劉文薦

中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋具有結(jié)構(gòu)剛度大、整體性能好、行車平順舒適、養(yǎng)護簡單等特點，在橋梁結(jié)構(gòu)中被廣泛采用［1-3］。懸臂施工法是鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋最廣泛的使用方法，而合龍段施工是懸臂現(xiàn)澆梁施工的關(guān)鍵工序［4-7］。文獻(xiàn)［8-11］對我國連續(xù)梁橋?qū)嶋H工程中合龍段的施工順序以及施工質(zhì)量控制進(jìn)行了研究。由于合龍段結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工控制技術(shù)難度大，出現(xiàn)各類病害現(xiàn)象較普遍。對各類病害進(jìn)行統(tǒng)計分析，合龍段可能出現(xiàn)縱橫向裂縫、斜向裂縫、網(wǎng)裂、混凝土麻面、析鹽等病害，裂縫的出現(xiàn)部位有頂板、底板和腹板［12-15］?？傮w來說，合龍段病害是連續(xù)結(jié)構(gòu)體系橋梁的常見病害之一。

本文以一高速鐵路未施加橫向預(yù)應(yīng)力筋的（32+48+48+32）m 雙線連續(xù)梁橋為研究對象，對連續(xù)梁合龍段出現(xiàn)的頂板縱向裂縫進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，統(tǒng)計裂縫特征，進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性計算，分析裂縫原因，并給出相應(yīng)整治措施和建議，對今后解決類似病害有借鑒意義。

1 病害概況

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在該高速鐵路河南段上，全線多聯(lián)采用掛籃施工的未施加橫向預(yù)應(yīng)力筋連續(xù)梁合龍段，出現(xiàn)不同程度地裂紋，裂紋全部分布在頂板底面，多數(shù)縱向貫通合龍段2 m 范圍，裂紋寬度為0.1~0.2 mm，深度為10~30 mm。全線采用支架現(xiàn)澆方法施工的未施加橫向預(yù)應(yīng)力筋連續(xù)梁合龍段未出現(xiàn)裂紋。

在該高速鐵路湖北段上，3 標(biāo)—7 標(biāo)共9 座連續(xù)梁橋合龍段發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋均分布在頂板底面。其中3 標(biāo)有6 座橋發(fā)現(xiàn)裂紋，每座橋裂紋數(shù)量1~6 條，裂紋長度100 cm 以內(nèi)，最大裂紋寬度小于0.2 mm；4 標(biāo)—7 標(biāo)中每標(biāo)有1 座橋發(fā)現(xiàn)裂紋，4 標(biāo)的漢江特大橋上裂紋數(shù)量有9條，均在邊跨合龍段頂板底面，最大裂紋寬度0.15 mm；5 標(biāo)的清涼河雙線特大橋上裂紋數(shù)量有73 條，也均在邊跨合龍段頂板底面，最大裂紋寬度0.18 mm。

高速鐵路河南段、湖北段部分連續(xù)梁合龍段典型裂紋見圖1。

圖1 部分連續(xù)梁合龍段典型裂紋

2 裂縫特征及原因分析

經(jīng)過對該高速鐵路未施加橫向預(yù)應(yīng)力筋連續(xù)梁合龍段頂板裂紋統(tǒng)計分析，裂紋特征有：①裂紋均為縱向貫通，未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。②邊跨合龍段與中跨合龍段頂板底部均存在縱向裂紋，且數(shù)量分布大致相同。③邊跨合龍段與中跨合龍段相鄰節(jié)段未發(fā)現(xiàn)裂紋。④不同季節(jié)施工的連續(xù)梁合龍段頂板底部均存在裂紋，與其施工季節(jié)無明顯關(guān)聯(lián)。

初步分析合龍段產(chǎn)生裂紋可能有以下原因：

1）受合龍段混凝土溫度應(yīng)力影響。未合龍前梁體通風(fēng)順暢，內(nèi)外部溫差小。合龍以后，梁體通風(fēng)條件變差，當(dāng)梁面環(huán)境溫度升高時，內(nèi)外溫差大。溫度導(dǎo)致橫截面產(chǎn)生拉應(yīng)力，產(chǎn)生溫度裂紋。

2）合龍段混凝土由拌和站集中生產(chǎn)配送。現(xiàn)場可能存在合龍段混凝土未按規(guī)范要求采用C55補償收縮混凝土的情況。

3）受合龍段與兩側(cè)懸澆段施工時差影響。由于合龍段與兩側(cè)懸澆段施工存在的時間間隔，合龍施工時兩側(cè)懸澆段混凝土收縮已完成了一部分，合龍段混凝土澆筑后有從兩邊向中間收縮的趨勢，但受到兩個已完成部分收縮的混凝土懸澆段的阻撓，使合龍段受到水平張力從而產(chǎn)生裂縫。

4）受連續(xù)梁懸澆段施工線形控制不嚴(yán)影響。當(dāng)兩側(cè)懸澆段梁體軸線與設(shè)計中心線相差較大時，合龍段預(yù)應(yīng)力管道布設(shè)會發(fā)生彎折，在合龍段會有較小的折角，當(dāng)頂板預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后，導(dǎo)致合龍段在鋼束折角處產(chǎn)生水平分力，使合龍段產(chǎn)生縱向裂紋。

5）合龍段混凝土養(yǎng)護不到位?；炷粮煽s導(dǎo)致頂板底混凝土表面出現(xiàn)縱向裂縫。

3 結(jié)構(gòu)安全性檢算

對目前出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行計算分析，如其不再繼續(xù)發(fā)展，則滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全使用要求。

針對該高速鐵路部分連續(xù)梁在邊跨合龍段箱梁內(nèi)頂板倒角50 cm 處出現(xiàn)的縱向裂紋和中跨合龍段橫隔梁過人孔的上倒角處出現(xiàn)往頂板發(fā)展的裂紋情況，選擇無橫向預(yù)應(yīng)力筋的（32+48+48+32）m 雙線連續(xù)梁（有砟道床）進(jìn)行分析，按直線、曲線和有無聲屏障包絡(luò)計算。

3.1 結(jié)構(gòu)形式

1）橋跨布置：（32+48+48+32）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，全長161.1 m（含兩側(cè)梁端至邊支座中心各0.55 m）。

2）橋面寬度：擋砟墻內(nèi)側(cè)凈寬9.4 m，橋梁寬12.6 m，橋梁建筑總寬12.9 m。

3）結(jié)構(gòu)高度：端支座處截面中心梁高為2.69 m，中支點處的為3.49 m（含頂板頂面橫坡）。

3.2 設(shè)計荷載

3.2.1 恒載

1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重：按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》［16］第4.2.1條計算。

2）二期恒載：橋上二期恒載單側(cè)聲屏障直線梁按187 kN∕m 計算。橫向計算時二期恒載的作用點按實際位置加載。

3）基礎(chǔ)不均勻沉降：相鄰兩支點不均勻沉降為0.01 m。

4）混凝土收縮徐變：環(huán)境條件按野外一般條件計算，相對濕度取70%。

5）預(yù)應(yīng)力索徑向力：橫向計算模式下，考慮預(yù)應(yīng)力索徑向力，其值根據(jù)截面位置的有效預(yù)應(yīng)力進(jìn)行計算。

3.2.2 活載及附加荷載

1）列車豎向靜活載采用ZK活載。圖式見圖2。

圖2 ZK活載圖式（單位：m）

按TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》第7.2.8條計算豎向動力系數(shù)為

式中：Lφ為加載長度，m；1+μ為動力系數(shù)。

2）離心力：橋梁在曲線上時，考慮列車豎向靜活載產(chǎn)生的離心力；橫向搖擺力取100 kN，作為一個集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面。

3）風(fēng)力：按TB 10002—2017 計算。橋上有聲屏障時，受風(fēng)面積均按實際情況計算，此時列車風(fēng)力不重疊計算?？v向溫度荷載按頂板升溫5 ℃考慮，整體升降溫均為20 ℃。箱梁溫差荷載按TB 10002—2017計算。

4）制動力或牽引力：按豎向靜活載的10%計。當(dāng)與離心力或列車豎向動力作用同時計算時，制動力或牽引力應(yīng)按列車豎向靜活載的7%計算。

5）特殊荷載：按TB 10002—2017、TB 10621—2014和GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》計算。

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 縱向受力主要計算結(jié)果（見表1）

表1 梁部縱向受力計算結(jié)果

由表1可見：

1）主力工況下，梁部強度安全系數(shù)2.42，抗裂安全系數(shù)1.33，滿足規(guī)范要求。

2）主力+附加力工況下，梁部強度安全系數(shù)2.28，抗裂安全系數(shù)1.31，滿足規(guī)范要求。

3.3.2 橫向主要計算結(jié)果

裂縫出現(xiàn)在合龍段處，因此對合龍段截面分運梁、二期恒載、運營三階段進(jìn)行橫向計算，每個階段2個工況，共6 個工況。跨中合龍段設(shè)置厚0.6 m 的中橫隔梁，計算不考慮橫隔板影響。（32+48+48+32）m連續(xù)梁合龍段截面特征點處梁高為2.6 m（以頂板頂面最低點計），頂寬12.6 m，底寬5.3 m，橫截面為單箱單室直腹板。頂板厚37 cm，腹板厚45 cm，底板厚30 cm。頂板未設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

運梁、二期恒載、運營階段共6個工況的檢算結(jié)果見表2。

表2 各工況檢算結(jié)果

根據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第6.2.6條，環(huán)境類別為碳化環(huán)境T1、T2、T3時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算裂縫的寬度，主力工況下不應(yīng)超過0.20 mm，主力+附加力工況作用時可提高20%，為0.24 mm。由表2可見：

1）運梁階段?；炷磷畲髴?yīng)力為7.3 MPa，鋼筋最大應(yīng)力為227.1 MPa，裂縫寬度最大值為0.236 mm。以上最大值均出現(xiàn)在組合2 工況下的頂板處，均滿足設(shè)計要求。

2）二期恒載階段。①主力工況下，混凝土最大應(yīng)力為4.0 MPa，鋼筋最大應(yīng)力為210.0 MPa，裂縫寬度最大為0.217 mm；②主力+附加力工況下，混凝土最大應(yīng)力為4.8 MPa，鋼筋最大應(yīng)力為124.3 MPa，裂縫寬度最大為0.132 mm。

3）運營階段。①主力工況下，混凝土最大應(yīng)力為7.7 MPa，鋼筋最大應(yīng)力為210.0 MPa，裂縫寬度最大為0.189 mm；②主力+附加力工況下，混凝土最大應(yīng)力為8.7 MPa，鋼筋最大應(yīng)力為207.3 MPa，裂縫寬度最大為0.216 mm。

在所有工況下，混凝土最大應(yīng)力均小于容許應(yīng)力16.8 MPa，鋼筋最大應(yīng)力均小于容許應(yīng)力270.0 MPa，裂縫寬度均小于容許值0.24 mm，均滿足設(shè)計要求。

3.3.3 豎向變形計算結(jié)果

梁體在豎向靜活載作用下產(chǎn)生的撓度值與溫度引起的撓度值的0.5倍之和為-15.6 mm，在0.63倍列車豎向靜活載作用下產(chǎn)生的撓度值與全部溫度引起的撓度值之和為-10.6 mm。最不利情況為-15.6mm，對應(yīng)撓跨比1∕3 077，滿足規(guī)范要求值1∕1 400。

列車豎向靜活載作用下梁端最大豎向轉(zhuǎn)角為0.696‰，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，（32+48+48+32）m 雙線連續(xù)梁縱向、橫向設(shè)計計算結(jié)果及豎向變形計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4 整治措施及建議

對該高速鐵路未施加橫向預(yù)應(yīng)力筋連續(xù)梁合龍段頂板底部出現(xiàn)縱向裂紋的整治措施為：

1）采用中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司TK?J型修補材料對裂紋進(jìn)行封閉處理，保證結(jié)構(gòu)的耐久性。

2）各施工單位對連續(xù)梁合龍段頂板底面裂紋定期進(jìn)行觀測，判斷裂紋是否進(jìn)一步發(fā)展。

對今后新建連續(xù)梁工程管理提出以下建議：

1）建設(shè)管理方面

建設(shè)單位應(yīng)充分利用鐵路工程管理平臺連續(xù)梁線形監(jiān)測模塊，加大線形監(jiān)測現(xiàn)場管控力度；在懸臂澆筑連續(xù)梁首件評估工作中，要高度重視連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力管道及鋼筋安裝位置的精確性。

2）設(shè)計方面

設(shè)計單位應(yīng)充分利用BIM 技術(shù)，在設(shè)計源頭優(yōu)化和解決鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道安裝碰撞問題，并進(jìn)一步研究對新建特殊設(shè)計的連續(xù)梁合龍段增設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋等措施，以避免或減少合龍段出現(xiàn)縱向貫通裂紋。

3）施工方面

施工單位要加強施工過程控制，細(xì)化和完善線形監(jiān)測管理及實施方案，在合龍段適當(dāng)加密布設(shè)全截面整體剛性井字架，保證預(yù)應(yīng)力管道定位精準(zhǔn)、管道順直。

4）監(jiān)理方面

監(jiān)理單位應(yīng)對連續(xù)梁施工關(guān)鍵工序如預(yù)應(yīng)力管道的布設(shè)、鋼筋安裝、受力體系轉(zhuǎn)換等加大檢查力度，強化對關(guān)鍵工序的旁站和簽認(rèn)管理，符合設(shè)計要求及驗收標(biāo)準(zhǔn)后方可進(jìn)行下一道工序。

5 結(jié)論與建議

本文對一高速鐵路未施加橫向預(yù)應(yīng)力筋的連續(xù)梁合龍段出現(xiàn)的裂縫情況進(jìn)行了裂縫分析和結(jié)構(gòu)檢算。得到以下結(jié)論：

1）未施加橫向預(yù)應(yīng)力筋的連續(xù)梁合龍段頂板裂紋多為縱向貫通，未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。

2）裂縫產(chǎn)生由合龍段溫度應(yīng)力、兩側(cè)懸澆段施工時差、懸澆段施工線形控制不嚴(yán)、合龍段混凝土養(yǎng)護不到位等因素所致。

3）可通過修補材料及裂縫長期觀測等方式對合龍裂縫進(jìn)行處理。

4）建議加大線形監(jiān)測現(xiàn)場管控力度、保證預(yù)應(yīng)力管道及鋼筋安裝位置的精確度等措施以有效減少連續(xù)梁合龍段裂縫產(chǎn)生。