某新建铁路桥墩裂缝成因分析及承载力评定

贾飞宇

(中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081)

1 工程概述

某地方铁路一特大桥，全长539．05 m，为16孔32 m预应力混凝土简支梁，T形桥台，圆端形实心墩，墩台的混凝土等级为C30，0#台至12#墩为扩大基础，13#墩至16#台为桩基础，全桥位于半径800 m的曲线上。

该桥在施工过程中，部分桥墩建成时，经检查发现有些桥墩墩身裂缝比较严重。为了保证新建桥梁使用的安全性，受业主的委托，对裂缝较严重的桥墩进行了检定评估，通过检定试验和理论计算分析，判定了桥墩的承载能力。

2 现场检定试验

2．1 检定试验项目

通过与建设、监理以及施工单位共同研究，决定对该桥的 2#，7#，8#，9#，10#，12#墩进行现场试验。其中2#墩属较完好的桥墩，选择的目的是进行对比试验。

试验项目:①对墩身裂缝进行外观状态检查;②对墩身裂缝宽度和深度进行无损检测;③对各墩的横向(垂直桥轴线方向)和纵向刚度进行测试。

2．2 检定试验方法

1)裂缝宽度检测方法:采用电子成像放大技术，将裂缝原貌成像于仪器主屏幕，通过屏幕上的激光刻度尺，读出可靠数据。

2)裂缝深度检测方法:采用超声波振动能量在混凝土内传播，以穿过裂缝底部时的衍射角与裂缝深度的几何关系来测试裂缝深度。

3)采用冲击振动法，测试桥墩横向和纵向自振频率。其基本方法是用30 kg铸铁锤击打墩顶(见图1)，使桥墩产生冲击振动，在墩顶安放速度或加速度传感器。采集传感器的振动响应信号，对响应信号进行频谱分析，得到幅值谱和相位谱，利用幅值谱和相位谱双重标准来确定桥墩结构的自振频率。

图1 现场锤击

4)在冲击振动试验法的基础上，还采用大地脉动(环境微振动)法，对桥墩横向和纵向的微振动响应信号进行较长时间的采集并进行频谱分析，直接分析桥墩的自振频率。

2．3 试验结果分析

测试桥墩及基础情况见表1。

2．3．1 墩身裂缝检查结果分析

共检查了 5个桥墩的墩身裂缝，包括 7#，8#，9#，10#，12#墩。7#桥墩裂缝形态示意图见图2，裂缝宽度和深度检测结果见表2。

从各桥墩的裂缝检测结果可知:①各桥墩裂缝以竖向裂缝为主，裂缝连续长度最长为10 m以上。其宽度呈上窄下宽、上浅下深的态势，最宽的裂缝为1．4 mm，最深的为181 mm，7#墩最为严重;②各墩的水平裂缝不多，且未见环形通裂，裂缝最宽的为0．4 mm，最深为104 mm;③网状裂缝均较细微。

由表6可知，冬小麦籽粒酚类各组分中质量分数最高的为 NP（ 202.19~446.16 μg·kg-1），均值为333.66 μg·kg-1；OP 和 BPA 质量分数分别为3.40~25.33 μg·kg-1和 1.36~ 33.27 μg·kg-1，均值分别为 8.47 μg·kg-1和 7.62 μg·kg-1。冬小麦籽粒 NP各组分中NP2、NP4、NP9质量分数相对较高，均值分别为 64.55、62.97 和 54.55 μg·kg-1。

表1 测试桥墩基本情况

图2 7#墩裂缝形态示意

表2 7#墩裂缝检测结果 mm

2．3．2 墩身裂缝的成因分析

从所测得的5个桥墩数据和裂缝的形态分析，判定裂缝属于温度裂缝。虽然5个桥墩均在春夏季施工，但该地区位于内蒙古高原南沿，燕山山脉山区，海拔1 100～1 300 m，年平均气温 0．8 ℃ ～1．6 ℃，昼夜温差大，风沙大。据施工日志记载，8月份昼间最高气温达30℃以上，而夜间可降至15℃以下，且处于风口上，几乎每天都刮风，一般风力都达5～6级，阵风达9～10级。正是由于气候因素，施工时对混凝土内部温度掌握和估计不足，拆模时间控制不当，未及时采取保温保湿措施，使内外温差超过20℃以上，致使墩身产生深浅不一的表层裂缝。

2．3．3 桥墩横向和纵向刚度测试结果分析

1)桥墩横向自振频率测试结果分析

各桥墩横向自振频率采用冲击振动法的振动波形和频谱图见图3。实测自振频率与《铁路桥梁检定规范》(以下简称《桥检规》)通常值比较结果分析见表3。

图3 2#墩横向冲击振动波形和频谱图

表3 实测横向自振频率结果分析 Hz

由实测结果可见:

①采用冲击振动法实测的自振频率和采用脉动法实测的自振频率接近，表明实测值可信。

② 7#墩 ～10#墩和12#墩，墩高在30.9～33.9 m 之间，其实测自振频率在3.51～4.10 Hz之间，符合自振频率随墩的高度变化的规律，即墩的高度低而频率高，墩的高度高而频率低。2#墩墩高26.4 m，实测自振频率为5.0 Hz。

④6个墩采用两种方法实测的自振频率均高于《桥检规》通常值2倍以上(提高幅度在115%以上)，表明各墩横向刚度满足要求，墩身裂缝对横向刚度影响不大。

2)桥墩纵向自振频率测试结果分析

关于桥墩的纵向自振频率《桥检规》中没有明确规定。考虑到所测的桥墩均未架梁，横向和纵向均为悬臂柱体系，实测方法与横向相同，因此，参照《桥检规》的横向自振频率通常值的评定标准进行评定。各桥墩的实测纵向自振频率与《桥检规》通常值比较列于表4。

从实测结果可见:

①各墩纵向自振频率实测状况与横向自振频率实测状况相同，实测值均高于参考值，提高幅度在103%～128%之间，7#墩提高幅度最低(为103%);

②两种试验方法所测的各墩的自振频率均高于参考值的2倍以上，表明墩的纵向刚度满足要求，考虑到架梁后墩纵向振动和位移受到梁的支撑和约束，其纵向刚度也能满足安全行车的要求。

3 静力检算

因桥墩的受力不受竖向裂缝的控制，故从所做试验中挑选横向裂缝比较严重的桥墩(9#墩和12#墩)进行静力检算，并假设墩身裂缝为环裂，即按最不利的情况进行检算。按照《桥检规》的规定，对裂缝截面进行应力、倾覆和滑动稳定检算。经检算，桥墩的应力、偏心和稳定性的承载系数Kmin均＞1，说明桥墩在现有裂缝的情况下，能够满足中—活载的要求。

4 结论与建议

4.1 结论

1)各桥墩裂缝以竖向裂缝为主，裂缝连续长度最长的为11 m，最宽的裂缝宽为1.4 mm，最深的有1处深181 mm;水平向裂缝不多，未见有环形通裂，裂缝宽度为0.4 mm，所有裂缝从实测数据和裂缝形态分析，均属于表层温度裂缝。产生的原因是施工时对混凝土水化热产生的内部温度掌握和气温日较差估计不足，拆模时间控制不当，未及时采取保温和保湿措施，使混凝土内部温度和外部温度相差过大造成的。

2)裂缝较严重的7#墩 ～10#和12#墩，实测横向自振频率在3.54～4.10 Hz之间，与各墩的《桥检规》自振频率通常值比较，均有较大幅度的提高，提高幅度为115%～140%，亦即实测横向自振频率为通常值的2倍以上，表明墩身裂缝对横向刚度影响不大，各墩的横向刚度满足要求。各墩的纵向自振频率实测值亦均高于《桥检规》的参考值，提高幅度在103% ～128%之间，也说明墩的纵向刚度满足要求。

3)从静力检算的结果可以看出，桥墩的应力、偏心和稳定性的承载系数Kmin均大于1，说明桥墩在现有裂缝的情况下，能够满足中—活载的要求。

4.2 建议

1)墩身裂缝＜0.4 mm的可不处理，超过0.4 mm的裂缝可采用混凝土低压裂缝注入胶进行封闭;

2)各墩在架梁后由于梁和线路上部建筑质量的影响，自振频率会降低，为保证桥梁使用的绝对安全，通车后应对各桥进行动态检测。

［1］陈密，高岩，曾凡勤．武广客运专线某特大桥桥墩裂缝成因分析［J］．铁道建筑，2009(3):1-3．

［2］魏峰，牛斌，季文正．客运专线铁路简支梁桥墩台纵向线刚度分析研究［J］．铁道建筑，2010(4):21-25．

［3］中华人民共和国铁道部．铁运函［2004］120 铁路桥梁检定规范［S］．北京:中国铁道出版社，2004．

［4］中华人民共和国铁道部．TB 10415—2003 铁路桥涵工程施工质量验收标准［S］．北京:中国铁道出版社，2004．

［5］中华人民共和国铁道部．TB 10424—2003 铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准［S］．北京:中国铁道出版社，2004．