鐵路低高度鋼筋混凝土梁病害評(píng)估與整治

袁磊 馬宏亮 田英 劉楠 曹艷萍 白麗斌

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司，太原 030013

相較于普通高度鋼筋混凝土梁，低高度鋼筋混凝土梁能適應(yīng)鐵路線路標(biāo)高或橋下凈空高度受限的情況，在我國早期建設(shè)的小跨度鐵路橋梁中應(yīng)用較多［1］。在長期運(yùn)營中存在梁體剛度偏低、運(yùn)營列車通過時(shí)梁體振動(dòng)較大、梁體劣化明顯等問題［2-3］，重載線路上尤為突出。為了保證行車和結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)對(duì)低高度鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行綜合評(píng)估，并采取合理措施進(jìn)行整治處理。

本文以一座重載鐵路跨度為8 m的低高度鋼筋混凝土梁為例，完整地進(jìn)行了無損檢測（含化學(xué)分析）、受力檢算和加固前后的試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比加固前后的效果。采用UIC 774-1規(guī)范［4］對(duì)實(shí)梁疲勞受力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并參考該規(guī)范進(jìn)行了腐蝕情況下的疲勞分析，最后對(duì)其病害評(píng)估與整治技術(shù)進(jìn)行介紹，可為類似橋梁結(jié)構(gòu)研究和病害處理提供參考。

1 低高度鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)及其病害特征

一座重載鐵路已建成運(yùn)營30年，雙線，上行為輕車線，下行為重車線。其中36座小橋采用了跨度為8 m的低高度鋼筋混凝土梁，通用圖號(hào)為叁標(biāo)橋1024，截面形式和配筋如圖1所示。結(jié)構(gòu)按《鐵路工程技術(shù)規(guī)范》［5］（1975年）設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載為中-活載。縱向主筋采用16Mn鋼，設(shè)31根直徑25 mm筋（直線梁），梁體采用350號(hào)混凝土。

圖1 鋼筋混凝土梁截面（單位：cm）

對(duì)21座小橋調(diào)研發(fā)現(xiàn)，梁體結(jié)構(gòu)存在不同程度的病害：

1）梁體正截面普遍存在受力開裂現(xiàn)象，裂縫沿兩側(cè)腹板高度向上延伸，并向底板橫向延伸，多數(shù)裂縫未貫通底板，裂縫寬度一般不大于0.20 mm，間距10～30 cm，重車線梁體病害較明顯。

2）有65.7%的梁體存在不同程度的泛白、空鼓、脹裂等病害，其中52.2%的梁體底板大面積泛白、空鼓，混凝土沿主筋縱向通長開裂，在底板外邊緣處呈網(wǎng)狀、放射狀開裂，裂縫最大寬度達(dá)6 mm，可見鋼筋明顯銹蝕，病害主要發(fā)生在重車線梁體。

3）泄水管堵塞、排水不暢，擋砟墻斷縫處溢水。由于梁體上翼緣未設(shè)滴水檐，并置梁間未設(shè)防排水構(gòu)造，梁體表面污水漫流。其中，泄水管和擋砟墻斷縫下方最為嚴(yán)重。

該梁因銹脹等因素造成的裂縫寬度已明顯大于限值0.5 mm，根據(jù)Q/CR 405.5—2018《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定第5部分：混凝土梁》，該混凝土裂縫劣化等級(jí)達(dá)到AA級(jí)，混凝土劣化和防排水設(shè)施劣化等級(jí)達(dá)A1級(jí)。

2 低高度鋼筋混凝土梁的檢測與評(píng)估

鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估包括梁體正常受力評(píng)價(jià)和梁體長期性能評(píng)價(jià)兩方面，其中長期性能主要有疲勞性能和耐久性能。梁體受力狀態(tài)評(píng)價(jià)主要采用無損/微損檢測、檢算分析、運(yùn)營狀態(tài)試驗(yàn)測試等方法。

2.1 梁體無損/微損檢測

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性病害成因包括兩方面：①混凝土結(jié)構(gòu)，如混凝土強(qiáng)度偏低、保護(hù)層厚度偏薄、混凝土氯離子含量偏高、混凝土堿含量和骨料堿活性偏高等；②外部環(huán)境，如碳化（中性化）、氯離子或硫酸鹽侵蝕、凍融作用等。采用回彈法檢測梁體混凝土強(qiáng)度，采用酚酞試劑法檢測混凝土碳化深度，采用電磁感應(yīng)法檢測梁體鋼筋保護(hù)層厚度，對(duì)梁體取芯后采用化學(xué)分析法檢測混凝土氯離子、硫酸鹽和堿含量。

1）混凝土強(qiáng)度與碳化深度

典型梁體混凝土強(qiáng)度與碳化深度的檢測結(jié)果表明：實(shí)測混凝土強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)值（350號(hào)混凝土換算強(qiáng)度等級(jí)C33），碳化深度小于20 mm。

2）鋼筋保護(hù)層厚度

典型梁體腹板和底板鋼筋保護(hù)層厚度的檢測結(jié)果表明（圖2）：腹板鋼筋保護(hù)層厚度基本滿足不小于30 mm的要求，僅局部實(shí)測值偏低；底板鋼筋保護(hù)層厚度普遍偏小，最小值約10 mm，不利于保持混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

圖2 梁體混凝土保護(hù)層厚度實(shí)測值

3）混凝土氯離子、硫酸鹽與堿含量

典型梁體混凝土化學(xué)分析的結(jié)果表明：混凝土氯離子含量最大值0.033%，小于規(guī)范限值0.100%；混凝土硫酸鹽含量最大值1.31%，小于規(guī)范限值4.00%；混凝土堿含量質(zhì)量百分比均大于1.5%，換算最小堿含量為7.65 kg/m3，大于限值3.00 kg/m3［6］。

綜上，經(jīng)30年運(yùn)營，低高度鋼筋混凝土梁以混凝土強(qiáng)度和碳化深度為表征的耐久性指標(biāo)未見明顯劣化，但底板鋼筋保護(hù)層厚度偏薄，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性不利，且存在梁體混凝土堿含量普遍超標(biāo)的問題。

2.2 梁體受力檢算

按結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)狀態(tài)和實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)對(duì)梁體進(jìn)行受力檢算分析。實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)檢算考慮橋上實(shí)際道砟厚度和運(yùn)營C80重載編組列車的作用，檢算結(jié)果見表1。

表1 不同受力狀態(tài)梁體跨中截面受力檢算結(jié)果

按原設(shè)計(jì)規(guī)范［5］對(duì)梁體強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，計(jì)算原設(shè)計(jì)狀態(tài)和運(yùn)營狀態(tài)混凝土最大壓應(yīng)力分別為11.93、10.81 MPa，均小于規(guī)范限值13.48 MPa；鋼筋最大拉應(yīng)力分別為177.2、160.6 MPa，均小于規(guī)范限值180.0 MPa；計(jì)算跨中撓度分別為9.60、8.73 mm，均小于規(guī)范限值10.00 mm［5］。

按現(xiàn)行規(guī)范［6］對(duì)受拉鋼筋疲勞和裂縫寬度進(jìn)行分析，計(jì)算原設(shè)計(jì)狀態(tài)鋼筋最大應(yīng)力幅為127.3 MPa，略大于設(shè)計(jì)容許應(yīng)力幅124.0 MPa，運(yùn)營狀態(tài)下為110.5 MPa，小于設(shè)計(jì)容許應(yīng)力幅121.4 MPa；在設(shè)計(jì)和運(yùn)營狀態(tài)下計(jì)算裂縫寬度分別為0.140、0.131 mm，均小于設(shè)計(jì)規(guī)范限值0.20 mm。

綜上，低高度鋼筋混凝土梁在設(shè)計(jì)和運(yùn)營狀態(tài)下的強(qiáng)度、剛度、疲勞和裂縫寬度均基本滿足規(guī)范要求，但設(shè)計(jì)狀態(tài)鋼筋拉應(yīng)力、疲勞應(yīng)力幅和跨中撓度均已達(dá)到或接近規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)受力安全裕量不高。

2.3 梁體現(xiàn)場測試

對(duì)病害程度不同的3孔梁進(jìn)行運(yùn)營性能現(xiàn)場測試，包括運(yùn)營列車通過時(shí)梁體的動(dòng)力響應(yīng)、撓度和應(yīng)力，以及試驗(yàn)列車以5 km/h速度準(zhǔn)靜態(tài)通過時(shí)梁體的撓度，測試結(jié)果見表2、表3。其中，梁A空鼓、銹脹開裂嚴(yán)重，梁B空鼓、銹脹開裂明顯，梁C未見明顯空鼓。

表2 典型梁體在運(yùn)營狀態(tài)的動(dòng)力響應(yīng)測試結(jié)果

表3 典型梁體在列車通過時(shí)的應(yīng)力和撓度測試結(jié)果

由表2、表3可知：

1）在運(yùn)營C80編組重載列車作用下，3孔梁的橫向振幅、橫向加速度和豎向加速度等動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)相當(dāng)，均滿足規(guī)范規(guī)定的通常值或限值要求［8］。

2）運(yùn)營狀態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)下3孔梁的撓度和鋼筋應(yīng)力均明顯小于理論值。按準(zhǔn)靜態(tài)測試結(jié)果計(jì)算的梁體最大撓度校驗(yàn)系數(shù)0.41，小于通常值0.55～0.65；最大應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)0.63，符合通常值0.55～0.65；換算中-活載下最大撓跨比1/2 216，小于通常值1/1 900。

3）空鼓、脹裂的梁體實(shí)測撓度和鋼筋應(yīng)力小于未見空鼓梁體的測試結(jié)果，可能與橋上道床和軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)、梁體混凝土實(shí)際彈性模量、鋼筋應(yīng)力分布的離散性有關(guān)。

2.4 梁體疲勞性能分析

鋼筋混凝土梁對(duì)疲勞較為敏感，重載列車長期大運(yùn)量作用時(shí)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。根據(jù)重載鐵路小跨度梁鋼筋疲勞試驗(yàn)的結(jié)果［9］和UIC 774-1的建議，得到鋼筋的疲勞S-N曲線方程為

式中：N為失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)；Δσ為應(yīng)力幅，MPa。

需要說明的是，上述結(jié)果是基于未銹蝕鋼筋的實(shí)測疲勞S-N曲線。對(duì)于腐蝕過程已經(jīng)開始的混凝土構(gòu)件，參考規(guī)范UIC 774-1，采用式（1）。

根據(jù)運(yùn)營30年重載鐵路實(shí)際運(yùn)營記錄，推算鋼筋的容許疲勞應(yīng)力幅和服役壽命的關(guān)系，如圖3所示。可知：正常低高度鋼筋混凝土梁鋼筋容許應(yīng)力幅為82.4 MPa，按現(xiàn)有運(yùn)量繼續(xù)運(yùn)營30年，其容許應(yīng)力幅降低至69.7 MPa，服役100年時(shí)降低至63.3 MPa，尚大于梁體鋼筋現(xiàn)狀實(shí)測應(yīng)力58.2 MPa。若鋼筋混凝土梁開始腐蝕，按現(xiàn)有年運(yùn)量繼續(xù)運(yùn)營30年后，鋼筋容許應(yīng)力幅由目前的73.2 MPa降低至57.7 MPa，現(xiàn)狀梁體鋼筋實(shí)測最大應(yīng)力大于容許值。說明服役過程中未出現(xiàn)腐蝕的鋼筋混凝土梁存在疲勞問題的概率相對(duì)較小，但鋼筋的腐蝕將明顯降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。

圖3 低高度鋼筋混凝土梁疲勞壽命預(yù)測

2.5 綜合評(píng)價(jià)

綜合調(diào)研、檢測、試驗(yàn)與計(jì)算分析的結(jié)果可知，該梁運(yùn)營性能指標(biāo)滿足要求，主要存在重車線梁體混凝土空鼓、脹裂、鋼筋銹蝕等病害。由于鋼筋混凝土梁設(shè)計(jì)為帶裂縫工作狀態(tài)，梁體病害造成的混凝土截面削弱尚未造成結(jié)構(gòu)受力性能的明顯降低，但持續(xù)發(fā)展可能導(dǎo)致鋼筋的嚴(yán)重銹蝕、斷裂，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性和抗疲勞性能影響顯著，最終影響結(jié)構(gòu)的安全。

3 低高度鋼筋混凝土梁病害整治

3.1 病害整治思路

從結(jié)構(gòu)病害的分布來看，病害主要集中于重車線梁體，說明運(yùn)營荷載下梁體混凝土裂縫的充分開展不利于保持結(jié)構(gòu)的耐久性，而橋梁防排水體系失效引起的梁體表面漫流以及嚴(yán)寒條件下的凍脹效應(yīng)是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)病害持續(xù)發(fā)展的直接原因，鋼筋保護(hù)層厚度偏薄和混凝土中性化是病害產(chǎn)生的主要原因，混凝土堿含量超標(biāo)是采用堿活性骨料的梁體開裂后病害加劇的誘因之一。另外，梁體設(shè)計(jì)安全裕量不高，梁體設(shè)計(jì)剛度偏低，鋼筋應(yīng)力及其活載應(yīng)力幅偏大。因此，有必要在梁體防排水體系改造的基礎(chǔ)上對(duì)重車線梁體進(jìn)行必要的補(bǔ)強(qiáng)加固處理。

混凝土小跨度簡支梁加固補(bǔ)強(qiáng)的常見方法有增大截面法、粘貼鋼板法、增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力法等［10-11］，由于低高度鋼筋混凝土梁橋下凈空較小，增大截面和增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力均會(huì)明顯降低橋下凈空，導(dǎo)致加固結(jié)構(gòu)被通行車輛撞損，因而本次采用粘貼鋼板法對(duì)梁體進(jìn)行加固處理。

3.2 病害整治方案

梁體病害整治包括結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)和耐久性改造兩方面：

1）結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)重車線梁體底板空鼓混凝土鑿除修補(bǔ)后粘貼縱向鋼板處理，粘貼鋼板長6.4 m，橫向分為3塊鋼板，其中邊鋼板呈L形，以加強(qiáng)梁體邊緣空鼓區(qū)修補(bǔ)混凝土與既有結(jié)構(gòu)的連接，同時(shí)避免后期運(yùn)營中因超高車輛通行刮損而導(dǎo)致鋼板脫落。加固結(jié)構(gòu)橫斷面布置見圖4。

圖4 梁體粘貼鋼板加固橫斷面布置（單位：cm）

粘貼鋼板采用厚8 mm的Q235D級(jí)鋼材，采用壓力注膠法粘貼。鋼板表面采用復(fù)合防腐層（多元合金共滲+鈍化）+涂裝體系進(jìn)行防護(hù)。

2）梁體耐久性改造。對(duì)輕重車線梁體混凝土裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)梁體表面涂裝，在既有梁體上翼緣底面增設(shè)滴水檐，并對(duì)既有泄水管進(jìn)行接長處理。

3.3 病害整治效果

對(duì)梁A和梁B加固前后運(yùn)營狀態(tài)下梁體受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見表4。

表4 梁體加固前后實(shí)測撓度、應(yīng)力對(duì)比

由表4可知：

1）運(yùn)營狀態(tài)下加固后梁體撓度和鋼筋應(yīng)力均較加固前有所減小。加固后梁體撓度降低為加固前的70%～83%，鋼筋應(yīng)力降低未加固前的69%～75%。

2）加固后梁體整體剛度得到明顯改善，梁A和梁B剛度分別提高43%和20%，以空鼓更嚴(yán)重的梁A更為明顯。主要與該梁底板空鼓鑿除面積更大，經(jīng)修補(bǔ)后相對(duì)于已開裂混凝土整體剛度提高更顯著有關(guān)。梁體鋼筋應(yīng)力幅明顯降低，降低幅度大于25%。

3）實(shí)測鋼板應(yīng)力均與對(duì)應(yīng)鋼筋應(yīng)力相當(dāng)，說明增設(shè)鋼板可較好地參與梁體結(jié)構(gòu)受力，變形協(xié)調(diào)一致，加固構(gòu)造合理，工藝可靠。

4 結(jié)論

1）本線梁體結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)安全裕量不高，運(yùn)營狀態(tài)下鋼筋混凝土梁裂縫的充分開展在結(jié)構(gòu)防排水失效的情況下導(dǎo)致大量出現(xiàn)嚴(yán)重病害。

2）鋼筋混凝土梁運(yùn)營狀態(tài)帶裂縫工作，梁體防排水體系的有效性是保持結(jié)構(gòu)耐久性的前提條件，嚴(yán)格控制混凝土中氯離子、堿活性骨料等有害成分，增加鋼筋保護(hù)層厚度等構(gòu)造措施是保持結(jié)構(gòu)耐久性的必要條件。

3）按設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)制造的低高度鋼筋混凝土梁的病害短期內(nèi)未對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營性能造成明顯影響，但持續(xù)發(fā)展將影響結(jié)構(gòu)的長期耐久性和抗疲勞性能，應(yīng)及時(shí)對(duì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素予以消除，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)。

4）粘貼鋼板法是結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)的優(yōu)選方案。加固后梁體整體剛度提高超過20%，鋼筋應(yīng)力幅降低超過25%，效果顯著。