铁路混凝土桥角钢支架人行道耐久性探讨

张传东

(济南铁路局工务处，山东济南 250001)

为满足养护维修的需要并确保作业安全，铁路桥梁均应设置人行道，栏杆间内侧净距应满足净空和限界要求。《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)(以下简称《桥规》)第3.3.10条规定:“道砟桥面梁式桥均应设置带栏杆的双侧人行道。直线上自线路中心线至人行道栏杆内侧的净距区间内的桥为3.0 m，车站内的桥为3.2 m，牵出线和梯线上的桥为3.5 m，曲线桥人行道可根据桥梁限界要求加宽。”目前，我国铁路除高速铁路和城际铁路外，混凝土梁人行道一般由角钢支架和安放在其上的分片式混凝土人行道板组成，角钢支架通过预埋在梁体挡砟墙上的U型螺栓锚固。此结构形式主要是受以往梁体制作和运输条件限制以及考虑到便于安装等方面所确定的，存在很多不足，不利于耐久性运营。一是由U型螺栓、角钢支架和分片式混凝土人行道板组成的结构整体性较差，混凝土人行道板设计强度较低，混凝土保护层较小，不利于结构耐久性保持;二是构件虽是标准化设计，但施工单位通常为降低造价而现场制作，由于现场制作工艺、混凝土养护等条件差，使得构件质量，特别是钢筋混凝土人行道板的质量难以达到设计标准;很多混凝土板应用3～5年就开裂失效。由于以上原因导致的大量维修工作，超出正常大维修所能承受的工作量。全国铁路现有桥梁58 290座，长6 990 436 m，其中96.8%为圬工桥，除高速铁路2 268座，长1 437 130 m外，其余91.7%是设角钢支架人行道的混凝土梁桥，数量和所占比例巨大。由于施工时超标堆载，近年来全路出现了多起人行道塌落引起人员伤亡事故。如2012年5月13日，成昆线K223+657桥由于人行道堆载过多及U型螺栓预埋深度不足，导致第4孔跨度31.7 m预应力混凝土梁左侧整孔人行道支架垮塌，造成施工人员两死两伤事故。为保障铁路运营的长治久安，需要对这种混凝土桥梁人行道结构进行深入系统地分析和探讨，改进现有维护手段、工艺措施，优化增设和新建结构方案以及建设标准，从根本上解决运营安全问题。

1 钢支架人行道构成

1.1 设计荷载

在历次《桥规》修订版中，铁路桥梁人行道荷载设计标准虽有所变化，但基本没有大的差别。桥梁人行道设计荷载大致情况:一是道砟桥面人行道距离梁中心2.45 m以内竖向均布静活载为10.0 kPa，2.45 m以外为4.0 kPa，明桥面为4.0 kPa，自2005年起板采用4.0～5.0 kPa，人工养护的道砟桥面尚应考虑人行道上堆砟荷载;二是人行道板还应按照1.5 kN集中荷载检算，桥梁检查维修通道设置于桥面人行道时，还应按动力检查车的荷载检算;三是检算栏杆立柱及扶手时，立柱顶面水平推力按0.75 kN/m，立柱扶手按1.0 kN集中荷载检算。

1.2 人行道支架

人行道支架是承托人行道板的承重结构，由横梁、斜撑和竖向连接角钢三部分组成，并藉预埋在梁体挡砟墙内的螺栓而安装在梁体外侧。横梁端部设置立柱，立柱由纵向角钢扶手和圆钢连接形成防护栏杆。其构造见图1。横梁采用双角钢，其一支与立柱连接，另一支在其端部弯成90°以挡护人行道板;斜撑连接于竖向角钢和横梁之间，与其形成稳定的三角支撑结构;竖向连接角钢既是人行道支架的组成部分，又是将人行道支架固定于挡砟墙上的连接构件。一般情况下，竖向连接角钢与横梁用同一根角钢弯制而成。

图1 角钢支架人行道(单位:mm)

1.3 人行道板

目前，钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥均采用纵铺型人行道板，将其直接铺设在人行道支架上。人行道板绝大多数采用钢筋混凝土制成，少量仍采用木板。钢筋混凝土人行道板截面均为矩形，构造简单，为确保人行道板具有一定强度和刚度，规定钢筋混凝土人行道板厚度不得小于7 cm，实际标准设计图一般均设计为7 cm，200号混凝土。为保证人行道板具有一定刚度，人行道板挠度宜限制在1/250L～1/300L之间，L为人行道板的计算跨度。为避免安设人行道板时将板上、下面倒置，钢筋混凝土人行道板均采用双层对称布筋截面(如图2);如采取措施，保证按设计规定安设时，亦可采用单层布筋截面。

图2 钢筋混凝土人行道板断面

1.4 U型螺栓

人行道支架与挡砟墙之间一般通过预埋件连接，预埋于挡砟墙内的螺栓一般为U型螺栓，少部分图号根据梁体设计需要采用了其他形式预埋件，如专桥2045图跨度40 m预应力混凝土T形梁由于梁体挡砟墙侧面高度不足以设置U型螺栓而改为设置L型螺栓加预埋钢板等，再则自2005年改为预埋T型钢。但这些变化与U型螺栓连接设计相比，并没有根本性改变，铁路混凝土梁U型螺栓等形式的预埋连接件数量巨大，顺桥梁挡砟墙两侧一般每隔1.5 m设置1个，梁体两端等部位加密。另一个变化是自专桥(01)2051系列等新的通用图开始，U型螺栓等预埋钢件开始在预埋前对其进行浸锌等防腐处理。

2 钢支架人行道问题分析

2.1 连接件问题

长期以来，在铁路桥梁人行道系统标准设计中，宽度0.50～1.55 m的铁路混凝土桥梁角钢支架人行道一直采用U型螺栓等预埋件连接，这些连接件是人行道锚固的受力关键部位。由于人行道首先是铁路作业人员的重要通道和作业辅助平台，因此一旦这些连接件出现问题，极易导致人身伤亡事故发生。综合对既有铁路桥梁的设计、施工、维护管理等方面分析，其主要存在以下几个方面的问题。

1)施工问题。①U型螺栓埋深不足，如近期发生人行道支架垮塌事故的成昆线K223+657桥除堆载超标外就是由于U型螺栓预埋深度不足所致;②所用螺栓材质存在问题，如胶黄线桥梁在正常运营状态下出现部分螺栓剪断;③焊接作业不良等，如专桥2045图跨度40 m预应力混凝土T形梁L型螺栓与预埋钢板之间的焊接普遍不足，对2009年3月发生的一孔人行道坍塌分析，24个脱落托架计48个焊点中，L型螺栓与钢板焊接均没有一处是全断面焊接，点焊31处、焊瘤长度达三分之一10处、焊缝长度不足三分之一的有7处，焊缝高度一般为2～5 mm，L型螺栓与钢板对接的端面没有做成斜面，不密贴而影响了焊接质量。

2)部分设计埋深不足，螺栓直径偏小。①部分定型图设计时U型螺栓锚固深度不足80 mm，如专桥(63)1010、专桥(66)1013 U型螺栓锚固深度仅为50 mm;②部分桥梁人行道进行单项设计，U型螺栓直径仅为16 mm。

3)动力效应问题。以对某跨度24 m预应力混凝土梁桥进行竖向振动测试为例，从列车通过时梁体和人行道托架外侧测试数据看(见表1)，数据虽较离散，但振动效应不能忽略。由此说明，U型螺栓在人行道托架振动影响下，要承受反复应力作用，产生疲劳损伤，其效应与静应力下的强度失效有本质区别。后者是因螺栓危险断面产生过大残余变形，而疲劳破坏是存在局部高应力区，较弱的晶粒在交变应力作用下形成微裂纹，裂纹不断扩展而最终导致脆断。因此，在U型螺栓设计中忽视动力效应影响，也是螺栓破坏的一个重要原因。

表1 某大桥竖向振动加速度测试结果 m/s2

4)环境问题。人行道U型螺栓等连接件普遍性的问题是梁体挡砟墙外部分长期暴露空气中，极易产生锈蚀，从而会降低承载力，产生安全隐患。

5)检修难。U型螺栓锈蚀部位重点在托架和梁体之间，由于其隐蔽性，加之大部分桥检查属高空作业，因此对其不仅检查检测难，而且不易及时发现问题。

2.2 钢构件防腐问题

钢构件的防腐处理是决定其使用寿命的关键，人行道托架、栏杆、吊栏、围篮等钢料防腐问题主要体现在:①施工阶段所做的涂装普遍存在除锈不彻底、涂装厚度不达标等问题，运营不久即需重新进行除锈涂装整治工作，不仅造成了大量人力物力浪费，而且给铁路运营安全造成了很大影响;②钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥人行道均采用纵铺型人行道板，直接铺设在人行道支架上，造成托架横梁顶面易积水、潮湿等问题而导致涂装失效锈蚀，同时又因人行道板压覆而不易对该区域进行涂装维护;③存在难以正常涂装区域，除人行道板压覆该区域，还有横梁等双支间的构件表面、竖向角钢与挡砟墙间的表面处理问题;④涂装标准低，按照目前《铁路钢桥保护涂装及涂料供货技术条件》(TB/T 1527—2011)(以下简称《钢桥保护涂装》)规定，这些桥梁附属钢构件涂装标准采用最低的第1套标准涂装体系即可，即红丹防锈底漆和醇酸面漆各2道。由于涂装标准低，该涂装体系又是现场高空作业，受环境、作业条件等限制很大，若初建时处理不好，安装后就很难处理达标。

2.3 人行道板耐久性问题

为便于更换或安装时人力搬运，每块板重量不宜超过0.5 kN，混凝土梁桥人行道板采用小构件化设计，这为设计、制作加工带来了很多难题和不足，也极易造成制作不达标问题的发生。

1)设计不足。①在7 cm截面设计厚度情况下，为避免安设人行道板时将板上、下面倒置，钢筋混凝土人行道板均采用双层对称布筋截面，从而导致保护层厚度较小，仅为17 mm，极易造成箍筋处开裂;②以往人行道板混凝土设计等级较低，仅为200号混凝土。

2)施工不足导致缺陷加剧。施工单位一般认为人行道板为非行车设施，不重视它的制作施工，存在对砂石选料不严，混凝土配合比随意性较大且搅拌不充分，钢筋绑扎不标准，钢筋网定位不准确等问题，进一步加剧了人行道板质量的劣化。这样的设计标准和施工组织决定了其耐久性差，抗冲击能力低，致使人行道板易于产生保护层脱落、钢筋锈蚀等病害，导致人行道板很快失效，危及作业人员安全，大幅降低了其设计使用寿命，实际平均使用寿命仅为5～10年。

3 混凝土梁人行道改进探讨

3.1 完善和提高修理标准

3.1.1 人行道支架

1)严格执行各项技术标准。无论是新建还是既有设备的涂装修理，实施单位应通过加强施工作业组织，严格过程控制来确保质量，使得涂装体系能实现设计预期寿命。首先要把好进料关，确保涂料质量符合标准要求;其次应开展专业化队伍施工，通过提高作业人员的业务素质来确保作业质量;三要重视机械化作业，从基面清理清洗、喷涂工艺等方面开展机械化作业，以此提高作业质量和效率。

2)提高现有涂装体系等级。目前《钢桥保护涂装》所规定的桥梁人行道托架及栏杆采用等级最低的第1套标准涂装体系即可，即红丹防锈底漆和醇酸面漆各2道，每道35 μm。该涂装体系从涂装用料、工艺等方面都偏低，特别是受作业环境、条件以及人员素质等方面限制很大。为更好提高人行道设备的耐久性，应进一步提高其涂装技术标准，如近几年新的通用图已提出改为第Ⅳ、Ⅴ套标准涂装体系，但一些施工单位在实际施工过程中并没有很好地贯彻落实，应引起重视;同时，运营维护单位在钢结构维护涂装中，也应改变观念，对钢结构采用高标准涂装体系进行维护。

3)进一步改进现有涂装保护体系。目前，我国运营线钢梁桥长度约占桥梁总长的4.5%，另钢管混凝土拱桥等主体设备以及人行道托架、栏杆、避车台支架、检查梯、墩台围栏、检查吊篮等安全检查设备大多使用钢结构，现行《钢桥保护涂装》标准虽经多次修订，涂装标准有了较大提高，但仍延续以往低投入建设成本理念。由于在铁路开通运营后，作业条件受到了很大限制，而且随着我国经济社会的快速进步发展，工时成本快速上升，其增长速率比料费增长速率快。因此，从生产效率、运营安全、经济效益等多方面考虑，应充分推广应用“四新”手段，如充分利用厂内热浸锌等先进生产工艺，进一步修订改进现有铁路钢结构涂装保护体系，应力求每一项涂装保护体系都实现长效涂装，进一步提高铁路桥梁钢结构保护涂装技术水平，实现20～30年乃至更长的涂装寿命，从根本上确保设备耐久性。

3.1.2 人行道板

1)研究快速修补工艺。根据铁路桥梁钢托架人行道的技术特点以及现有钢筋混凝土人行道板劣化特点，分析裂损混凝土人行道板的大面积快速修补工艺和修补整治措施，引进喷射混凝土技术等新材料、新工艺，研究钢筋混凝土人行道板补强技术的可行性，进行试验分析，避免过快更换人行道板带来的繁重任务和巨大经济投入。

2)完善既有人行道板生产工艺。开展钢筋混凝土板生产线工艺及流程研究，从生产设备的改进完善和混凝土配合比控制、材料选取加工、蒸汽养护措施等方面进行总体试验分析，建设一套成熟的钢筋混凝土板生产线标准和钢筋混凝土板生产技术标准、作业标准，实现厂制化生产目标。

3)优化既有人行道板设计。①进一步提高混凝土等级，小构件生产应力求高标准，从以往的200号混凝土，到现在的C30级混凝土，应再有所提高和加强，可考虑改为C40混凝土;②采用聚丙烯纤维等材料形成水泥基复合材料改善人行道板韧性、刚度等性能，以提高人行道板的耐久性;③改进钢筋混凝土板所配置的钢筋，如采用中高强钢筋、预应力钢筋混凝土等来改善板的构造和性能;④不再用钢筋混凝土，采用玻璃钢纤维板等新材料、新工艺，研制新型人行道板。通过这些工艺的改进，实现人行道板通宽整体制作，加强其整体性，减少维护工作量，同时提高安全性。

3.1.3 U型螺栓

由于人行道U型螺栓等连接件外露部分易锈蚀，受列车动力作用易疲劳破坏，以及施工造成的埋深不足等问题，应加强检查、检测和修理，并通过采取预防性控制措施，保证其使用寿命和安全性。首先，要通过作业升降平台等手段加强检查，采取无损检测来加强检查判别，确保能够及时发现问题;其次，要做好对托架与挡砟墙间螺栓的封闭工作，封闭措施要有完善的工艺，严格作业程序，确保封闭的长效性。新的通用图人行道角钢支架虽采用了预埋T型钢与梁体连结方式，并进行了防腐处理，短期内质量有了大幅提高;但到一定时期仍需采取一些预防性修理措施，长期而言，运营单位仍面临大量防腐处理问题，仍是人行道安全的薄弱环节。

3.2 新建和改建人行道

3.2.1 既有桥人行道增改

既有桥梁增设或改造人行道时，要充分考虑结构安全性、可靠性和耐久性。①若采用钢支架人行道方案，为保证使用安全，应对支架与梁跨的联结强度进行检算，并规定使用条件;若混凝土梁的支架预埋件强度不足，宜采用与梁跨分离的人行道梁方案;否则，应采取有效的加固补强措施。植筋杆件应采用多元真空复合渗锌层+达克罗涂层+封闭层处理，其中渗层厚度≥50 μm，达克罗涂层厚度为6～8 μm，封闭层厚度为5～8 μm;其它杆件防腐处理应不低于《钢桥保护涂装》中第Ⅴ套标准涂装体系或采用厂内热浸锌等新工艺措施。②采用玻璃钢纤维板等新型人行道板，加强其整体性设计，减少维护工作量，提高运营安全性。

3.2.2 全面实施整体桥面设计

无论角钢支架人行道如何改进，包括结构的改善、材料的革新、防腐技术标准的提高等，都不能从根本上解决其先天整体性差，构件易腐蚀、裂损等耐久性差，检修工作量巨大且高空作业困难等问题，难以保证其使用寿命和运营安全性。要从根本上改变铁路桥梁人行道性能，就必须按主体结构整体性思路，实现与主体结构的一体化设计，如同目前高速铁路桥梁所做的整体桥面设计。业内人士已认识到了此项问题的必要性，并在《桥规》第3.3.10第3条做出了规定:“有砟桥面人行道宜优先采用整体桥面，并根据桥位具体情况和养护维修不同要求考虑维修通道的设置。”但是目前的通用图设计中，对于分片式混凝土简支梁仍没有开展整体桥面人行道设计，在继续沿用以往的角钢支架人行道设计，仅是在连接部件、涂装标准等方面有所改善。近几年，以高速铁路桥梁为标志的混凝土箱形梁整体桥面设计已在实践中得到了充分检验和广泛认可，它基本解决了角钢支架人行道给运营单位带来的繁重的检查检测、修理加固工作任务。因此，应加快推进这项工作，尽快将《桥规》这项规定落实到设计图中，落实到现场中。

目前的铁路混凝土箱形梁等整体桥面设计实现了“面”的整体设计，但不足的是没有将人行道栏杆纳入其中。现行整体桥面的人行道设计虽已改为钢筋混凝土构造，但为后装配式构件，仍属小构件制作安装范畴，容易出现质量问题，随着运营时间推移，会带来巨大修理工作量，也会造成人身安全隐患。为进一步提高人行道栏杆的整体性、耐久性，整体桥面设计应进一步将其纳入“整体设计”范畴，确保设备质量均衡。

4 结束语

我国铁路正处于快速发展时期，加强和完善建设标准，建设优质铁路运营设施，对于铁路的高效、安全、经济运营至关重要。全路各年代所建混凝土梁角钢支架人行道已达10 337单侧公里，其维护已成为铁路运营单位的沉重任务和安全负担。为根本改变这种局面，应强化混凝土桥梁的整体设计理念，及时充分利用现代材料、机械等科技成果，全面提升铁路桥梁耐久性设计，实现建百年精品工程的质量目标。

[1]铁道第三勘察设计院.TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京:中国铁道出版社，2005.

[2]铁道第三勘察设计院.铁路工程设计技术手册·混凝土桥[M].北京:中国铁道出版社，1999.

[3]中华人民共和国铁道部.铁运[2010]38号 铁路桥隧建筑物修理规则[S].北京:中国铁道出版社，2005.

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