王 立

(中國(guó)中鐵上海工程局市政工程有限公司,上海 200063)

鐵路橋梁裂縫形成原因分析及控制措施

王 立

(中國(guó)中鐵上海工程局市政工程有限公司,上海 200063)

該文對(duì)鐵路橋梁裂縫的成因與分類(lèi)以及施工防治措施進(jìn)行了闡述,獲得了一些有益結(jié)論。

鐵路橋梁; 耐久性; 成因與分類(lèi); 控制措施

長(zhǎng)期以來(lái),鐵路在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用是巨大的,鐵路極大地方便了人們的出行和大量貨物的輸送,促進(jìn)了我國(guó)各個(gè)城市的發(fā)展。為了跨越江河,出于經(jīng)濟(jì)效益的考慮,在路線中設(shè)計(jì)建造了大量的橋梁工程,各類(lèi)型的橋梁均有,如斜拉橋、懸索橋、連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋、拱橋、簡(jiǎn)支梁橋等等,既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土拱橋,也有栓焊結(jié)合與全焊的鋼橋,在橋梁的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)期間有可能產(chǎn)生裂縫。鐵路橋梁的荷載形式與公路橋梁有很大的區(qū)別,動(dòng)力特性更加顯著,對(duì)裂縫的控制要求更加嚴(yán)格,只有這樣才能很好地保證橋梁的正常使用與運(yùn)營(yíng)的安全性。

隨著橋梁使用年限的不斷增加,加之前期設(shè)計(jì)的荷載與當(dāng)下列車(chē)及貨物等產(chǎn)生的荷載不同,一些混凝土橋梁產(chǎn)生了裂縫。由于水、腐蝕介質(zhì)的不斷入侵,裂縫不斷變大,進(jìn)一步降低了結(jié)構(gòu)的耐久性與承載能力,這樣會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期處于高應(yīng)力工作狀態(tài),同時(shí)也會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。鐵路橋梁的車(chē)輛行車(chē)速度快,橋梁動(dòng)力特性顯著,對(duì)裂縫較為敏感,對(duì)剛度要求較高,因此在設(shè)計(jì)施工運(yùn)營(yíng)階段都應(yīng)加強(qiáng)對(duì)裂縫的控制與處理,以保證列車(chē)行駛的安全性與舒適性。

1 裂縫的成因與分類(lèi)

實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)比設(shè)計(jì)狀態(tài)的受力與環(huán)境更加復(fù)雜,很多橋梁結(jié)構(gòu)在施工控制、材料選擇、養(yǎng)護(hù)維修等方面存在很大的問(wèn)題,往往導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)很早就出現(xiàn)了裂紋,比如預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉次序選擇不當(dāng)造成預(yù)應(yīng)力梁的開(kāi)裂,施工時(shí)間選擇不適宜使橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差過(guò)大而開(kāi)裂。一般地,可以將橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫分為結(jié)構(gòu)型與非結(jié)構(gòu)型裂縫。前者是由于受力引起的,而后者主要是由于施工與氣候等非受力因素引起的。

1.1 荷載產(chǎn)生的裂縫

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,車(chē)輛運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量也比原來(lái)大,往往超過(guò)了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用的荷載規(guī)范值,橋梁結(jié)構(gòu)由于車(chē)輛超載而發(fā)生裂縫。若對(duì)車(chē)輛超載不進(jìn)行控制、橋梁結(jié)構(gòu)也不進(jìn)行維修加固,那么橋梁的裂縫將進(jìn)一步發(fā)展,勢(shì)必嚴(yán)重影響行車(chē)的安全性與舒適性。常見(jiàn)的由荷載引起的裂縫有彎曲裂縫、剪切裂縫(支座附近)、斷開(kāi)裂縫(受拉引起的)、扭曲裂縫等。

1.2 溫度效應(yīng)產(chǎn)生的裂縫

混凝土的抗拉強(qiáng)度低,當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度顯著變化時(shí),混凝土將發(fā)生變形,加之很多情況結(jié)構(gòu)是超靜定的,變形將受到約束,結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生溫度次應(yīng)力。當(dāng)溫度次應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生裂縫,裂縫寬度較細(xì),且縱橫交錯(cuò)。在拆模前后、大體積混凝土的施工時(shí),易產(chǎn)生溫變裂縫,表面裂縫沒(méi)有固定的走向,而深層的裂縫往往與主筋走向相同。

1.3 收縮與凍脹產(chǎn)生的裂縫

隨著混凝士水分的散發(fā),結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生塑性收縮和縮水收縮(干縮),混凝土收縮會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力比混凝土的抗拉強(qiáng)度低時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫,這種裂縫是不規(guī)則斜裂縫,比較容易在橋梁橋墩中出現(xiàn)。由于開(kāi)裂面積大,隨著一些雨水及腐蝕介質(zhì)的侵入,加之在冬季雨水結(jié)冰會(huì)形成膨脹應(yīng)力體積會(huì)膨脹9%,從而加速結(jié)構(gòu)的破壞,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼筋將產(chǎn)生嚴(yán)重的損害。冬季施工時(shí),對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后若不采取保溫措施,將可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫,給后期預(yù)應(yīng)力的工作留下安全隱患。

1.4 鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫

由于混凝土施工質(zhì)量較差或在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)混凝土的保護(hù)層取值太小,在實(shí)際的橋梁環(huán)境中,混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)被CO2侵入而碳化以及海洋附近的腐蝕氣體與氯離子的侵入,使鋼筋逐漸被銹蝕,而銹蝕的鋼筋表面將產(chǎn)生Fe2O3從而增大鋼筋體積,使混凝土的裂縫進(jìn)一步被擴(kuò)展,同時(shí)保護(hù)層也會(huì)剝落。對(duì)于處于高應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力鋼筋更加危險(xiǎn),擴(kuò)展更加迅速,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸減小,嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的使用安全性。

1.5 施工與材料引起的裂縫

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu),施工工序?qū)α芽p的產(chǎn)生有重要的影響,如預(yù)應(yīng)力的張拉順序、大體積混凝土施工順序(橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)等施工)、起吊點(diǎn)的設(shè)置與運(yùn)輸堆放等等,處理不當(dāng)就可能會(huì)產(chǎn)生施工裂縫,嚴(yán)重時(shí)可能釀成工程安全事故,給乘客生命財(cái)產(chǎn)與國(guó)家經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失,影響整個(gè)工程的施工進(jìn)度與鐵路運(yùn)營(yíng)通車(chē)時(shí)間。施工人員對(duì)橋梁施工的具體流程不熟、對(duì)起吊的預(yù)制梁隨意設(shè)置起吊點(diǎn)、未達(dá)到混凝土強(qiáng)度的70%就張拉鋼筋、拆除支架的順序不合理,這些都會(huì)造成施工不當(dāng)。

很多的橋梁都采用了鋼筋(預(yù)應(yīng)力鋼筋)、混凝土兩種材料來(lái)建造,但是材料的質(zhì)量?jī)?yōu)劣、原料的制備與選取也都直接影響到結(jié)構(gòu)的耐久性,如配制混凝土?xí)r氯離子含量的控制好壞就是一個(gè)重要因素。很多施工單位為了追求利益的最大化和進(jìn)度,往往選擇一些質(zhì)量不合格或質(zhì)量較差的原材料,甚至一些施工管理人員對(duì)進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)的施工材料也疏于檢測(cè),使施工材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求。施工材料選擇不合理主要有水泥體積安定性不合格,水泥強(qiáng)度不足,水泥中堿性氧化物與砂石中云母超標(biāo)、級(jí)配不良。

2 鐵路橋梁裂縫的施工防治措施

隨著許多鐵路線路的修建,大量的橋梁被建造,在建造與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)了大量裂縫,國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的原因進(jìn)行了大量的研究和探討,針對(duì)這些開(kāi)裂原因也提出了一些具體的措施與方案,獲得了較好的效益。在實(shí)際的設(shè)計(jì)與施工中,應(yīng)采取防治結(jié)合的方針,將混凝土橋梁的裂縫消除在萌芽之中,對(duì)于難以避免的裂縫則及時(shí)地采取有效措施進(jìn)行處理,以免裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大,影響結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。在混凝土橋梁的設(shè)計(jì)中要合理地布置結(jié)構(gòu)與鋼筋,在進(jìn)行施工前,應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境條件制定好混凝土澆筑與振搗、養(yǎng)護(hù)方案。

2.1 荷載引起的裂縫控制措施

在施工階段對(duì)施工機(jī)具與材料進(jìn)行合理放置,對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)的吊點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì),加強(qiáng)施工階段的管理與工程監(jiān)理,將一些施工工程易導(dǎo)致混凝土橋梁開(kāi)裂的因素消除在萌芽之中。由于鐵路橋梁的荷載較大,結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性明顯,在設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)算,不得隨意在橋梁結(jié)構(gòu)中鑿槽、開(kāi)洞、設(shè)置牛腿等,從而避免橋梁在荷載作用下應(yīng)力集中而引起裂縫。

2.2 溫度裂縫的控制措施

施工過(guò)程中由于晝夜溫差較大與結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度變化不均勻,極易產(chǎn)生裂紋,在施工過(guò)程中減少使用水化熱比較大的、體積安全性不良的水泥。在施工過(guò)程中應(yīng)采取有效措施以控制混凝土澆筑時(shí)的溫度,諸如:對(duì)于大體積混凝土可以采取分層分段澆筑,用水降低拌合前混凝土的澆筑溫度,在寒冷季節(jié)與地區(qū)施工時(shí)采取保溫措施等等。

2.3 混凝土收縮裂縫與表面龜裂的控制措施

在施工材料的選擇時(shí)應(yīng)避免選擇一些收縮大的水泥如礦渣水泥、快硬水泥等,而應(yīng)該選擇普通水泥與火山灰水泥等這類(lèi)收縮性小的水泥,同時(shí)選擇合適的骨料、水灰比、摻外加劑進(jìn)行混凝土的配制,采用機(jī)械振搗方式使混凝土振搗密實(shí),注意混凝土后期的養(yǎng)護(hù)工作,以避免混凝土的收縮裂縫的形成。為了有效地防止混凝土表面現(xiàn)象的發(fā)生,施工單位應(yīng)采用低水化熱水泥品種,減小水泥用量,盡量縮短拆模時(shí)間,同時(shí)在拆模后采取一定的包裹措施,使混凝土表面的溫度變化小以減小熱脹冷縮,進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)28天,減小混凝土的水分流失速度。

2.4 施工裂縫的控制措施

施工單位應(yīng)有一個(gè)完善的質(zhì)量保證措施,因施工質(zhì)量?jī)?yōu)劣將可能直接導(dǎo)致裂縫的形成,影響橋梁的結(jié)構(gòu)的正常使用,況且鐵路橋梁對(duì)線形要求較高,列車(chē)的時(shí)速較快,荷載較大,動(dòng)力特性顯著,在施工中更應(yīng)該加強(qiáng)混凝土裂縫的管理與控制,監(jiān)理單位加強(qiáng)對(duì)一些易產(chǎn)生裂縫的部位檢測(cè)。在施工中合理安排施工節(jié)段的先后施工順序,科學(xué)地搭設(shè)支架避免一些塑性沉降裂縫的形成,混凝土澆筑完成后應(yīng)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)以保證施工質(zhì)量。在進(jìn)行施工材料選擇時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土配制中各成分的比例與氯離子含量,同時(shí)也應(yīng)該避免堿骨料反應(yīng),采用一些添加劑改善混凝土的各項(xiàng)性能,如抗拉強(qiáng)度、和易性、收縮性能等。選擇體積安定性良好的水泥,嚴(yán)格控制水泥中堿性氧化物的含量,選擇級(jí)配良好的骨料進(jìn)行混凝土拌合。

3 結(jié) 語(yǔ)

大量的各類(lèi)型的橋梁應(yīng)用于鐵路建設(shè)中,極大地促進(jìn)我國(guó)鐵路建設(shè)與發(fā)展。在鐵路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)中,有不少橋梁由于各種原因產(chǎn)生了裂紋,其中列車(chē)對(duì)鐵路線形要求較高,橋梁的動(dòng)力響應(yīng)明顯。有些裂縫是由于荷載產(chǎn)生的,有一些是由于材料選擇不適當(dāng)?shù)确呛奢d因素引起的,在設(shè)計(jì)時(shí)合理選擇荷載值,同時(shí)考慮未來(lái)幾年內(nèi)線路列車(chē)荷載與速度的發(fā)展,在施工中加強(qiáng)裂縫控制與運(yùn)營(yíng)后期的橋梁養(yǎng)護(hù)維修工作,以保證列車(chē)運(yùn)行的安全性與舒適性,提高橋梁的使用壽命與耐久性。該文對(duì)鐵路橋梁裂縫的成因與分類(lèi)以及施工防治措施進(jìn)行了闡述,獲得了一些有益結(jié)論,希望對(duì)今后鐵路橋梁裂縫的控制措施具有一定參考價(jià)值。

[1] 漆明安.混凝土橋梁施工裂縫形成原因及控制措施[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2008,20(6):69-71.

[2] 張 奎.混凝土橋梁施工裂縫形成原因及控制措施[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2005,17(1):33-34.

[3] 徐興安.鐵路鋼筋混凝土橋梁裂縫的危害、成因與防治[J].科技資訊,2009,39(7):65-67.

[4] 陳潯汐.橋梁建設(shè)中橋墩裂縫原因分析及控制探討[J].科技與企業(yè),2012,35(12):59-60.

[5] 謝 斌.鐵路橋梁墩身混凝土開(kāi)裂原因分析及施工監(jiān)理措施[J].建設(shè)監(jiān)理,2009,41(5):101-102.

Formation Cause Analysis and Control Measures of Railway Bridge Cracks

WANG Li
(Municipal Engineering Co,Ltd,CREC,Shanghai 200063,China)

This paper introduced reasons and classification and construction prevention measures of railway bridge cracks,and got some useful conclusions.

railway bridge; the durability; reasons and classification;control measures

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.06.019

2014-08-10.

王 立(1985-),工程師.E-mail:383972318@qq.com