淺談大型城市鋼構(gòu)橋梁墊石裂縫成因分析及處理

楊 波

(中鐵五局集團建筑工程有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550001)

0 引言

墊石是設(shè)置于橋臺、墩頂部與支座連接部分[1]，直接承受橋梁橋跨結(jié)構(gòu)上部荷載作用，并將荷載向下傳遞至墩頂，通過橋墩向下傳遞至橋梁樁基。墊石具有體積小、受力大、應(yīng)力集中、抗壓強度高，是橋梁工程中主要的承重結(jié)構(gòu)。目前來說，大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)取得部分成效，但鋼結(jié)構(gòu)橋梁在既有軌道交通站臺頂板上施工，在貴陽本土還是首次。隨著西部大開發(fā)建設(shè)的扎實穩(wěn)步推進，多元化多層次立體交通在貴陽逐步呈現(xiàn)，在貴州特有的喀斯特地貌下進行軌道交通與市政道路建設(shè)的情況會越來越多，施工既是在軌道交通區(qū)間隧道邊緣，又是在軌道站臺頂板正上方，整個橋身直接放置在站臺頂板，這在整個貴州地區(qū)也是首次，在整個西南地區(qū)也是屈指可數(shù)。橋梁本身的質(zhì)量安全意義重大，容不得半點疏忽。本文以本市XX橋為例，以橋梁后期出現(xiàn)的墊石裂縫進行分析、總結(jié)，對預(yù)防墊石裂縫和處理提出自己的一些看法。

1 質(zhì)量缺陷事故概述

貴陽市XX鋼構(gòu)橋為一聯(lián)七跨連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，全橋1#、8#橋臺采用混凝土墊石，其余橋墩墊石均為鋼墊石，全橋左側(cè)支座為雙向JPZ400盆式橡膠支座，右側(cè)除2號墩為固定支座外，其余均是沿道路中心線方向的單向活動支座。

2018年11月初橋梁全部吊裝完成，11月6日臨時支架卸載完成，經(jīng)現(xiàn)場檢查，橋梁各部件均處于良好狀態(tài)，11月22日開始進入橋面鋪裝，11月24日橋面鋪裝完成，11月26日我司巡查人員發(fā)現(xiàn)，1#、8#橋臺右側(cè)墊石局部裂縫，裂縫寬度1.8～2 cm，2號橋墩鋼墊石出現(xiàn)輕微裂縫。

圖1 橋臺墊石裂縫Fig.1 Cracks in abutment pad stone

2 質(zhì)量缺陷事故原因的分析

事件發(fā)生后，項目部立即成立缺陷事故研討小組，逐個排除分析各工序施工時產(chǎn)生裂縫的可能，從而確定本次裂縫產(chǎn)生的主要原因。

2.1 強度不足

我們首先考慮是否混凝土強度不滿足設(shè)計要求，本工程墊石混凝土強度為C50，混凝土澆筑時間2018年9月28日，到全橋卸架時間2018年11月16日，混凝土齡期已超過28天，混凝土強度已趨于穩(wěn)定，經(jīng)查實，混凝土28天強度報告值為56 MPa，并經(jīng)現(xiàn)場回彈，回彈強度顯示在51～55 MPa之間，滿足設(shè)計要求。由此排除混凝土強度不夠造成的裂縫假設(shè)。

2.2 不對稱落架

緊接著，我們分析第二種可能產(chǎn)生裂縫的原因，橋梁支架不對稱卸載造成的影響。橋梁支架卸載過程中按照方案要求，兩側(cè)支架必須同時卸載，但是實際施工時要想達到同時對稱卸載應(yīng)該是很難辦到的。我們按照先后落架左右側(cè)相差20 cm(支撐柱)高差分析支座墊石受力情況，全橋?qū)挾?6.3 m，支座半徑直徑為44.5 cm。在不對稱卸載情況下，支座墊石主要承受豎向荷載，水平荷載忽略不計。在支座范圍內(nèi)高差通過對比h=445*0.2/20=4.45 mm，小于設(shè)計考慮的豎向位移允許變形值1.5 cm。也就是說在人為控制條件下，臨時支架卸載過程中產(chǎn)生的20 cm高差發(fā)生的豎向變形4.45 mm，在支座本身允許的豎向位移量1.5 cm之內(nèi)。由此我們基本認(rèn)為，不對稱支架卸載時產(chǎn)生的豎向集中應(yīng)力已被支座全部吸收，并不會對墊石結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何影響。

2.3 單邊受壓

瀝青攤鋪分幅攤鋪，不對稱受載導(dǎo)致墊石結(jié)構(gòu)局部受載過大造成結(jié)構(gòu)裂縫，排除混凝土強度和偏心受載造成的影響后，我們梳理了一遍，發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生的時間剛好就是瀝青攤鋪完成的時間。我們首先想到的是瀝青攤鋪作業(yè)時，瀝青分幅攤鋪，多臺瀝青運輸車輛集中停放在半幅橋面上，單側(cè)偏載受壓，這與設(shè)計考慮的行車荷載滿載受力分析不太一樣。本工程為市區(qū)道路，只允許小型車輛通行，行車荷載取值較低，而施工期間施工荷載遠(yuǎn)大于設(shè)計考慮的行車荷載。分析過程如下：

圖2 單跨橋面受力示意圖Fig.2 Stress diagram of single span bridge

橋梁橋跨上部鋼構(gòu)總重3200噸，單幅橋面寬度10 m，邊跨長度為27 m(主要分析1#和8#臺墊石受力情況)，瀝青攤鋪時分左右幅攤鋪施工，瀝青料等候車輛基本上10 m一輛，瀝青車輛滿載時重100噸(邊跨上停放車輛至多三輛)，攤鋪機自重26噸，雙光輪壓路機自重20噸，輪胎式壓路機自重20噸。假設(shè)施工時全部機械設(shè)備均在邊跨集中，邊跨鋼構(gòu)自重為27*3200/227=380.62噸，則邊跨主要施工荷載為380.62+20+20+26+100*3=746.64噸。假設(shè)邊跨為簡支結(jié)構(gòu)，單跨受力主要由4個支座同時受力，則每個支座受載186.655噸，小于支座的最大抗壓重量400噸，而墊石混凝土強度為50 MPa，墊石上表面積為0.9*0.9=0.81m2，由此計算出墊石的最大抗壓重量值為100*50*0.81=4050噸，遠(yuǎn)大于橋梁實際受載重量值。由此得出分幅瀝青攤鋪，橋梁偏載受壓不是產(chǎn)生裂縫的最終原因。

2.4 溫度應(yīng)力

通過對偏載受力分析，排除偏載受壓產(chǎn)生的缺陷破壞后，我們再一次去現(xiàn)場對墊石進一步詳細(xì)勘查?？辈彀l(fā)現(xiàn)墊石發(fā)生的裂縫方向均為沿道路前進方向，裂縫發(fā)生在預(yù)埋鋼板兩側(cè)，裂縫從上至下逐漸減小。由此我們推測，裂縫發(fā)生的主要原因是結(jié)構(gòu)本身發(fā)生剪切破壞，墊石在橫橋向受到水平力的影響，致使墊石發(fā)生橫橋向的剪切破壞，而主要產(chǎn)生橫向水平推力的主要為溫度應(yīng)力，即瀝青分幅攤鋪時溫度過高，瀝青攤鋪開始至瀝青自然冷卻到常溫狀態(tài)，溫差高達170 ℃，由于鋼橋面板較大的熱傳導(dǎo)系數(shù)及各向異性效應(yīng)，使其在高溫狀態(tài)下發(fā)生局部溫度變形。

橋梁設(shè)計中考慮溫度應(yīng)力時溫差取值為±20 ℃，并沒有考慮在瀝青攤鋪時的極端溫差。同時，橋梁左側(cè)為雙向活動支座，右側(cè)為順橋向單向活動支座，在溫度應(yīng)力的作用下，鋼構(gòu)本身對支座和墊石產(chǎn)生水平推力，左側(cè)支座在橫橋向允許發(fā)生水平位移量15 cm，而右側(cè)支座在橫橋向無法發(fā)生位移。在溫度應(yīng)力作用下，水平推力全部傳遞至墊石混凝土，以致發(fā)生墊石結(jié)構(gòu)的破壞。經(jīng)過多重分析，逐步排查，最終確定了裂縫發(fā)生的最根本原因，將分析結(jié)論反饋設(shè)計及建設(shè)單位，并由建設(shè)單位召開專家論證會，一致認(rèn)可分析結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)場實際裂縫寬度2 cm，這與設(shè)計單位核算的在170 ℃溫差作用下會產(chǎn)生1.8 cm的裂縫的結(jié)論基本一致。

3 缺陷處理方案

經(jīng)過種種成因分析，明確缺陷事故發(fā)生的主要原因是瀝青攤鋪時瀝青分幅攤鋪，極端溫差下溫度應(yīng)力過大，致使發(fā)生墊石結(jié)構(gòu)破壞，設(shè)計要求對破壞的墊石混凝土予以全部鑿除，同時加大墊石尺寸，在墊石外側(cè)植筋補強，澆筑C60細(xì)石混凝土，混凝土外側(cè)滿包2 cm鋼板形成一道加勁箍，確保墊石的質(zhì)量得到保證?？紤]到極端溫差在后期均不會出現(xiàn)，同時為了確保2018年12月30日的通車目標(biāo)，經(jīng)與參建各方對接，采用千斤頂頂起箱梁，人工鑿除預(yù)埋鋼板邊緣外混凝土，查明支座下方和核心區(qū)域混凝土是否破壞。再確定采用重新施工還是采取加固的處理方案。后期鑿除后發(fā)現(xiàn)，核心區(qū)域混凝土并未破壞。

3.1 施工方法

為確保墊石修復(fù)過程中橋梁的安全穩(wěn)定，采用千斤頂支撐住墊石兩側(cè)，橋墩臺兩側(cè)支座均要頂起到千斤頂全部受力，但不使鋼橋發(fā)生豎向提升為止，鑿除已破損墊石混凝土，對被破壞的支座墊石進行專用支座修補灌漿料填實，利用灌漿料自流平、無收縮、凝結(jié)快、不泌水、耐久性高等特點[2]，確保墊石處理質(zhì)量。同時按設(shè)計加大墊石尺寸為1.05*1.05 m，增加尺寸部分鋼筋與臺帽鋼筋連接成整體骨架體系，墊石外側(cè)增加鋼抱箍一道，抱箍環(huán)形封閉并與頂板預(yù)埋支座鋼板焊接成整體封閉狀態(tài)，即新的墊石為一箱體結(jié)構(gòu)。同時，根據(jù)設(shè)計要求，混凝土強度加強至C60，但是，考慮到時間緊迫，墊石處理的時間僅1周，從澆筑混凝土到通車時間僅有4天，經(jīng)與業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理單位對接，經(jīng)設(shè)計單位認(rèn)可，擬采用專用支座修補灌漿料予以替代，經(jīng)廠家資料顯示，其強度3天能達到70 MPa。

3.2 橋臺墊石施工工藝流程

千斤頂選型—試頂—頂升—加設(shè)臨時—墊石剔除—臺帽混凝土剔除—鋼筋焊接、綁扎—模板安裝—預(yù)埋鋼板就位—鋼套箱側(cè)向安裝—澆筑專用支座灌漿料—加溫養(yǎng)護—卸載—鋼套箱上部鋼板焊接—場地清理。

3.3 千斤頂?shù)倪x型

由于無具體的支座受力分析數(shù)據(jù)，擬根據(jù)支座型號反推支座反力，根據(jù)設(shè)計圖紙要求，橋臺支座型號為JPZ(Ⅱ)4，即支座最大承擔(dān)豎向力為4000 kN(合400噸)，以此數(shù)據(jù)為參考選取千斤頂，受力偏保守，能保證施工的安全穩(wěn)定。

根據(jù)分析，擬每個墊石采用2臺千斤頂左右對稱頂進，千斤頂高度35～50 cm，行程15～30 cm，千斤頂推力至少200噸，同時，為防止施工過程中千斤頂長期受載失效的意外事件發(fā)生，擬采用千斤頂支撐起鋼橋后加設(shè)φ426×8 mm的鋼管作為臨時支撐體系，臨時支撐鋼管上下各加設(shè)一塊鋼板以增加接觸面，千斤頂布置詳見圖3。

圖3 千斤頂布置示意圖Fig.3 Layout of the jack

3.4 頂升墊石的處理方法

為確保千斤頂頂升時梁體混凝土不受破壞，增大千斤頂對梁底和橋臺混凝土的接觸面積，使混凝土局部受壓強度小于混凝土強度值，擬在千斤頂上下端各放置一塊50*50*1 cm的鋼板一塊，保證千斤頂受力后構(gòu)件局部承壓滿足要求。

1)受力分析

假設(shè)：單個千斤頂受力為2000 kN，鋼板接觸面積為0.5*0.5=0.25 m2，所以，鋼板的局部承壓壓強為2000000/0.25/1000000=8 MPa。

承臺混凝土強度為C40，根據(jù)規(guī)范取值，其軸心抗壓強度的值是19.1 N/mm2，遠(yuǎn)大于鋼板的承壓力。同時上部為鋼箱梁，其抗剪強度根據(jù)經(jīng)驗取值為屈服強度的0.6倍，即為0.6*420=252 MPa，遠(yuǎn)大于自身承載的8 MPa，結(jié)構(gòu)安全。

2)試頂

所有準(zhǔn)備工作完成后(如檢查墊塊、千斤頂安裝、承力基礎(chǔ)狀況、材料設(shè)備準(zhǔn)備齊全等)，千斤頂同時開動，按頂升行程進行試頂，試頂高度以高出鋼箱梁底板1 cm為準(zhǔn)，分別記錄每個千斤頂?shù)男谐?。頂升過程中嚴(yán)密監(jiān)測鋼橋的變化和是否有異響等，并持載5 min以上后卸載。卸載后認(rèn)真檢查千斤頂?shù)挠蛪?、油管、墊石的安全狀態(tài)，臺帽混凝土的完好性，鋼板是否產(chǎn)生變形位移等，如存在，應(yīng)立即查明原因。卸載后會同參建幾方組織會議討論溝通，確定下一步處理方案。

3)頂升

試頂完成并檢測各結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)后，安排專人統(tǒng)一指揮，千斤頂緩緩?fù)巾斏?，頂升行程分級控制，每?～3 mm，分級頂升直至箱梁結(jié)構(gòu)底板以上1 cm，持續(xù)頂升至試頂記錄行程剛好使千斤頂受力的狀態(tài)，鎖定千斤頂，放入調(diào)節(jié)鋼管，防止千斤頂無故失效，雙重保險。

4)注意事項

a)頂升關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全，各方面均應(yīng)密切配合。

b)整體頂升過程中要做好過程記錄。

c)頂升過程中，加強巡視工作，制定專人分點分部位嚴(yán)密觀測橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)，監(jiān)聽橋梁是否出現(xiàn)異響等，若有異常，立即停止，并采取處理措施。

d)頂升期間全橋封鎖，未經(jīng)允許嚴(yán)禁進入施工區(qū)域。

3.5 鋼筋安裝

剔除破損處墊石混凝土，保留墊石鋼筋，剔除臺帽混凝土至外露臺帽上層鋼筋網(wǎng)片，將增加的部分的墊石鋼筋與臺帽鋼筋焊接成整體。

1)下料

根據(jù)圖紙設(shè)計要求，鋼筋工長應(yīng)熟悉圖紙進行鋼筋抽樣，抽樣完畢后，方可交付鋼筋工下料。

在鋼筋下料過程中，應(yīng)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。而且質(zhì)檢員應(yīng)不定期抽查后臺下料長度與鋼筋工長料單長度比較，誤差大于規(guī)范要求的應(yīng)重新制作。

成品堆放應(yīng)標(biāo)明所用部位、長度、規(guī)格。

2)鋼筋綁扎

鋼筋安裝在封底砂漿達到一定強度后，用墨線在上面定出兩側(cè)邊線和鋼筋位置線，按設(shè)計圖紙要求開始綁扎基礎(chǔ)鋼筋。

鋼筋焊接采用電弧焊的方式，鋼筋焊接前，搭接端部應(yīng)預(yù)先折向一側(cè)，使兩結(jié)合鋼筋軸線一致，焊接時雙面焊焊縫長度不小于5d(Φ20鋼筋焊縫長度不小于100 mm)，單面焊焊縫長度不小于10 d(Φ20鋼筋焊縫長度不小于200 mm)，鋼筋的接頭交錯排列，相互錯開不小于35d(Φ20鋼筋焊縫長度不小于700 mm)，且不宜位于構(gòu)件的最大彎矩處，焊接時采用502焊條，焊條應(yīng)妥善保管防止受潮。焊縫應(yīng)飽滿、平整、無氣泡，焊渣清理干凈，焊縫、焊接質(zhì)量嚴(yán)格按規(guī)范要求。

在接頭長度區(qū)段(35d，且不小于500 mm)內(nèi)，同一根鋼筋不能有兩個接頭，接頭的截面積不超過總截面積的50%，鋼筋成型前應(yīng)平直，無局部彎折，成型后，表面有油漬、漆皮、鱗銹的應(yīng)清除干凈。

鋼筋綁扎時，應(yīng)校核鋼筋間距，以保證鋼筋的保護層符合要求。箍筋應(yīng)與受力鋼筋垂直，箍筋搭接處承受力與鋼筋方向相互錯開。

鋼筋綁扎完畢后，應(yīng)在基礎(chǔ)底和鋼筋外側(cè)墊齊同標(biāo)號細(xì)石混凝土墊塊，墊塊不少于4個/m2，呈梅花型布置，以保證混凝土保護層厚度和不露筋。

綁扎鋼筋時應(yīng)滿綁，不得缺扣或漏綁。

3)質(zhì)量要求

高度重視半成品加工質(zhì)量，下料前先調(diào)直鋼筋。下料尺寸經(jīng)施工技術(shù)人員嚴(yán)格審查后執(zhí)行。鋼筋制作一律在工地加工場內(nèi)使用機械加工彎制成半成品使用。保證彎曲角度和平直部分長度。加工好后按照規(guī)格品種分類堆放整齊，方便后期安裝。

4)鋼筋安裝實測項目(表1)

表1 鋼筋安裝實測項目Tab.1 Items to be measured in steel bar installation

3.6 混凝土澆筑

墊石采用專用灌漿料[3]。根據(jù)廠家出廠證明文件，灌漿料3天抗壓強度能達到70 MPa，經(jīng)廠家指導(dǎo)，現(xiàn)場按照13%的比例用溫水進行拌和灌漿料，并在現(xiàn)場留置試塊8組，同條件養(yǎng)護。經(jīng)試塊抗壓試驗報告，1#臺和8#臺墊石3天抗壓強度分別為65.7 MPa和67.9 MPa，均滿足設(shè)計要求。

3.7 養(yǎng)護

考慮到施工期間為冬季，氣溫僅1～3 ℃，為加快混凝土的強度提升，現(xiàn)場采用加熱法進行升溫養(yǎng)護，灌漿料澆筑至初凝后，灑水覆蓋薄膜[4]，每個墊石覆蓋8床電熱套，覆蓋8床棉被，并在棉被外側(cè)再滿包塑料彩條布覆蓋保溫，墊石周邊安裝碘鎢燈各2個，并適時監(jiān)控墊石周邊溫度，保證氣溫維持在18～22 ℃之間。

圖4 橋臺墊石覆蓋保溫養(yǎng)護Fig.4 Heat preservation maintenance of abutment pad stone

4 結(jié)論與建議

通過對墊石裂縫缺陷的成因分析，我們得出，鋼構(gòu)橋梁在施工過程中應(yīng)注意溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)本身的影響，而設(shè)計方案中一般不會考慮瀝青攤鋪時極端溫差造成的影響，一般考慮的只有日常氣溫溫差。再者，通過本次缺陷分析，造成墊石結(jié)構(gòu)裂縫的原因有很多，臨時支架卸載的偏心荷載效應(yīng)、橋面單側(cè)偏心受載影響、瀝青極端溫差造成的溫度應(yīng)力影響，其實我們通過對裂縫本身的發(fā)生方向可以得出，不管是臨時支架卸載，還是橋面偏心受壓，產(chǎn)生的均是豎向應(yīng)力，如果豎向應(yīng)力發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，結(jié)構(gòu)本身應(yīng)該會呈現(xiàn)多向不規(guī)則裂縫或者碎裂，而本次缺陷事故中發(fā)生的是單向裂縫，因此推斷出主要受水平推力影響。而破壞部分僅在預(yù)埋鋼板外邊緣，主要原因是鋼板下方混凝土內(nèi)部有較為密集的鋼筋網(wǎng)片約束，鋼板外緣為素混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較強的抗剪強度指標(biāo)，而素混凝土的抗剪強度卻極低，無法釋放極端溫度應(yīng)力下產(chǎn)生的變形，以致結(jié)構(gòu)破壞。同時，我們反思，瀝青攤鋪時應(yīng)左右側(cè)對稱攤鋪，使鋼構(gòu)本身均勻受載，左右側(cè)在溫度應(yīng)力下均布受載，特別是在橋梁曲線段上的瀝青攤鋪作業(yè)。同時，設(shè)計階段應(yīng)考慮到施工過程中各工況對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，如單邊不對稱滿載甚至超載的情況下的受力分析，要考慮熱拌瀝青攤鋪時對結(jié)構(gòu)本身的影響，包括主要集中受力點(如支座墊石)和結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)(如鋼箱梁邊梁處、跨中變截面處、跨中最大彎矩處等)。