袁磊 馬宏亮 田英 劉楠 曹艷萍 白麗斌

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路太原局集團有限公司，太原 030013

相較于普通高度鋼筋混凝土梁，低高度鋼筋混凝土梁能適應(yīng)鐵路線路標高或橋下凈空高度受限的情況，在我國早期建設(shè)的小跨度鐵路橋梁中應(yīng)用較多［1］。在長期運營中存在梁體剛度偏低、運營列車通過時梁體振動較大、梁體劣化明顯等問題［2-3］，重載線路上尤為突出。為了保證行車和結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)對低高度鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)受力進行綜合評估，并采取合理措施進行整治處理。

本文以一座重載鐵路跨度為8 m的低高度鋼筋混凝土梁為例，完整地進行了無損檢測（含化學分析）、受力檢算和加固前后的試驗，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)對比加固前后的效果。采用UIC 774-1規(guī)范［4］對實梁疲勞受力進行分析評價，并參考該規(guī)范進行了腐蝕情況下的疲勞分析，最后對其病害評估與整治技術(shù)進行介紹，可為類似橋梁結(jié)構(gòu)研究和病害處理提供參考。

1 低高度鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)及其病害特征

一座重載鐵路已建成運營30年，雙線，上行為輕車線，下行為重車線。其中36座小橋采用了跨度為8 m的低高度鋼筋混凝土梁，通用圖號為叁標橋1024，截面形式和配筋如圖1所示。結(jié)構(gòu)按《鐵路工程技術(shù)規(guī)范》［5］（1975年）設(shè)計，設(shè)計荷載為中-活載。縱向主筋采用16Mn鋼，設(shè)31根直徑25 mm筋（直線梁），梁體采用350號混凝土。

圖1 鋼筋混凝土梁截面（單位：cm）

對21座小橋調(diào)研發(fā)現(xiàn)，梁體結(jié)構(gòu)存在不同程度的病害：

1）梁體正截面普遍存在受力開裂現(xiàn)象，裂縫沿兩側(cè)腹板高度向上延伸，并向底板橫向延伸，多數(shù)裂縫未貫通底板，裂縫寬度一般不大于0.20 mm，間距10～30 cm，重車線梁體病害較明顯。

2）有65.7%的梁體存在不同程度的泛白、空鼓、脹裂等病害，其中52.2%的梁體底板大面積泛白、空鼓，混凝土沿主筋縱向通長開裂，在底板外邊緣處呈網(wǎng)狀、放射狀開裂，裂縫最大寬度達6 mm，可見鋼筋明顯銹蝕，病害主要發(fā)生在重車線梁體。

3）泄水管堵塞、排水不暢，擋砟墻斷縫處溢水。由于梁體上翼緣未設(shè)滴水檐，并置梁間未設(shè)防排水構(gòu)造，梁體表面污水漫流。其中，泄水管和擋砟墻斷縫下方最為嚴重。

該梁因銹脹等因素造成的裂縫寬度已明顯大于限值0.5 mm，根據(jù)Q/CR 405.5—2018《鐵路橋隧建筑物劣化評定第5部分：混凝土梁》，該混凝土裂縫劣化等級達到AA級，混凝土劣化和防排水設(shè)施劣化等級達A1級。

2 低高度鋼筋混凝土梁的檢測與評估

鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估包括梁體正常受力評價和梁體長期性能評價兩方面，其中長期性能主要有疲勞性能和耐久性能。梁體受力狀態(tài)評價主要采用無損/微損檢測、檢算分析、運營狀態(tài)試驗測試等方法。

2.1 梁體無損/微損檢測

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性病害成因包括兩方面：①混凝土結(jié)構(gòu)，如混凝土強度偏低、保護層厚度偏薄、混凝土氯離子含量偏高、混凝土堿含量和骨料堿活性偏高等；②外部環(huán)境，如碳化（中性化）、氯離子或硫酸鹽侵蝕、凍融作用等。采用回彈法檢測梁體混凝土強度，采用酚酞試劑法檢測混凝土碳化深度，采用電磁感應(yīng)法檢測梁體鋼筋保護層厚度，對梁體取芯后采用化學分析法檢測混凝土氯離子、硫酸鹽和堿含量。

1）混凝土強度與碳化深度

典型梁體混凝土強度與碳化深度的檢測結(jié)果表明：實測混凝土強度均大于設(shè)計值（350號混凝土換算強度等級C33），碳化深度小于20 mm。

2）鋼筋保護層厚度

典型梁體腹板和底板鋼筋保護層厚度的檢測結(jié)果表明（圖2）：腹板鋼筋保護層厚度基本滿足不小于30 mm的要求，僅局部實測值偏低；底板鋼筋保護層厚度普遍偏小，最小值約10 mm，不利于保持混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

圖2 梁體混凝土保護層厚度實測值

3）混凝土氯離子、硫酸鹽與堿含量

典型梁體混凝土化學分析的結(jié)果表明：混凝土氯離子含量最大值0.033%，小于規(guī)范限值0.100%；混凝土硫酸鹽含量最大值1.31%，小于規(guī)范限值4.00%；混凝土堿含量質(zhì)量百分比均大于1.5%，換算最小堿含量為7.65 kg/m3，大于限值3.00 kg/m3［6］。

綜上，經(jīng)30年運營，低高度鋼筋混凝土梁以混凝土強度和碳化深度為表征的耐久性指標未見明顯劣化，但底板鋼筋保護層厚度偏薄，對結(jié)構(gòu)耐久性不利，且存在梁體混凝土堿含量普遍超標的問題。

2.2 梁體受力檢算

按結(jié)構(gòu)原設(shè)計狀態(tài)和實際運營狀態(tài)對梁體進行受力檢算分析。實際運營狀態(tài)檢算考慮橋上實際道砟厚度和運營C80重載編組列車的作用，檢算結(jié)果見表1。

表1 不同受力狀態(tài)梁體跨中截面受力檢算結(jié)果

按原設(shè)計規(guī)范［5］對梁體強度和剛度進行分析，計算原設(shè)計狀態(tài)和運營狀態(tài)混凝土最大壓應(yīng)力分別為11.93、10.81 MPa，均小于規(guī)范限值13.48 MPa；鋼筋最大拉應(yīng)力分別為177.2、160.6 MPa，均小于規(guī)范限值180.0 MPa；計算跨中撓度分別為9.60、8.73 mm，均小于規(guī)范限值10.00 mm［5］。

按現(xiàn)行規(guī)范［6］對受拉鋼筋疲勞和裂縫寬度進行分析，計算原設(shè)計狀態(tài)鋼筋最大應(yīng)力幅為127.3 MPa，略大于設(shè)計容許應(yīng)力幅124.0 MPa，運營狀態(tài)下為110.5 MPa，小于設(shè)計容許應(yīng)力幅121.4 MPa；在設(shè)計和運營狀態(tài)下計算裂縫寬度分別為0.140、0.131 mm，均小于設(shè)計規(guī)范限值0.20 mm。

綜上，低高度鋼筋混凝土梁在設(shè)計和運營狀態(tài)下的強度、剛度、疲勞和裂縫寬度均基本滿足規(guī)范要求，但設(shè)計狀態(tài)鋼筋拉應(yīng)力、疲勞應(yīng)力幅和跨中撓度均已達到或接近規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)受力安全裕量不高。

2.3 梁體現(xiàn)場測試

對病害程度不同的3孔梁進行運營性能現(xiàn)場測試，包括運營列車通過時梁體的動力響應(yīng)、撓度和應(yīng)力，以及試驗列車以5 km/h速度準靜態(tài)通過時梁體的撓度，測試結(jié)果見表2、表3。其中，梁A空鼓、銹脹開裂嚴重，梁B空鼓、銹脹開裂明顯，梁C未見明顯空鼓。

表2 典型梁體在運營狀態(tài)的動力響應(yīng)測試結(jié)果

表3 典型梁體在列車通過時的應(yīng)力和撓度測試結(jié)果

由表2、表3可知：

1）在運營C80編組重載列車作用下，3孔梁的橫向振幅、橫向加速度和豎向加速度等動力響應(yīng)指標相當，均滿足規(guī)范規(guī)定的通常值或限值要求［8］。

2）運營狀態(tài)和準靜態(tài)下3孔梁的撓度和鋼筋應(yīng)力均明顯小于理論值。按準靜態(tài)測試結(jié)果計算的梁體最大撓度校驗系數(shù)0.41，小于通常值0.55～0.65；最大應(yīng)力校驗系數(shù)0.63，符合通常值0.55～0.65；換算中-活載下最大撓跨比1/2 216，小于通常值1/1 900。

3）空鼓、脹裂的梁體實測撓度和鋼筋應(yīng)力小于未見空鼓梁體的測試結(jié)果，可能與橋上道床和軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)、梁體混凝土實際彈性模量、鋼筋應(yīng)力分布的離散性有關(guān)。

2.4 梁體疲勞性能分析

鋼筋混凝土梁對疲勞較為敏感，重載列車長期大運量作用時可能導致結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。根據(jù)重載鐵路小跨度梁鋼筋疲勞試驗的結(jié)果［9］和UIC 774-1的建議，得到鋼筋的疲勞S-N曲線方程為

式中：N為失效時的循環(huán)次數(shù)；Δσ為應(yīng)力幅，MPa。

需要說明的是，上述結(jié)果是基于未銹蝕鋼筋的實測疲勞S-N曲線。對于腐蝕過程已經(jīng)開始的混凝土構(gòu)件，參考規(guī)范UIC 774-1，采用式（1）。

根據(jù)運營30年重載鐵路實際運營記錄，推算鋼筋的容許疲勞應(yīng)力幅和服役壽命的關(guān)系，如圖3所示。可知：正常低高度鋼筋混凝土梁鋼筋容許應(yīng)力幅為82.4 MPa，按現(xiàn)有運量繼續(xù)運營30年，其容許應(yīng)力幅降低至69.7 MPa，服役100年時降低至63.3 MPa，尚大于梁體鋼筋現(xiàn)狀實測應(yīng)力58.2 MPa。若鋼筋混凝土梁開始腐蝕，按現(xiàn)有年運量繼續(xù)運營30年后，鋼筋容許應(yīng)力幅由目前的73.2 MPa降低至57.7 MPa，現(xiàn)狀梁體鋼筋實測最大應(yīng)力大于容許值。說明服役過程中未出現(xiàn)腐蝕的鋼筋混凝土梁存在疲勞問題的概率相對較小，但鋼筋的腐蝕將明顯降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。

圖3 低高度鋼筋混凝土梁疲勞壽命預(yù)測

2.5 綜合評價

綜合調(diào)研、檢測、試驗與計算分析的結(jié)果可知，該梁運營性能指標滿足要求，主要存在重車線梁體混凝土空鼓、脹裂、鋼筋銹蝕等病害。由于鋼筋混凝土梁設(shè)計為帶裂縫工作狀態(tài)，梁體病害造成的混凝土截面削弱尚未造成結(jié)構(gòu)受力性能的明顯降低，但持續(xù)發(fā)展可能導致鋼筋的嚴重銹蝕、斷裂，對結(jié)構(gòu)的耐久性和抗疲勞性能影響顯著，最終影響結(jié)構(gòu)的安全。

3 低高度鋼筋混凝土梁病害整治

3.1 病害整治思路

從結(jié)構(gòu)病害的分布來看，病害主要集中于重車線梁體，說明運營荷載下梁體混凝土裂縫的充分開展不利于保持結(jié)構(gòu)的耐久性，而橋梁防排水體系失效引起的梁體表面漫流以及嚴寒條件下的凍脹效應(yīng)是導致結(jié)構(gòu)病害持續(xù)發(fā)展的直接原因，鋼筋保護層厚度偏薄和混凝土中性化是病害產(chǎn)生的主要原因，混凝土堿含量超標是采用堿活性骨料的梁體開裂后病害加劇的誘因之一。另外，梁體設(shè)計安全裕量不高，梁體設(shè)計剛度偏低，鋼筋應(yīng)力及其活載應(yīng)力幅偏大。因此，有必要在梁體防排水體系改造的基礎(chǔ)上對重車線梁體進行必要的補強加固處理。

混凝土小跨度簡支梁加固補強的常見方法有增大截面法、粘貼鋼板法、增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力法等［10-11］，由于低高度鋼筋混凝土梁橋下凈空較小，增大截面和增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力均會明顯降低橋下凈空，導致加固結(jié)構(gòu)被通行車輛撞損，因而本次采用粘貼鋼板法對梁體進行加固處理。

3.2 病害整治方案

梁體病害整治包括結(jié)構(gòu)加固補強和耐久性改造兩方面：

1）結(jié)構(gòu)加固補強。對重車線梁體底板空鼓混凝土鑿除修補后粘貼縱向鋼板處理，粘貼鋼板長6.4 m，橫向分為3塊鋼板，其中邊鋼板呈L形，以加強梁體邊緣空鼓區(qū)修補混凝土與既有結(jié)構(gòu)的連接，同時避免后期運營中因超高車輛通行刮損而導致鋼板脫落。加固結(jié)構(gòu)橫斷面布置見圖4。

圖4 梁體粘貼鋼板加固橫斷面布置（單位：cm）

粘貼鋼板采用厚8 mm的Q235D級鋼材，采用壓力注膠法粘貼。鋼板表面采用復合防腐層（多元合金共滲+鈍化）+涂裝體系進行防護。

2）梁體耐久性改造。對輕重車線梁體混凝土裂縫進行修補，對梁體表面涂裝，在既有梁體上翼緣底面增設(shè)滴水檐，并對既有泄水管進行接長處理。

3.3 病害整治效果

對梁A和梁B加固前后運營狀態(tài)下梁體受力狀態(tài)進行監(jiān)測，結(jié)果見表4。

表4 梁體加固前后實測撓度、應(yīng)力對比

由表4可知：

1）運營狀態(tài)下加固后梁體撓度和鋼筋應(yīng)力均較加固前有所減小。加固后梁體撓度降低為加固前的70%～83%，鋼筋應(yīng)力降低未加固前的69%～75%。

2）加固后梁體整體剛度得到明顯改善，梁A和梁B剛度分別提高43%和20%，以空鼓更嚴重的梁A更為明顯。主要與該梁底板空鼓鑿除面積更大，經(jīng)修補后相對于已開裂混凝土整體剛度提高更顯著有關(guān)。梁體鋼筋應(yīng)力幅明顯降低，降低幅度大于25%。

3）實測鋼板應(yīng)力均與對應(yīng)鋼筋應(yīng)力相當，說明增設(shè)鋼板可較好地參與梁體結(jié)構(gòu)受力，變形協(xié)調(diào)一致，加固構(gòu)造合理，工藝可靠。

4 結(jié)論

1）本線梁體結(jié)構(gòu)由于設(shè)計安全裕量不高，運營狀態(tài)下鋼筋混凝土梁裂縫的充分開展在結(jié)構(gòu)防排水失效的情況下導致大量出現(xiàn)嚴重病害。

2）鋼筋混凝土梁運營狀態(tài)帶裂縫工作，梁體防排水體系的有效性是保持結(jié)構(gòu)耐久性的前提條件，嚴格控制混凝土中氯離子、堿活性骨料等有害成分，增加鋼筋保護層厚度等構(gòu)造措施是保持結(jié)構(gòu)耐久性的必要條件。

3）按設(shè)計要求生產(chǎn)制造的低高度鋼筋混凝土梁的病害短期內(nèi)未對結(jié)構(gòu)運營性能造成明顯影響，但持續(xù)發(fā)展將影響結(jié)構(gòu)的長期耐久性和抗疲勞性能，應(yīng)及時對導致結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素予以消除，并對結(jié)構(gòu)進行適當補強。

4）粘貼鋼板法是結(jié)構(gòu)加固補強的優(yōu)選方案。加固后梁體整體剛度提高超過20%，鋼筋應(yīng)力幅降低超過25%，效果顯著。