王如翰

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

普速鐵路具有較高的運(yùn)輸速度、安全性，運(yùn)輸能力突出。更為重要的是普速鐵路運(yùn)輸較少受自然條件的制約。但由于鐵路運(yùn)輸受軌道限制，需要建設(shè)橋梁、隧道提升運(yùn)輸效率。事實(shí)證明，我國(guó)鐵路運(yùn)輸量獲得了極大提升，但與此同時(shí)，鐵路橋梁病害的發(fā)生率也越來(lái)越高。結(jié)合我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及具體國(guó)情，需要對(duì)普速鐵路橋梁引起重視?；诖耍斜匾獙?duì)橋梁病害處理與整治工作進(jìn)行科學(xué)管理，防止橋梁功能受到負(fù)面影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化，也降低橋梁安全事故出現(xiàn)的可能性。

1 當(dāng)前普速鐵路橋梁常見(jiàn)的病害分析

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)裂紋

橋梁結(jié)構(gòu)裂紋是普速鐵路橋梁常見(jiàn)的病害之一。依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)損傷程度與原因的不同，可將其分為原生裂紋、銹蝕裂紋等。其中，原生裂紋是指在橋梁投入運(yùn)營(yíng)前出現(xiàn)的裂紋，由于橋梁建設(shè)受客觀因素影響較多，原生裂紋通常無(wú)法避免。通常，許多梁體結(jié)構(gòu)裂紋是由于氣候環(huán)境變化引起的。關(guān)于強(qiáng)度破壞引起的結(jié)構(gòu)裂紋，發(fā)生頻率較低，只有受彎構(gòu)件、拉桿等局部位置的截面拉應(yīng)力高于屈服強(qiáng)度，才會(huì)引發(fā)這一現(xiàn)象[1]。

此外，部件連接損傷也會(huì)引發(fā)裂紋的產(chǎn)生。隨著鐵路橋梁運(yùn)輸時(shí)間的不斷增加，橋梁的破壞程度也越發(fā)嚴(yán)重。橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中使用到的部件較多，不同種類(lèi)部件之間難以實(shí)現(xiàn)完全耦合，機(jī)械磨損就會(huì)導(dǎo)致部件連接損傷。具體來(lái)說(shuō)，橋梁連接構(gòu)件受力過(guò)程中，列車(chē)運(yùn)行密度、連接處應(yīng)力狀態(tài)、荷載動(dòng)力作用等與沿其接觸面的相對(duì)總位移相關(guān)，且呈線性關(guān)系。部件連接的構(gòu)造屬性、制造環(huán)境是影響磨損速度的重要因素，部件連接損傷會(huì)在一定程度上增加橋梁疲勞裂紋的出現(xiàn)概率[2]。銹蝕裂紋會(huì)直接對(duì)橋梁的安全性及使用壽命產(chǎn)生影響。在橋梁與空氣接觸較多、容易積水、積塵的地方容易發(fā)生銹蝕。鐵路運(yùn)輸也會(huì)導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)銹蝕損傷，一旦銹蝕損傷出現(xiàn)，橋梁的載重等級(jí)就會(huì)逐漸下降，橋梁裂紋也會(huì)越來(lái)越多。

除上述原因引發(fā)的裂紋以外，疲勞損傷也是造成橋梁結(jié)構(gòu)裂紋的重要因素，但此類(lèi)裂紋的復(fù)雜性較高。在橋梁承受動(dòng)態(tài)荷載的情況下，脈動(dòng)應(yīng)力會(huì)促使部件在橋梁構(gòu)件缺陷處產(chǎn)生裂紋。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定程度時(shí)，該部件的承載能力會(huì)受到影響并逐漸下降，從而對(duì)橋梁本身造成難以逆轉(zhuǎn)的傷害。從宏觀與微觀的角度來(lái)看，由疲勞損傷引起的裂紋受到多種因素的影響，材料和構(gòu)件靜力強(qiáng)度看起來(lái)對(duì)構(gòu)件本身的影響并不大，但其所造成的疲勞損傷卻是難以預(yù)測(cè)的[3]。

橋梁上部縱向裂縫示意圖如圖1所示。

圖1 橋梁上部縱向裂縫示意圖

1.2 材料強(qiáng)度較低

材料強(qiáng)度較低也是較為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)病害。以混凝土橋梁為例，材料強(qiáng)度較低可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)疏松、空洞。在鋼橋中，材料強(qiáng)度不足會(huì)導(dǎo)致銹蝕病害的發(fā)生。基于材料強(qiáng)度、施工技術(shù)等產(chǎn)生的混凝土缺陷，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響是必然的。這一結(jié)構(gòu)性損傷往往從結(jié)構(gòu)薄弱的部位開(kāi)始，之后逐漸過(guò)渡、延伸到其他部位，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐用性、適用性產(chǎn)生影響。盡管這一缺陷無(wú)法完全避免，但只要嚴(yán)格按照國(guó)家制定的相關(guān)規(guī)范施工，對(duì)材料進(jìn)行合理使用與養(yǎng)護(hù)，也能夠促進(jìn)橋梁自身結(jié)構(gòu)性能的提升[4]。

鋼橋梁建設(shè)過(guò)程中，若橋梁用鋼沒(méi)有滿足國(guó)家規(guī)范要求，出現(xiàn)強(qiáng)度較低、韌性不足等情況，則會(huì)導(dǎo)致鋼材缺陷的產(chǎn)生，如夾層、裂紋等。一旦橋梁材料強(qiáng)度較低，材料就會(huì)發(fā)生屈服，橋梁結(jié)構(gòu)間接受損。特別是對(duì)鐵路橋梁來(lái)說(shuō)，列車(chē)?yán)?、廢水的堆積與排放會(huì)大大增加橋梁發(fā)生銹蝕病害的概率。此后，隨著銹蝕程度的不斷提升，橋梁容易發(fā)生脆斷等情況，從而造成橋梁局部破壞甚至整體受損[5]。

1.3 橋墩偏移傾斜

橋墩的穩(wěn)定性與承載力是制約橋梁實(shí)用性的關(guān)鍵。橋墩偏移、傾斜會(huì)直接對(duì)橋梁上部的結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生影響，特別是對(duì)于位于地形復(fù)雜的山區(qū)異型橋梁來(lái)說(shuō)，任何一點(diǎn)微小的偏移或傾斜，都會(huì)導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)破壞。造成這一病害出現(xiàn)的原因主要有以下三個(gè)：首先，施工過(guò)程中基礎(chǔ)埋置深度較淺，如位于軟土地基上，或基底持力層厚度不均。其次，設(shè)計(jì)過(guò)程中跨徑較小，橋孔通水不暢，局部位置受到的沖刷力較大，基礎(chǔ)沖刷加劇。最后，由于河床變化和水流的長(zhǎng)期作用，彎道橋梁迎水面錐坡基礎(chǔ)被逐漸沖空，從而引發(fā)橋墩下沉、開(kāi)裂等問(wèn)題，對(duì)主體受力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

對(duì)于普速鐵路橋梁來(lái)說(shuō)，橋墩偏移、傾斜會(huì)降低橋面軌道的平滑性，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力較大，容易導(dǎo)致橋梁斷裂或列車(chē)脫軌運(yùn)行[6]。

1.4 橋梁支座損壞

橋梁支座是連接橋梁上下部結(jié)構(gòu)的重要環(huán)節(jié)。在橋梁支座的支持下，上部結(jié)構(gòu)的反作用力和變形可以順利傳遞到下部，從而使其真實(shí)地受力符合設(shè)計(jì)理論。

橋梁支座病害通常是剪切變形、局部脫空等。這一病害的發(fā)生與下述因素有關(guān)：首先，支座的選取不符合相關(guān)規(guī)定，承載力較低。其次，設(shè)計(jì)過(guò)程中，未結(jié)合實(shí)際情況對(duì)支座的選擇形式、布置方式等進(jìn)行綜合考量，支座邊緣預(yù)留寬度較少。再次，在支座的安裝中，支座墊石、梁底面平整度不符合相關(guān)要求，或砂漿不夠緊密、金屬支座防腐、防銹處理不到位等。最后，前文提到的橋墩的傾斜、偏移也是影響橋梁支座正常使用的原因之一。

1.5 橋梁梁體剝落

導(dǎo)致橋梁梁體出現(xiàn)剝落的原因是多方面的，橋梁自身的結(jié)構(gòu)、氣候變化、施工材料的選擇等均會(huì)使橋梁出現(xiàn)震顫等情況，從而加速梁體剝落。橋梁梁體剝落、掉塊大多與混凝土結(jié)構(gòu)、施工材料息息相關(guān)。例如，梁體腹板交界處應(yīng)力較為集中，荷載較重，就會(huì)出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂的情況，進(jìn)而發(fā)生梁體剝落?；炷翝仓不?，內(nèi)部水分的不斷蒸發(fā)會(huì)加速凝膠體干縮，若水泥性能較差、水灰比例不合理就會(huì)降低梁體表面的附著性。此時(shí)，溫度、濕度發(fā)生變化也會(huì)導(dǎo)致梁體剝落。

2 普速鐵路橋梁常見(jiàn)病害的整治措施

2.1 橋梁裂縫病害整治

前文提到，導(dǎo)致橋梁裂縫病害出現(xiàn)的原因多種多樣。對(duì)于混凝土空洞、疏松導(dǎo)致的裂縫，應(yīng)先對(duì)松散部分進(jìn)行處理。清理完畢后，再用高強(qiáng)度混凝土和一定比例的水泥灰漿進(jìn)行修復(fù)。在梁體發(fā)生剝落或鋼筋外露時(shí)，應(yīng)先除去已經(jīng)松動(dòng)的保護(hù)層，待鋼筋銹蝕一起除去后，才可進(jìn)行二次修復(fù)。梁體橫向縱向聯(lián)結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)開(kāi)裂、斷裂等情況，可以視情況進(jìn)行更換、補(bǔ)焊。當(dāng)梁體裂縫寬度不超過(guò)容許時(shí)，可采用封閉措施，即使用環(huán)氧樹(shù)脂膠修補(bǔ)。在梁體裂縫寬度超出限制的情況下，考慮采取壓力灌漿法，使用液柱環(huán)氧樹(shù)脂膠或其他材料進(jìn)行整治。當(dāng)橋梁裂紋發(fā)展到一定階段時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)成因，并基于上述原因采取橫向縱向加固措施。

受地基沉降、灰縫沉降或溫差過(guò)大的影響，橋梁磚石砌體往往會(huì)產(chǎn)生裂縫。此類(lèi)裂縫病害的整治需要首先修補(bǔ)暴露的表面，將已經(jīng)暴露的集料清除掉后，再使用細(xì)集料混凝土進(jìn)行填補(bǔ)。

2.2 橋梁材料病害整治

橋梁材料病害大多是基于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的，其對(duì)橋梁本身造成的損傷大多不可逆，整治難度較高，且目前可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)較少。因此，關(guān)于橋梁材料病害的整治，大多要以防治為主。首先，優(yōu)化混凝土成分，以此提升混凝土的密實(shí)性，降低材料滲透性，促進(jìn)橋梁材料抗腐蝕能力的提升。例如，可將水泥與硅灰拌和，以增強(qiáng)材料對(duì)氯離子的抗性，或添加氣混凝土，確保氣溫較低的環(huán)境下依然有充足的水分，緩解凍融對(duì)橋梁性能帶來(lái)的破壞。其次，可使用電化學(xué)處理法，利用電力場(chǎng)的影響，將臨時(shí)的陽(yáng)極源中的堿性物質(zhì)引入碳化區(qū)，提高硬化混凝土的pH 值，改善橋梁自身結(jié)構(gòu)，避免混凝土材料病害的發(fā)生。

2.3 橋墩偏移病害整治

在橋墩發(fā)生局部破壞且未徹底整治的情況下，可通過(guò)拉桿、鋼軌箍等進(jìn)行臨時(shí)加固。一旦橋墩出現(xiàn)偏移、傾斜、沉降等問(wèn)題，就要立即檢查橋墩附近、支座及梁體的整體情況，據(jù)此判斷是否會(huì)引發(fā)聯(lián)動(dòng)反應(yīng)。同時(shí)，啟動(dòng)分析決策，對(duì)橋墩發(fā)生沉降、偏移等的原因進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定后續(xù)不會(huì)發(fā)生持續(xù)變化后再進(jìn)行加固，從而使線路變位問(wèn)題得到及時(shí)糾正。

2.4 橋梁支座病害整治

橋梁支座是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，起到了承上啟下的重要作用。但是，橋梁支座在橋梁工程建造中所占比例較低，施工人員對(duì)其重視程度普遍較低，這增加了橋梁支座病害發(fā)生的可能性。結(jié)合前文所述，造成橋梁支座病害的原因不一，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析。

一般來(lái)說(shuō)，橋梁支座的病害主要表現(xiàn)為橫向位移超出規(guī)定范圍及支座受損嚴(yán)重。在這種情況下，可以用板式橡膠支座代替原來(lái)的支座，也可以在梁端設(shè)置一個(gè)限位器。橋梁建設(shè)中通常選擇先清除支座錨栓再重新埋設(shè)的方法進(jìn)行處理，盡管能夠起到一定的緩解作用，但不能根治，實(shí)際效果并不理想?；诖?，可采取以下措施：在確保固定支座沒(méi)有發(fā)生變形，且支座的傾角在可接受范圍之內(nèi)的情況下，進(jìn)行溫度測(cè)定，根據(jù)溫度的變化幅度確定移動(dòng)支架的正確位置。待所有的錨栓全部清理完畢后，再固定支座，同時(shí)向活動(dòng)面中注射鈣基脂，以提高支座的彈性。需要注意的是，支座的維護(hù)與更換需要在列車(chē)運(yùn)行的天窗時(shí)間內(nèi)完成。

2.5 重視橋梁日常養(yǎng)護(hù)

重視橋梁日常養(yǎng)護(hù)主要是為了確保橋梁及其構(gòu)件的正常使用，令橋梁保持良好的使用狀態(tài)?；诋?dāng)前普速鐵路橋梁存在的各種病害，可從以下幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)：首先，定期清掃橋梁面，將其中的積水、雜物清除完畢。當(dāng)橋梁使用過(guò)程中出現(xiàn)小病害時(shí)，要及時(shí)修補(bǔ)，保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?。其次，要加?qiáng)對(duì)橋梁伸縮縫的日常保養(yǎng)，定期對(duì)伸縮縫中堆積的塵土、垃圾等進(jìn)行處理；定期檢查車(chē)邊梁與橋面鋪裝件的連接，注意接頭是否有損壞、滲漏或開(kāi)裂等問(wèn)題。另外，伸縮裝置頂部的平整度也要定期檢查，若發(fā)現(xiàn)有異常凹凸，則可以滑動(dòng)承壓支座或壓緊支座來(lái)進(jìn)一步判定。如果發(fā)現(xiàn)伸縮裝置的縫隙間出現(xiàn)了不均勻位移，則必須及時(shí)檢查位移控制系統(tǒng)的相關(guān)組件，若組件損傷，則要及時(shí)更換。最后，還要注重防銹工作的開(kāi)展，以增強(qiáng)橋梁的耐用性。

2.6 橫向縱向加固處理

就鐵路混凝土橋梁20cm 以下的無(wú)橫向連接斷裂病害修補(bǔ)而言，可通過(guò)橋面補(bǔ)強(qiáng)、增設(shè)輔助構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。例如，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)體系，采用砂漿法進(jìn)行橫向加固。一方面，該方法使用工具簡(jiǎn)單；另一方面，技術(shù)施工封鎖時(shí)間較短，對(duì)鐵路行車(chē)不會(huì)產(chǎn)生較大影響。具體的使用方法為：填高范圍在20cm 的基礎(chǔ)上，先完成支座底部支撐面的鑿毛，然后用清水沖洗，根據(jù)實(shí)際情況選用施工設(shè)備，在列車(chē)行駛的空隙暫時(shí)封閉線路進(jìn)行修補(bǔ)。之后，按照1∶1.1～1.2 的比例調(diào)配砂漿，經(jīng)過(guò)充分的研磨后進(jìn)行振搗填筑。封土后，使用清水將泥漿沖洗干凈。針對(duì)普速鐵路橋梁存在的地基不均勻問(wèn)題，可以考慮在橋墩周?chē)M(jìn)行混凝土換填。

縱向加固主要是為了增強(qiáng)路基縱向剛度，通過(guò)縱向加固，使預(yù)應(yīng)力鋼束達(dá)到合理的布置。同時(shí)，提高了強(qiáng)度。根據(jù)路面出現(xiàn)的病害情況，可以對(duì)局部位置開(kāi)展修復(fù)。如路面破損嚴(yán)重，則需先將路面清掃干凈，然后再厚鋪混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。另外，縱向加固應(yīng)堅(jiān)持預(yù)防為主、養(yǎng)護(hù)并重的基本原則。因此，可增加雙層鋼梁，并加強(qiáng)對(duì)橫梁上顎缺陷和裂紋的觀測(cè)，以建立完善的預(yù)防措施。冷拉絲混凝土加固是一種新型的縱向加固技術(shù)，它利用碳纖維布、復(fù)合膠等柔性材料，可以促進(jìn)制動(dòng)和啟動(dòng)荷載向橋墩方向傳遞，能夠有效減少溫度對(duì)橋梁位移的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，普速鐵路橋梁是推進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著運(yùn)輸壓力與運(yùn)輸規(guī)模的不斷提升，普速鐵路橋梁可能出現(xiàn)的病害種類(lèi)也越來(lái)越多。不同程度的病害不僅影響橋梁的正常使用，還會(huì)導(dǎo)致橋梁使用性能降低，甚至對(duì)鐵路運(yùn)輸安全產(chǎn)生威脅。目前，普速鐵路橋梁使用過(guò)程中，常出現(xiàn)的病害有橋墩偏移病害、橋梁支座病害等多種類(lèi)型。針對(duì)不同原因造成的病害，可采取不同的整治措施，如采用冷拔絲混凝土加固進(jìn)行縱向加固處理，通過(guò)優(yōu)化混凝土成分整治橋梁材料病害等。采取針對(duì)性處理措施后，普速鐵路橋梁的整體性能能夠得到較好的維護(hù)，有助于橋梁耐用性與實(shí)用性的提升，同時(shí)對(duì)于我國(guó)鐵路事業(yè)可持續(xù)發(fā)展也能夠起到促進(jìn)作用。