轻轨高架桥墩顶帽开裂原因分析及加固措施

陈 焰 焰

(中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南 昆明 650000)



轻轨高架桥墩顶帽开裂原因分析及加固措施

陈 焰 焰

(中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南 昆明 650000)

通过检测某地铁高架区间既有轻轨桥墩顶帽及垫石开裂情况，分析了桥墩顶帽开裂的原因，并提出了四种可行的桥墩加固措施，同时分析了各种措施的优缺点，综合考虑强度、耐久性、外观、工期及费用等因素，最终选取了部分凿除、替换墩身的加固方案。

地铁高架区间，桥墩裂缝，临时支撑，加固措施

0 引言

城市轨道交通建设在我国已进入高峰期，随着地铁投资的加大和建设周期的缩短，既有以及新建轻轨高架区间桥梁的桥墩顶帽及垫石处发生了大量的开裂，此类病害有蔓延加剧的趋势，已经严重影响到桥梁的使用，极大的威胁了城市轨道交通运营的安全。

1 事故概述

事故桥墩为西南地区轨道交通某线停车场出入场线高架区间桥墩，投入运营两个月后桥墩顶帽及垫石即出现大量裂缝，裂缝桥墩为连续梁边跨接40 m简支梁的过渡墩，桥墩裂缝主要出现在墩顶顶面、正立面、侧面，其中墩顶正立面裂缝最为突出，裂缝长度从墩顶顶面往下1.2 m～1.3 m，宽5 cm，侧面及顶面裂缝宽度相对较小，但有继续开裂趋势；垫石裂缝主要为侧面45°斜裂缝、横向水平裂缝、竖直裂缝，其中横向水平裂缝宽3 cm，并且横向贯通，如图1，图2所示。

2 设计概述

该停车场出入段线1号～4号墩为连续梁桥墩，孔跨布置为(37.5+50+37.5)m双线连续梁，顶宽9.0 m。桥墩、垫石采用C50混凝土，承台及桩基均采用C35混凝土，普通钢筋采用HRB335，HPB235级，钢筋净保护层厚度3.5 cm。所有桥墩支座均采用钢支座，支座正常位移(纵向/横向)为±100 mm/±10 mm，高度调节范围0～+50 mm，Ag≥0.22g。事故桥墩小里程侧为40 m双线简支梁，大里程侧接连续梁边支点，如图3，图4所示。

3 现场检测情况

第三方检测单位对事故桥墩做了全面的检测，其中包括混凝土强度、钢筋保护层厚度、主筋间距、墩身裂缝长度及宽度、支座安装等。检测结果显示：1)墩身及垫石混凝土强度满足设计要求；2)垫石及桥墩的钢筋保护层厚度远超设计图纸要求，设计为3.5 cm，实测值最大为8.6 cm；3)桥墩主筋间距离散型过大，远超设计值，设计为12.5 cm，实测值最大值为23.5 cm；4)左侧支座偏压变形较为严重；右侧支座设计为ZX-3 000 kN，为纵向活动支座，而现场安装为横向活动支座。

后经支座厂家确定，现场支座安装有误。

4 裂缝原因分析

4.1 产生原因分析

纵观铁路桥梁建设过程中，桥墩开裂的事例较多，裂缝产生的主要原因可总结为以下几点：1)由于混凝土的物理、化学性质决定了早期收缩将导致表面裂缝的发生。进入硬化阶段，由于桥墩顶帽混凝土体积较大，水化热将使顶帽产生温差效应，在温度应力作用下，墩顶产生拉应力，导致裂缝的产生，这是裂缝产生的一个重要原因。2)目前在我国，建设单位对混凝土强度尤其是早期强度提出更高的要求，各水泥厂家为满足现场要求，水泥的成分发生了较大变化，加之早强剂、减水剂的使用，以及由于外界环境的变化和影响，有害离子与混凝土骨料之间的反应，更容易造成混凝土的开裂。3)由于设计规范对桥墩顶帽局部受力没有明确的变形裂缝控制规定，混凝土开裂问题尚未成为设计控制指标，大多数设计单位普遍采用标准图，但该原因并不明确，因墩顶设计采用多层纵横向钢筋网片一般能有效的控制裂缝的产生。4)车辆的横向摇摆力、轨道的不平顺影响：外部荷载在长期作用下将导致混凝土材料在疲劳状态下抗拉强度的降低，裂缝更容易发展。5)由于目前施工单位的素质良莠不齐，加之施工分包现象严重，很难保证桥墩混凝土的施工质量。另外，现场技术员对图纸的解读不够，现场错误操作将错就错，例如，支座安装纵横向反置，在连续梁端将产生多余约束，在温度力、收缩徐变及列车振动作用下，产生附加水平力导致桥墩开裂。

4.2 事故原因分析

在排除设计缺陷导致桥墩开裂之后，根据现场情况和检测结果，我们猜测桥墩开裂可能由于支座安装错误导致桥墩局部受力过大，产生裂缝。为了验证这个猜测，对结构采用ANSYS有限元程序进行整体计算。计算模型见图5。

边界条件按照设计支座布置和错误安装支座布置两种形式模拟，并施加整体升降温15 ℃工况。提取事故支座支反力计算结果见表1。

表1 支反力计算结果

计算结果表明：由于连续梁的边支点支座方向安装错误，导致连续梁的边支点产生较大的顺桥向水平力。为了准确的了解连续梁边支点支座安装错误产生的水平力对桥墩的影响，对桥墩采用空间局部模型分析，并比较了正常受力状态和异常受力状态的差别，异常受力状态作用整体升降温15 ℃工况。图6，图7为正常受力状态、异常受力状态横桥向应力云图。

计算结果表明：桥墩在正常受力状态下，墩顶横向拉应力最大为2.55 MPa,小于C50混凝土的容许拉应力3.1 MPa；异常受力状态下(仅列出升温工况)，改变支座活动方向，产生的附加支座反力对墩柱的受力影响很大。正常受力状态下，桥墩顶部配置构造钢筋即可满足受力要求。

5 整治建议方案

5.1 临时支撑措施

施工期间的临时支撑措施:为了防止施工过程中桥墩削弱或受力不均，造成桥墩出现更不利的受力状态，施工时增加临时支撑，通过支撑使梁体荷载托换至临时支撑，减少施工风险。

具体方式为：在原承台上设置临时钢支撑，采用千斤顶将梁体顶升5 mm，使得梁体荷载托换至临时支撑。临时支撑设置在桥墩连续梁侧，采用2根钢管柱支撑，钢管柱支撑型号为φ609 mm×10 mm，钢管采用法兰盘连接，钢管间采用槽钢联系。每个钢管上布置1 个200 t液压千斤顶，顶升过程确保同步均匀。图8,图9为临时支撑立、平面布置图。

5.2 加固方案

根据检测结果，在清理桥墩桥面杂物，设置临时支撑，卸载原墩受力后，提出四个桥墩加固方案：方案一(被动外贴加强)：用千斤顶将已经变形的桥墩顶回原位，灌注环氧树脂，外包碳纤维或贴钢板；方案二(部分凿除、替换墩身)：凿除破坏部分墩身及垫石混凝土，在未凿除部分旧混凝土墩柱上无钢筋处植筋，浇筑桥墩混凝土，预埋新垫石钢筋，浇筑垫石；方案三(全部凿除、替换墩身)：凿除墩身及垫石混凝土，承台凿毛，混凝土墩柱上无钢筋处植筋，浇筑桥墩混凝土，预埋新垫石钢筋，浇筑垫石；方案四(外包帽梁，预应力加固)：凿毛墩身，凿除垫石混凝土，搭设模板，绑扎钢筋，预埋预应力管道；浇筑帽梁混凝土，预埋垫石钢筋，浇筑垫石。

待桥墩强度达到设计强度后，将安装错误的支座卸下来，安装新的支座；用千斤顶将梁体缓慢降至新支座上，拆除临时钢支撑。

相比而言，方案一周期短，社会影响小，所占空间小，不增加结构重量，不减小桥梁净空，补强钢板起到了补强钢筋的作用，提高了现状桥梁的承载能力与耐久性，但对桥墩结构本身强度提高不大，粘结剂的质量及耐久性是影响加固效果的关键因素，应充分重视，另外加固钢板容易锈蚀，必须进行严格的防锈处理；方案三完全恢复结构至原设计状态，结构在强度和耐久性方面安全可靠，处理后结构外观影响小，不增加结构重量，不减小桥梁净空，但施工周期长，社会影响大；方案四对结构强度及耐久性方面有较大加强，不拆除原墩，施工过程较安全，但施工复杂，工期较长，费用较高，对结构外观影响巨大，增大结构尺寸及重量，影响净空尺寸。

考虑桥墩混凝土破坏较严重，方案一对强度的加强较弱，且耐久性不佳；方案三对工期、费用及社会的影响较大，方案四对桥墩外观及净空的影响较大。综合考虑强度、耐久性、外观及工期费用等方面，方案二竞争力最大，为一劳永逸的加固方案。

6 结语

1)本文通过检测分析、现场事故分析、模型计算分析，透彻的解析了桥墩墩顶开裂的原因，对同类工程桥梁事故处理有指导性意义。2)通过模型计算分析，支座安装错误产生较大的顺桥向水平力，加之其他因素产生的水平力作用，所有因素叠加将加速桥墩顶帽裂缝的开展。3)本文提供的临时支撑措施及加固方案，在优化、细化之后可供同类工程桥梁事故采用。4)在轨道交通加速建设过程中，建设单位应加强对施工方、监理方的管理。工程实施完成后，应强有力的进行验收，合格后方可投入运营。

[1] TB 10002.3—2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[2] GB 50157—2013，地铁设计规范[S].

[3] 李小军.铁路桥墩顶帽开裂原因分析和加固方法[J].铁道建筑,2009(10):4-6．

[4] 池海涌,才素平.跨越地铁车站深基坑的既有轻轨桥墩加固技术[J].包钢科技,2010(5):54-56.

[5] 王 峰,左家强,刘 强.铁路桥墩顶帽病害分析及临时加固设计[J].铁道勘察,2013(6):105-107.

Cause analysis and reinforement measures of light rail overhead pierhood crack

Chen Yanyan

(China Railway Siyuan Group Southwest Survey and Design Co., Ltd, Kunming 650000, China)

Through detecting existing light-rail bridge pier top and cushion cracking conditions of the subway viaduct intervals, the paper analyzes the bridge pier top cracking causes, puts forward four kinds of feasible bridge pier reinforcement measures, analyzes their merits and defects, comprehensively considers strength, durability, appearance, construction schedule and cost and other factors, and finally selects the reinforcement scheme of partial removing replacing pier body.

subway viaduct interval, bridge pier crack, temporary support, reinforcement measures

1009-6825(2017)08-0168-03

2017-01-04

陈焰焰(1984- )，男，硕士，工程师

U445.72

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