铁路桥梁墩身表面裂纹整治及安全性分析

李　涛

(中铁上海设计院集团有限公司，上海　200070)

铁路桥梁墩身表面裂纹整治及安全性分析

李涛

(中铁上海设计院集团有限公司，上海200070)

摘要：针对某铁路特大桥在施工过程中出现的部分墩身表面裂纹，分析裂纹发生原因，应用静、动力分析方法对桥墩结构进行安全性评估，得出墩身表面裂纹对墩身强度及刚度等设计控制因素影响较小、不影响桥墩正常使用的结论，提出结构加固整治措施并付诸实施。建成后进行的行车检测表明，桥梁结构安全，完全满足运营要求。

关键词：铁路桥梁；桥墩；裂纹；加固

1概述

某线铁路特大桥跨越运河，全长3 512.94 m，双线Ⅰ级铁路，客车设计速度为120 km/h，中一活载。主跨为64 m下承式钢桁梁，道砟桥面。引桥为32 m预应力混凝土简支T梁，共105孔。桥墩为双线重力式圆端墩，桥台为双线T台。

本桥2009年8月动工建设，2013年6月建成通车。在施工过程中，发现主墩墩身及部分引桥墩身表面出现裂纹。经检测及成因分析，对桥墩结构进行了安全性评估，提出了加固整治措施并付诸实施。建成后进行了行车检测，结果表明桥梁结构安全，完全满足运营要求。

2桥墩工程

主桥桥墩(57、58号)为圆端形重力式混凝土墩，纵向宽3.3 m，横向宽15.6 m，高8.4 m；引桥桥墩为圆端形混凝土墩，纵向宽1.8 m，横向宽7.3 m，高度0.1～5.3 m；桥墩顶帽均采用C30钢筋混凝土，墩身采用C30混凝土；基础为钻孔灌注桩，主墩桩径1.25 m，引桥墩桩径1.25 m；桩长为28～54 m。墩身及托盘采用整体模板浇筑、振动棒振捣的施工方法。引桥桥墩一次浇筑，主桥墩采用泵送混凝土，两次浇筑。

工程场地地貌单元属海湖积平原，土层性质为第三、第四系。桩基持力层根据不同地质分段区，分别为⑧3层砾砂夹圆砾土、⑧4层圆砾土及弱风化石英砂岩。区域抗震设防烈度6度，设计基本地震动峰值加速度值为0.05g。

3墩身裂纹及成因分析3.1裂纹性质

(1)主桥墩身裂纹出现10余条，大多为竖向裂缝，分布于墩中心附近，个别为横向裂缝。裂缝宽度0.2～1.0 mm，深度约200 mm。

(2)引桥墩身裂缝较少，一般为2～3条，竖向及斜向裂缝各半，裂缝宽0.1～0.5 mm，深度约150 mm。

根据观测记录，大多数裂纹在混凝土浇筑50～60d后出现，之后趋于稳定，未见继续发展。

3.2发生机理

研究表明，混凝土结构的裂纹是由材料内部的初始缺陷、微裂纹的扩展而引起的。混凝土结构表面出现裂缝比较常见，引起裂纹的原因也很多，可归纳为由外荷载引起的结构性裂纹，以及由温度变化和混凝土收缩等因素引起的非结构性裂纹两大类[1-2]。由于本桥正处于桥墩和基础施工阶段，上部外荷载尚未施加，因此可判定为非结构性裂纹，并属于常见的收缩裂纹和温度裂纹。

3.3裂纹原因分析

分析本桥的施工过程，判断有以下几方面原因产生了裂纹。

(1)主墩体积较大，混凝土施工时早期水化热和水化速度相对较快，混凝土内部早期聚集热量较大，引起墩身内部温度升高，产生温度应力引起裂纹。

(2)施工时未采取原材料降温及混凝土散热等措施，造成混凝土内外温差过大，产生收缩应力，造成裂纹。

(3)主墩墩身混凝土采用泵送施工方法，施工速度过快，混凝土内部温度快速升高，加剧了裂纹的出现发展。

4桥墩安全性评估

由于墩身裂纹的出现，可能造成结构截面局部削弱。为确保建成后铁路正常运营，必须对桥墩结构计算分析，进行安全性及耐久性评估，提出必要的加固补强措施。根据铁路、公路桥涵设计及检定规范[3-7]标准，参照类似工程病害分析方法[8-10]，选择裂纹最多的58号主墩以及引桥28号墩，进行强度、刚度、耐久性等方面计算分析。静力分析时分别采用构件分析、有限元分析两种方法，相互验证；动力分析时采用结构车桥耦合动力有限元计算。桥梁建成通车后，还进行了行车状态下的振动测试，检验加固效果。

4.1构件法计算

(1)结构假定

对于横向裂纹，假定墩身每条横向裂纹沿其方向贯通、出现整体环裂的极端情况，计算时偏安全地仅计入裂纹深度范围以内墩身混凝土截面为承受荷载的有效截面。

对于竖向裂纹，同样假定出现了裂纹上下、前后贯通的极端情况，按照墩身竖向裂纹实际位置，偏安全地将整体桥墩分离为多个立柱构件的框架结构，立柱上端固结于顶帽，下端固结于承台。

(2)主要计算结果

按照上述最不利的结构假定，在最大列车荷载作用下，主桥58号墩主要设计控制指标计算结果见表1。

表1　构件法计算结果比较

可以看出，裂纹出现后对设计控制参数影响很小，例如桥墩无裂纹时，混凝土最大压应力为0.93 MPa。裂纹发生后，桥墩混凝土最大压应力为1.21 MPa，较原设计增大30%，但仍远小于规范允许值10.0 MPa，满足设计要求。

4.2有限元法计算

采用ANSYS软件建模，混凝土桥墩选用SOLID45单元[11-12]。按照前述最不利状况考虑，桥墩结构应力计算结果见表2。

表2　有限元法应力计算结果　MPa

注： “-”为拉应力。

由表2可见，墩身出现裂纹后的桥墩应力发生较小变化，例如竖向最大压应力从1.07 MPa增大至1.28 MPa，但仍远小于规范容许值10.0 MPa；主拉应力从0.45 MPa增大至0.71 MPa，也远小于规范容许值0.73 MPa。图1给出了桥墩竖向应力分布情况。

图1　桥墩竖向(SZ)应力分布云图

4.3动力分析计算

(1)有限元模型

车桥耦合动力计算分析时考虑了相邻边跨的影响，采用MIDAS软件建模，图2为主桥空间有限元模型。

图2　主桥空间有限元模型

(2)列车工况

考虑准高速客车和C62货车两种列车，16辆编组，即1DF机车+15拖车。

(3)主要结果

58号墩纵向及横向自振频率、横向振幅计算结果见表3。

表3　58号桥墩自振频率、横向振幅对比

考虑裂纹后，动力参数变化很小，频率变化在3%范围以内；横向振幅为0.181 mm，增大97%，但仍远小于《铁路桥梁检定规范》(铁运[2004]120号)规定值0.85 mm。此外，列车减载率及脱轨系数变化也很小，例如客车以140 km/h最大速度行驶时，脱轨系数由0.153增加到0.167，增大9%，仍远小于规范允许值1.0，表明列车运营安全性能良好。

上述安全性评估表明，墩身表面裂纹对结构强度及刚度等设计控制因素影响较小，不影响桥墩的正常使用，在保证耐久性的条件下，桥梁结构完全满足铁路运营要求。

5裂纹修复及加固效果

5.1修复加固方法

由于引桥桥墩的裂纹少而浅，对其修复的主要原则是填充封闭裂纹、外侧增加耐久涂层的方法，保证结构的耐久性；主墩裂纹较多且较深，采用了更为牢固可靠的表面包箍法封闭。

对混凝土表面裂纹处理，一般有表面喷浆、树脂胶灌补、压浆、增加钢筋混凝土套箍或局部拆建等方法。参照国内外桥墩裂纹病害常用的修复方法[9-12]，经综合比选，引桥墩裂纹处理采用环氧树脂胶注射封闭，墩身全表面再涂1层QX-2B型聚丙烯硅材料防护，增加耐久性效果。

主桥墩墩身处理时，凿毛表面混凝土，外侧浇筑20 cm厚C40钢筋混凝土套箍，与墩身连成整体。水平植入φ16 mm钢筋，间距45 cm，梅花形布置，植入墩身16 cm。外包层钢筋网竖向钢筋直径20 mm，间距15 cm，植入承台深度20 cm；水平环向钢筋直径12 mm，间距10 cm。加固后不仅提高了耐久性，还加大了墩身截面，改善了受力状态。图3为加固后主桥桥墩截面。

图3　主墩加固后断面(单位：cm)

5.2效果评估

桥墩经过裂纹封闭处理、增加外涂层或设置钢筋混凝土外套箍等措施后，耐久性有很大提高，完全满足铁路运营安全的要求。同时，与未开裂的桥墩相比，加固后的主桥墩由于外包混凝土部分使得受力截面增大并产生套箍作用，降低了墩身的荷载应力，改善了结构的力学性能。例如，竖向最大压应力由原1.07 MPa降低为1.02 MPa，因此，加固后的桥墩结构具有更大的安全储备。

6现场动力检测及安全评估

本桥建成通车后，有关部门对主跨钢桁梁及58号墩进行了运营状态下的结构动力检测。在实测时速124 km/h客车及65 km/h货车行驶状态下，桥梁钢桁梁和墩身自振频率、横向最大振幅实测值见表4。

实测各项动力指标均在《铁路桥梁检定规范》规定值范围内。其中，58号桥墩横向最大振幅为0.071 mm，还小于未考虑桥墩裂纹时的计算值0.092 mm(表3)，表明桥墩刚度增大，桥梁满足正常运营要求。

表4　列车运营下桥梁动力指标实测值

7结语

安全性评估表明，墩身表面裂纹对墩身刚度、稳定、应力、偏心限值及自振频率等静、动力设计控制指标影响较小，不影响桥墩的正常使用，但应强化耐久性措施。整治修复后不仅可以满足耐久性要求，还提高了主桥墩的刚度，降低荷载应力，具有更大的安全储备。

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Analysis and Remediation of Railway Bridge Pier Surface Cracks

LI Tao

(China Railway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Shanghai 200070， China)

Abstract：In view of the cracks appearing on pier surface during the construction of the railway bridge， static and dynamic methods are used to analyze the root of the cracks and evaluate the safety of the pier structure. The results show that surface cracks on the pier have less effect on control factors for pier design， such as the strength and the stiffness， and do not affect the normal use of the pier. This paper puts forward structure reinforcement measures， which have been implemented. The operation test after completion shows that the bridge structure can fully satisfy the requirements for safety and operation.

Key words：Railway bridge; Pier; Cracks; Reinforcement

中图分类号：U443.22

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.021

文章编号：1004-2954(2015)06-0093-03

作者简介：李涛(1957—)，男，教授级高级工程师，E-mail:litao@sty.sh.cn。

收稿日期：2014-08-20； 修回日期：2014-10-16