鐵路預(yù)制T梁病害檢測與加固

陳偉庚

(廣州鐵路(集團(tuán))公司 深圳工程建設(shè)指揮部，廣東 深圳 518000)

T梁結(jié)構(gòu)形式簡單，受力明確，施工方便，易設(shè)計(jì)為不同跨徑的預(yù)制結(jié)構(gòu)。目前我國鐵路運(yùn)營線路上大量使用了分片式預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制T梁[1]。由于這些T梁建造時間跨度較大，分布區(qū)域廣，不論是設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還是施工工藝水平都存在較大差異。在多年服役后，由于荷載和環(huán)境的長期作用，相繼產(chǎn)生了各種類型的病害，如混凝土的開裂剝落、鋼筋銹蝕等，影響橋梁的使用性能及安全性能[2-3]。

對于不同時期不同地區(qū)的橋梁，常見病害有所不同，看似相同的病害其成因也可能有所差異。因此，有必要基于對橋梁病害現(xiàn)狀的調(diào)查，使用科學(xué)手段對病害情況進(jìn)行檢測，對其成因進(jìn)行分析，從而提出相應(yīng)的預(yù)防及維修加固措施，保證橋梁的安全運(yùn)營[4-5]。

本文基于一座使用預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制T梁的鐵路橋梁，針對其服役過程中出現(xiàn)的病害，制定了相應(yīng)的試驗(yàn)方案對其進(jìn)行了檢定，分析了病害成因。為了確保結(jié)構(gòu)長期運(yùn)營安全，針對這些病害給出了維修處治設(shè)計(jì)方案。

1 工程實(shí)例

該橋?yàn)橛许能壍离p線預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，共設(shè)27孔，跨徑組合為5×16 m(低高度梁)+15×20 m(普通高度梁)+7×20 m(低高度梁)。單線主梁橫向設(shè)2片T梁，間距1.8 m，橫隔板處設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力。其中，16 m和20 m低高度梁為先張法預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，20 m普通高度梁為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。橋梁養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)本橋部分梁端腹板頂部存在明顯的縱向開裂及其他耐久性病害。主要存在的病害包括:

1)腹板與翼板交界處縱向裂縫，最大寬度1.1 mm；

2)腹板縱向裂縫，最大寬度0.6 mm；

3)翼緣板側(cè)面縱向裂縫，腹板斜裂縫，寬度均小于0.2 mm。

對于16 m低高度梁，梁端發(fā)現(xiàn)縱向裂縫病害的梁片占比為18.8%，其中裂縫寬度約為0.1 mm的占比為7.5%。對于20 m低高度梁，梁端發(fā)現(xiàn)縱向裂縫病害的梁片占比為27.7%，其中裂縫寬度約為0.1 mm的占比為8.9%。對于20 m普通高度梁，梁端發(fā)現(xiàn)縱向裂縫病害的梁片占比為7.5%，裂縫寬度均小于0.1 mm。

2 典型病害的試驗(yàn)檢測方案

2.1 無損檢測

運(yùn)用無損測試手段對結(jié)構(gòu)進(jìn)行混凝土強(qiáng)度及碳化深度檢測、鋼筋位置及保護(hù)層厚度檢測、裂縫深度測試，并進(jìn)一步分析病害嚴(yán)重程度。對于分布在腹板與翼板接縫處的裂縫，難以使用無損檢測設(shè)備時，采用取芯法判斷裂縫深度。

2.2 靜載試驗(yàn)

基于外觀檢查及無損檢測結(jié)果，選取開裂較為嚴(yán)重的孔跨開展靜載試驗(yàn)，確定梁端斜截面的應(yīng)變分布情況。針對病害布置測點(diǎn)，測試裂縫在活荷載作用下是否出現(xiàn)擴(kuò)展及閉合，并通過分析在試驗(yàn)荷載作用下跨中截面的撓度情況，對梁體的剛度情況進(jìn)行評估。梁端測點(diǎn)布置如圖1所示[6]。

圖1 梁端典型截面靜載試驗(yàn)測點(diǎn)布置

2.3 動載試驗(yàn)

基于外觀檢查及無損檢測結(jié)果，選取開裂較為嚴(yán)重的孔跨開展動載試驗(yàn)，對橋梁運(yùn)營性能進(jìn)行檢驗(yàn)。此外針對病害開展專項(xiàng)測試，觀測梁端裂縫在運(yùn)營車輛作用下的擴(kuò)展情況。

3 檢測結(jié)果及病害成因分析

3.1 無損檢測結(jié)果

回彈法檢測結(jié)果顯示，3種跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁混凝土強(qiáng)度推定值均能滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。檢測區(qū)域梁體腹板混凝土碳化深度較小，對鋼筋銹蝕影響輕微，不存在大面積銹蝕的可能。

實(shí)測鋼筋保護(hù)層厚度基本均大于設(shè)計(jì)值，鋼筋間距基本與設(shè)計(jì)值相符。

此外，根據(jù)梁體開裂嚴(yán)重程度的不同，選取10處進(jìn)行取芯，觀測裂縫深度及寬度，如圖2所示。

圖2 深層裂縫取樣狀況

測試結(jié)果顯示:各跨梁體腹板與翼緣板交界處裂縫寬度大于0.25 mm的裂縫，屬于深層裂縫(取芯芯樣長度約10 cm，裂縫均貫穿芯樣)；腹板與翼緣板交界處裂縫寬度在0.1 mm左右的裂縫，屬于淺層裂縫，深度在2～4 cm范圍內(nèi)。

3.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果

跨中截面加載測試結(jié)果顯示，在最大級試驗(yàn)荷載作用下，測試橋跨的應(yīng)力及撓度校驗(yàn)系數(shù)均滿足鐵運(yùn)函[2004]1200號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[7](以下簡稱《橋檢規(guī)》)的相關(guān)規(guī)定，梁端最大轉(zhuǎn)角均小于理論計(jì)算值；在各級試驗(yàn)荷載作用下，截面下緣測點(diǎn)與荷載效率線性關(guān)系良好，未出現(xiàn)畸變退化，說明梁體抗裂性能滿足要求。

梁端斜截面測試結(jié)果顯示，跨裂縫測點(diǎn)在各輪位作用下均處于受壓狀況，其中一處測點(diǎn)在各輪位作用下最大拉應(yīng)變?yōu)?13×10-6，換算裂縫擴(kuò)展量為0.002 mm，說明梁端縱向裂縫受力狀況較為穩(wěn)定。最大級荷載作用下，推算梁端主拉應(yīng)力也均小于理論計(jì)算值。

靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，測試橋跨的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度滿足《橋檢規(guī)》要求，開裂跨與梁端正?？绲膽?yīng)變和撓度相當(dāng)，梁端裂縫對結(jié)構(gòu)受力影響不大。

3.3 動載試驗(yàn)結(jié)果

在貨車及客車通過橋梁時進(jìn)行了測試，測得的橋跨梁體的跨中橫向振幅、橫向振動加速度、墩頂橫向振幅均滿足《橋檢規(guī)》要求。

實(shí)測病害較為嚴(yán)重的各橋跨跨中橫向自振頻率，與梁端正常橋跨的頻率基本相同，且均大于計(jì)算頻率。對過路貨車及客車作用下動撓度的測試結(jié)果顯示，各橋跨跨中最大動撓度基本相同。以上結(jié)果說明梁端縱向裂縫對梁體剛度影響不大。

此外，在運(yùn)營車輛作用下，梁端跨裂縫測點(diǎn)基本處于受壓狀態(tài)，即裂縫閉合。個別跨裂縫測點(diǎn)雖然出現(xiàn)拉應(yīng)變，換算為裂縫張開量僅約0.004 mm，裂縫張開量較小。

綜上所述，列車通過梁端病害較為嚴(yán)重的橋跨和正常橋跨時梁體動力響應(yīng)值基本相同，各項(xiàng)動力性能指標(biāo)均滿足《橋檢規(guī)》的要求，梁體病害對橋梁結(jié)構(gòu)的受力及正常行車影響不大。

3.4 病害成因分析

1)混凝土收縮變形。收縮是混凝土的固有特性，其早期收縮量往往較大。受結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響，梁端變厚度段T梁腹板和翼緣交界處混凝土收縮受到較多約束，使得該處較易出現(xiàn)水平裂縫，但裂縫通常較為細(xì)微。本橋后張法T梁和大部分先張法T梁在該處的縱向開裂均與此有關(guān)。

2)鋼筋保護(hù)層厚度。從對部分先張法T梁梁體取芯結(jié)果來看，芯樣處均未見鋼筋(芯樣尺寸為φ50 mm×100 mm)，推測相應(yīng)位置鋼筋保護(hù)層厚度可能偏厚，導(dǎo)致混凝土在早期收縮時易開裂。

3)腹板抗裂鋼筋布置。先張法T梁腹板變厚段外側(cè)豎向鋼筋最大間距30 cm，后張法T梁腹板變厚段外側(cè)豎向鋼筋間距為8 cm。先張法T梁腹板變厚度段外側(cè)豎向抗裂鋼筋布置間距偏大也是其水平裂縫開展更為嚴(yán)重的主要原因之一。

4)先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件施工工藝控制。本橋先張法T梁病害較后張法T梁嚴(yán)重，且梁高相對較高的20 m梁較16 m梁病害更為嚴(yán)重，這與先張法構(gòu)件的構(gòu)造特點(diǎn)和施工工藝控制有關(guān)。先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件預(yù)應(yīng)力筋集中在梁體下部，通過設(shè)置不同長度的失效段調(diào)整各截面預(yù)應(yīng)力水平。本橋預(yù)應(yīng)力失效段通過設(shè)置相應(yīng)長度的塑料套管實(shí)現(xiàn)。實(shí)際施工中，若局部塑料套管設(shè)置不當(dāng)使得預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的黏結(jié)未完全消除，則可能導(dǎo)致T梁翼緣梗脅處應(yīng)力偏大，并在各種因素綜合作用下出現(xiàn)開裂。

5)梁端橫向預(yù)應(yīng)力。T梁設(shè)5道橫隔板，每道橫隔板處設(shè)一對橫向預(yù)應(yīng)力筋，采用直徑32 mm冷拉Ⅳ級高強(qiáng)度圓鋼筋(或同規(guī)格高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋)，設(shè)計(jì)張拉力為400 kN。端橫隔板處受梁底支座實(shí)際約束等作用，可能因梁端橫向預(yù)應(yīng)力張拉而導(dǎo)致T梁翼緣梗脅處應(yīng)力偏大，并在各種因素綜合作用下出現(xiàn)開裂。

6)橫向限位構(gòu)造。T梁梁端采用粗鋼筋對拉水平枕木的方式，設(shè)置防落梁橫向限位構(gòu)造?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)部分梁端混凝土在該處存在崩裂，說明相應(yīng)構(gòu)造對梁端變形有較強(qiáng)約束，也可能導(dǎo)致T梁翼緣梗脅處應(yīng)力偏大，并在各種因素綜合作用下出現(xiàn)開裂。

7)梁底支座狀態(tài)。單線T梁橫向設(shè)置2片梁，每片梁底設(shè)2個支座，受施工等因素的影響，兩片梁同一梁端4個支座標(biāo)高可能存在差異。同時，運(yùn)營一段時間后固定支座與活動支座的平動及轉(zhuǎn)動功能也可能受到不同程度的限制，使得梁體在溫度及運(yùn)營荷載作用下的變形受到約束，進(jìn)而可能導(dǎo)致T梁翼緣梗脅處開裂。

綜合上述分析結(jié)果，混凝土收縮變形是本橋梁端縱向開裂的直接原因。梁端混凝土保護(hù)層厚度，腹板豎向抗裂鋼筋的布置是導(dǎo)致其開裂的構(gòu)造因素。先張法構(gòu)件預(yù)應(yīng)力失效段構(gòu)造及梁端橫向預(yù)應(yīng)力、橫向限位構(gòu)造及支座工作狀態(tài)等是導(dǎo)致梁端病害加劇的附加因素。從結(jié)構(gòu)動力測試和靜載試驗(yàn)的結(jié)果來看，本橋梁端縱向裂縫對結(jié)構(gòu)整體受力性能影響較小，裂縫在運(yùn)營荷載作用下的擴(kuò)展也不明顯。裂縫應(yīng)是早期已經(jīng)出現(xiàn)，并在長期運(yùn)營荷載及溫度作用下緩慢發(fā)展。

4 維修加固方案

基于梁端病害成因的分析結(jié)果，為了確保結(jié)構(gòu)的受力及耐久性安全，可根據(jù)梁端裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)制定不同的維修加固方案:對裂縫寬度較小的淺層裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理，而對于寬度較大的深層裂縫，除了進(jìn)行修補(bǔ)外，為了避免其進(jìn)一步擴(kuò)展，尚應(yīng)對其梁端進(jìn)行加固處理[8]。

4.1 梁體裂縫及破損修補(bǔ)處理

對梁體裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理:對寬度小于0.10 mm的采用表面封閉法進(jìn)行封閉，對寬度大于等于0.10 mm的采用壓力注漿法進(jìn)行灌注。

對梁端局部破損混凝土采用聚合物改性混凝土(砂漿)進(jìn)行修補(bǔ)處理。

梁體裂縫與破損修補(bǔ)用材料性能指標(biāo)和工藝均應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

4.2 病害嚴(yán)重梁端加固處理

對病害較為嚴(yán)重的梁端(裂縫寬度大于0.25 mm)腹板粘貼鋼板予以加固。粘貼鋼板范圍為距梁端2.55 m處至梁端或橫隔板內(nèi)側(cè)，鋼板條豎向布置，端隔板處鋼板寬30 cm，腹板變厚段鋼板寬20 cm，凈距10 cm。兩端分別錨固于翼緣和腹板底部，在梗脅處V型坡口焊接成型，其中橫隔板處鋼板設(shè)豎向加勁肋。

鋼板采用Q345b級鋼材，厚度8 mm。采用壓力注膠法粘貼，工廠熱浸鍍鋅防腐處理。

5 結(jié)語

本文針對鐵路橋預(yù)制T梁的梁端裂縫病害，采用無損檢測、靜動載試驗(yàn)檢測結(jié)合的方法評估了病害結(jié)構(gòu)的安全性能，并通過分析病害成因制定了有針對性的加固方案。對于維修加固方案的設(shè)計(jì)，不僅需要修復(fù)已出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性病害，確保當(dāng)下的結(jié)構(gòu)受力安全，還需要考慮結(jié)構(gòu)的長期安全性能，針對其可能出現(xiàn)的耐久性病害進(jìn)行防護(hù)。本文的研究可以為同類型橋梁的病害處治提供參考。