輕軌高架橋墩頂帽開(kāi)裂原因分析及加固措施

陳 焰 焰

(中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650000)

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輕軌高架橋墩頂帽開(kāi)裂原因分析及加固措施

陳 焰 焰

(中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650000)

通過(guò)檢測(cè)某地鐵高架區(qū)間既有輕軌橋墩頂帽及墊石開(kāi)裂情況，分析了橋墩頂帽開(kāi)裂的原因，并提出了四種可行的橋墩加固措施，同時(shí)分析了各種措施的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮強(qiáng)度、耐久性、外觀、工期及費(fèi)用等因素，最終選取了部分鑿除、替換墩身的加固方案。

地鐵高架區(qū)間，橋墩裂縫，臨時(shí)支撐，加固措施

0 引言

城市軌道交通建設(shè)在我國(guó)已進(jìn)入高峰期，隨著地鐵投資的加大和建設(shè)周期的縮短，既有以及新建輕軌高架區(qū)間橋梁的橋墩頂帽及墊石處發(fā)生了大量的開(kāi)裂，此類病害有蔓延加劇的趨勢(shì)，已經(jīng)嚴(yán)重影響到橋梁的使用，極大的威脅了城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的安全。

1 事故概述

事故橋墩為西南地區(qū)軌道交通某線停車場(chǎng)出入場(chǎng)線高架區(qū)間橋墩，投入運(yùn)營(yíng)兩個(gè)月后橋墩頂帽及墊石即出現(xiàn)大量裂縫，裂縫橋墩為連續(xù)梁邊跨接40 m簡(jiǎn)支梁的過(guò)渡墩，橋墩裂縫主要出現(xiàn)在墩頂頂面、正立面、側(cè)面，其中墩頂正立面裂縫最為突出，裂縫長(zhǎng)度從墩頂頂面往下1.2 m～1.3 m，寬5 cm，側(cè)面及頂面裂縫寬度相對(duì)較小，但有繼續(xù)開(kāi)裂趨勢(shì)；墊石裂縫主要為側(cè)面45°斜裂縫、橫向水平裂縫、豎直裂縫，其中橫向水平裂縫寬3 cm，并且橫向貫通，如圖1，圖2所示。

2 設(shè)計(jì)概述

該停車場(chǎng)出入段線1號(hào)～4號(hào)墩為連續(xù)梁橋墩，孔跨布置為(37.5+50+37.5)m雙線連續(xù)梁，頂寬9.0 m。橋墩、墊石采用C50混凝土，承臺(tái)及樁基均采用C35混凝土，普通鋼筋采用HRB335，HPB235級(jí)，鋼筋凈保護(hù)層厚度3.5 cm。所有橋墩支座均采用鋼支座，支座正常位移(縱向/橫向)為±100 mm/±10 mm，高度調(diào)節(jié)范圍0～+50 mm，Ag≥0.22g。事故橋墩小里程側(cè)為40 m雙線簡(jiǎn)支梁，大里程側(cè)接連續(xù)梁邊支點(diǎn)，如圖3，圖4所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況

第三方檢測(cè)單位對(duì)事故橋墩做了全面的檢測(cè)，其中包括混凝土強(qiáng)度、鋼筋保護(hù)層厚度、主筋間距、墩身裂縫長(zhǎng)度及寬度、支座安裝等。檢測(cè)結(jié)果顯示：1)墩身及墊石混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；2)墊石及橋墩的鋼筋保護(hù)層厚度遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)圖紙要求，設(shè)計(jì)為3.5 cm，實(shí)測(cè)值最大為8.6 cm；3)橋墩主筋間距離散型過(guò)大，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)為12.5 cm，實(shí)測(cè)值最大值為23.5 cm；4)左側(cè)支座偏壓變形較為嚴(yán)重；右側(cè)支座設(shè)計(jì)為ZX-3 000 kN，為縱向活動(dòng)支座，而現(xiàn)場(chǎng)安裝為橫向活動(dòng)支座。

后經(jīng)支座廠家確定，現(xiàn)場(chǎng)支座安裝有誤。

4 裂縫原因分析

4.1 產(chǎn)生原因分析

縱觀鐵路橋梁建設(shè)過(guò)程中，橋墩開(kāi)裂的事例較多，裂縫產(chǎn)生的主要原因可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：1)由于混凝土的物理、化學(xué)性質(zhì)決定了早期收縮將導(dǎo)致表面裂縫的發(fā)生。進(jìn)入硬化階段，由于橋墩頂帽混凝土體積較大，水化熱將使頂帽產(chǎn)生溫差效應(yīng)，在溫度應(yīng)力作用下，墩頂產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，這是裂縫產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。2)目前在我國(guó)，建設(shè)單位對(duì)混凝土強(qiáng)度尤其是早期強(qiáng)度提出更高的要求，各水泥廠家為滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，水泥的成分發(fā)生了較大變化，加之早強(qiáng)劑、減水劑的使用，以及由于外界環(huán)境的變化和影響，有害離子與混凝土骨料之間的反應(yīng)，更容易造成混凝土的開(kāi)裂。3)由于設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)橋墩頂帽局部受力沒(méi)有明確的變形裂縫控制規(guī)定，混凝土開(kāi)裂問(wèn)題尚未成為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，大多數(shù)設(shè)計(jì)單位普遍采用標(biāo)準(zhǔn)圖，但該原因并不明確，因墩頂設(shè)計(jì)采用多層縱橫向鋼筋網(wǎng)片一般能有效的控制裂縫的產(chǎn)生。4)車輛的橫向搖擺力、軌道的不平順影響：外部荷載在長(zhǎng)期作用下將導(dǎo)致混凝土材料在疲勞狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度的降低，裂縫更容易發(fā)展。5)由于目前施工單位的素質(zhì)良莠不齊，加之施工分包現(xiàn)象嚴(yán)重，很難保證橋墩混凝土的施工質(zhì)量。另外，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員對(duì)圖紙的解讀不夠，現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)誤操作將錯(cuò)就錯(cuò)，例如，支座安裝縱橫向反置，在連續(xù)梁端將產(chǎn)生多余約束，在溫度力、收縮徐變及列車振動(dòng)作用下，產(chǎn)生附加水平力導(dǎo)致橋墩開(kāi)裂。

4.2 事故原因分析

在排除設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致橋墩開(kāi)裂之后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和檢測(cè)結(jié)果，我們猜測(cè)橋墩開(kāi)裂可能由于支座安裝錯(cuò)誤導(dǎo)致橋墩局部受力過(guò)大，產(chǎn)生裂縫。為了驗(yàn)證這個(gè)猜測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)采用ANSYS有限元程序進(jìn)行整體計(jì)算。計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

邊界條件按照設(shè)計(jì)支座布置和錯(cuò)誤安裝支座布置兩種形式模擬，并施加整體升降溫15 ℃工況。提取事故支座支反力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 支反力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：由于連續(xù)梁的邊支點(diǎn)支座方向安裝錯(cuò)誤，導(dǎo)致連續(xù)梁的邊支點(diǎn)產(chǎn)生較大的順橋向水平力。為了準(zhǔn)確的了解連續(xù)梁邊支點(diǎn)支座安裝錯(cuò)誤產(chǎn)生的水平力對(duì)橋墩的影響，對(duì)橋墩采用空間局部模型分析，并比較了正常受力狀態(tài)和異常受力狀態(tài)的差別，異常受力狀態(tài)作用整體升降溫15 ℃工況。圖6，圖7為正常受力狀態(tài)、異常受力狀態(tài)橫橋向應(yīng)力云圖。

計(jì)算結(jié)果表明：橋墩在正常受力狀態(tài)下，墩頂橫向拉應(yīng)力最大為2.55 MPa,小于C50混凝土的容許拉應(yīng)力3.1 MPa；異常受力狀態(tài)下(僅列出升溫工況)，改變支座活動(dòng)方向，產(chǎn)生的附加支座反力對(duì)墩柱的受力影響很大。正常受力狀態(tài)下，橋墩頂部配置構(gòu)造鋼筋即可滿足受力要求。

5 整治建議方案

5.1 臨時(shí)支撐措施

施工期間的臨時(shí)支撐措施:為了防止施工過(guò)程中橋墩削弱或受力不均，造成橋墩出現(xiàn)更不利的受力狀態(tài)，施工時(shí)增加臨時(shí)支撐，通過(guò)支撐使梁體荷載托換至臨時(shí)支撐，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

具體方式為：在原承臺(tái)上設(shè)置臨時(shí)鋼支撐，采用千斤頂將梁體頂升5 mm，使得梁體荷載托換至臨時(shí)支撐。臨時(shí)支撐設(shè)置在橋墩連續(xù)梁側(cè)，采用2根鋼管柱支撐，鋼管柱支撐型號(hào)為φ609 mm×10 mm，鋼管采用法蘭盤連接，鋼管間采用槽鋼聯(lián)系。每個(gè)鋼管上布置1 個(gè)200 t液壓千斤頂，頂升過(guò)程確保同步均勻。圖8,圖9為臨時(shí)支撐立、平面布置圖。

5.2 加固方案

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，在清理橋墩橋面雜物，設(shè)置臨時(shí)支撐，卸載原墩受力后，提出四個(gè)橋墩加固方案：方案一(被動(dòng)外貼加強(qiáng))：用千斤頂將已經(jīng)變形的橋墩頂回原位，灌注環(huán)氧樹(shù)脂，外包碳纖維或貼鋼板；方案二(部分鑿除、替換墩身)：鑿除破壞部分墩身及墊石混凝土，在未鑿除部分舊混凝土墩柱上無(wú)鋼筋處植筋，澆筑橋墩混凝土，預(yù)埋新墊石鋼筋，澆筑墊石；方案三(全部鑿除、替換墩身)：鑿除墩身及墊石混凝土，承臺(tái)鑿毛，混凝土墩柱上無(wú)鋼筋處植筋，澆筑橋墩混凝土，預(yù)埋新墊石鋼筋，澆筑墊石；方案四(外包帽梁，預(yù)應(yīng)力加固)：鑿毛墩身，鑿除墊石混凝土，搭設(shè)模板，綁扎鋼筋，預(yù)埋預(yù)應(yīng)力管道；澆筑帽梁混凝土，預(yù)埋墊石鋼筋，澆筑墊石。

待橋墩強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將安裝錯(cuò)誤的支座卸下來(lái)，安裝新的支座；用千斤頂將梁體緩慢降至新支座上，拆除臨時(shí)鋼支撐。

相比而言，方案一周期短，社會(huì)影響小，所占空間小，不增加結(jié)構(gòu)重量，不減小橋梁凈空，補(bǔ)強(qiáng)鋼板起到了補(bǔ)強(qiáng)鋼筋的作用，提高了現(xiàn)狀橋梁的承載能力與耐久性，但對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度提高不大，粘結(jié)劑的質(zhì)量及耐久性是影響加固效果的關(guān)鍵因素，應(yīng)充分重視，另外加固鋼板容易銹蝕，必須進(jìn)行嚴(yán)格的防銹處理；方案三完全恢復(fù)結(jié)構(gòu)至原設(shè)計(jì)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和耐久性方面安全可靠，處理后結(jié)構(gòu)外觀影響小，不增加結(jié)構(gòu)重量，不減小橋梁凈空，但施工周期長(zhǎng)，社會(huì)影響大；方案四對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久性方面有較大加強(qiáng)，不拆除原墩，施工過(guò)程較安全，但施工復(fù)雜，工期較長(zhǎng)，費(fèi)用較高，對(duì)結(jié)構(gòu)外觀影響巨大，增大結(jié)構(gòu)尺寸及重量，影響凈空尺寸。

考慮橋墩混凝土破壞較嚴(yán)重，方案一對(duì)強(qiáng)度的加強(qiáng)較弱，且耐久性不佳；方案三對(duì)工期、費(fèi)用及社會(huì)的影響較大，方案四對(duì)橋墩外觀及凈空的影響較大。綜合考慮強(qiáng)度、耐久性、外觀及工期費(fèi)用等方面，方案二競(jìng)爭(zhēng)力最大，為一勞永逸的加固方案。

6 結(jié)語(yǔ)

1)本文通過(guò)檢測(cè)分析、現(xiàn)場(chǎng)事故分析、模型計(jì)算分析，透徹的解析了橋墩墩頂開(kāi)裂的原因，對(duì)同類工程橋梁事故處理有指導(dǎo)性意義。2)通過(guò)模型計(jì)算分析，支座安裝錯(cuò)誤產(chǎn)生較大的順橋向水平力，加之其他因素產(chǎn)生的水平力作用，所有因素疊加將加速橋墩頂帽裂縫的開(kāi)展。3)本文提供的臨時(shí)支撐措施及加固方案，在優(yōu)化、細(xì)化之后可供同類工程橋梁事故采用。4)在軌道交通加速建設(shè)過(guò)程中，建設(shè)單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)施工方、監(jiān)理方的管理。工程實(shí)施完成后，應(yīng)強(qiáng)有力的進(jìn)行驗(yàn)收，合格后方可投入運(yùn)營(yíng)。

[1] TB 10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50157—2013，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 李小軍.鐵路橋墩頂帽開(kāi)裂原因分析和加固方法[J].鐵道建筑,2009(10):4-6．

[4] 池海涌,才素平.跨越地鐵車站深基坑的既有輕軌橋墩加固技術(shù)[J].包鋼科技,2010(5):54-56.

[5] 王 峰,左家強(qiáng),劉 強(qiáng).鐵路橋墩頂帽病害分析及臨時(shí)加固設(shè)計(jì)[J].鐵道勘察,2013(6):105-107.

Cause analysis and reinforement measures of light rail overhead pierhood crack

Chen Yanyan

(China Railway Siyuan Group Southwest Survey and Design Co., Ltd, Kunming 650000, China)

Through detecting existing light-rail bridge pier top and cushion cracking conditions of the subway viaduct intervals, the paper analyzes the bridge pier top cracking causes, puts forward four kinds of feasible bridge pier reinforcement measures, analyzes their merits and defects, comprehensively considers strength, durability, appearance, construction schedule and cost and other factors, and finally selects the reinforcement scheme of partial removing replacing pier body.

subway viaduct interval, bridge pier crack, temporary support, reinforcement measures

1009-6825(2017)08-0168-03

2017-01-04

陳焰焰(1984- )，男，碩士，工程師

U445.72

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