動力檢測及安全評估

本橋建成通車后，有關(guān)部門對主跨鋼桁梁及58號墩進(jìn)行了運營狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動力檢測。在實測時速124 km/h客車及65 km/h貨車行駛狀態(tài)下，橋梁鋼桁梁和墩身自振頻率、橫向最大振幅實測值見表4。

實測各項動力指標(biāo)均在《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定值范圍內(nèi)。其中，58號橋墩橫向最大振幅為0.071 mm，還小于未考慮橋墩裂紋時的計算值0.092 mm(表3)，表明橋墩剛度增大，橋梁滿足正常運營要求。

表4　列車運營下橋梁動力指標(biāo)實測值

7結(jié)語

安全性評估表明，墩身表面裂紋對墩身剛度、穩(wěn)定、應(yīng)力、偏心限值及自振頻率等靜、動力設(shè)計控制指標(biāo)影響較小，不影響橋墩的正常使用，但應(yīng)強(qiáng)化耐久性措施。整治修復(fù)后不僅可以滿足耐久性要求，還提高了主橋墩的剛度，降低荷載應(yīng)力，具有更大的安全儲備。

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Analysis and Remediation of Railway Bridge Pier Surface Cracks

LI Tao

(China Railway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Shanghai 200070， China)

Abstract：In view of the cracks appearing on pier surface during the construction of the railway bridge， static and dynamic methods are used to analyze the root of the cracks and evaluate the safety of the pier structure. The results show that surface cracks on the pier have less effect on control factors for pier design， such as the strength and the stiffness， and do not affect the normal use of the pier. This paper puts forward structure reinforcement measures， which have been implemented. The operation test after completion shows that the bridge structure can fully satisfy the requirements for safety and operation.

Key words：Railway bridge; Pier; Cracks; Reinforcement

中圖分類號：U443.22

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.021

文章編號：1004-2954(2015)06-0093-03

作者簡介：李濤(1957—)，男，教授級高級工程師，E-mail:litao@sty.sh.cn。

收稿日期：2014-08-20； 修回日期：2014-10-16