某新建鐵路橋墩裂縫成因分析及承載力評(píng)定

賈飛宇

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081)

1 工程概述

某地方鐵路一特大橋，全長(zhǎng)539．05 m，為16孔32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，T形橋臺(tái)，圓端形實(shí)心墩，墩臺(tái)的混凝土等級(jí)為C30，0#臺(tái)至12#墩為擴(kuò)大基礎(chǔ)，13#墩至16#臺(tái)為樁基礎(chǔ)，全橋位于半徑800 m的曲線上。

該橋在施工過(guò)程中，部分橋墩建成時(shí)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有些橋墩墩身裂縫比較嚴(yán)重。為了保證新建橋梁使用的安全性，受業(yè)主的委托，對(duì)裂縫較嚴(yán)重的橋墩進(jìn)行了檢定評(píng)估，通過(guò)檢定試驗(yàn)和理論計(jì)算分析，判定了橋墩的承載能力。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)

2．1 檢定試驗(yàn)項(xiàng)目

通過(guò)與建設(shè)、監(jiān)理以及施工單位共同研究，決定對(duì)該橋的 2#，7#，8#，9#，10#，12#墩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。其中2#墩屬較完好的橋墩，選擇的目的是進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)項(xiàng)目:①對(duì)墩身裂縫進(jìn)行外觀狀態(tài)檢查;②對(duì)墩身裂縫寬度和深度進(jìn)行無(wú)損檢測(cè);③對(duì)各墩的橫向(垂直橋軸線方向)和縱向剛度進(jìn)行測(cè)試。

2．2 檢定試驗(yàn)方法

1)裂縫寬度檢測(cè)方法:采用電子成像放大技術(shù)，將裂縫原貌成像于儀器主屏幕，通過(guò)屏幕上的激光刻度尺，讀出可靠數(shù)據(jù)。

2)裂縫深度檢測(cè)方法:采用超聲波振動(dòng)能量在混凝土內(nèi)傳播，以穿過(guò)裂縫底部時(shí)的衍射角與裂縫深度的幾何關(guān)系來(lái)測(cè)試裂縫深度。

3)采用沖擊振動(dòng)法，測(cè)試橋墩橫向和縱向自振頻率。其基本方法是用30 kg鑄鐵錘擊打墩頂(見(jiàn)圖1)，使橋墩產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，在墩頂安放速度或加速度傳感器。采集傳感器的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到幅值譜和相位譜，利用幅值譜和相位譜雙重標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定橋墩結(jié)構(gòu)的自振頻率。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)錘擊

4)在沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法的基礎(chǔ)上，還采用大地脈動(dòng)(環(huán)境微振動(dòng))法，對(duì)橋墩橫向和縱向的微振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的采集并進(jìn)行頻譜分析，直接分析橋墩的自振頻率。

2．3 試驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試橋墩及基礎(chǔ)情況見(jiàn)表1。

2．3．1 墩身裂縫檢查結(jié)果分析

共檢查了 5個(gè)橋墩的墩身裂縫，包括 7#，8#，9#，10#，12#墩。7#橋墩裂縫形態(tài)示意圖見(jiàn)圖2，裂縫寬度和深度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

從各橋墩的裂縫檢測(cè)結(jié)果可知:①各橋墩裂縫以豎向裂縫為主，裂縫連續(xù)長(zhǎng)度最長(zhǎng)為10 m以上。其寬度呈上窄下寬、上淺下深的態(tài)勢(shì)，最寬的裂縫為1．4 mm，最深的為181 mm，7#墩最為嚴(yán)重;②各墩的水平裂縫不多，且未見(jiàn)環(huán)形通裂，裂縫最寬的為0．4 mm，最深為104 mm;③網(wǎng)狀裂縫均較細(xì)微。

由表6可知，冬小麥籽粒酚類各組分中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的為 NP（ 202.19~446.16 μg·kg-1），均值為333.66 μg·kg-1；OP 和 BPA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.40~25.33 μg·kg-1和 1.36~ 33.27 μg·kg-1，均值分別為 8.47 μg·kg-1和 7.62 μg·kg-1。冬小麥籽粒 NP各組分中NP2、NP4、NP9質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，均值分別為 64.55、62.97 和 54.55 μg·kg-1。

表1 測(cè)試橋墩基本情況

圖2 7#墩裂縫形態(tài)示意

表2 7#墩裂縫檢測(cè)結(jié)果 mm

2．3．2 墩身裂縫的成因分析

從所測(cè)得的5個(gè)橋墩數(shù)據(jù)和裂縫的形態(tài)分析，判定裂縫屬于溫度裂縫。雖然5個(gè)橋墩均在春夏季施工，但該地區(qū)位于內(nèi)蒙古高原南沿，燕山山脈山區(qū)，海拔1 100～1 300 m，年平均氣溫 0．8 ℃ ～1．6 ℃，晝夜溫差大，風(fēng)沙大。據(jù)施工日志記載，8月份晝間最高氣溫達(dá)30℃以上，而夜間可降至15℃以下，且處于風(fēng)口上，幾乎每天都刮風(fēng)，一般風(fēng)力都達(dá)5～6級(jí)，陣風(fēng)達(dá)9～10級(jí)。正是由于氣候因素，施工時(shí)對(duì)混凝土內(nèi)部溫度掌握和估計(jì)不足，拆模時(shí)間控制不當(dāng)，未及時(shí)采取保溫保濕措施，使內(nèi)外溫差超過(guò)20℃以上，致使墩身產(chǎn)生深淺不一的表層裂縫。

2．3．3 橋墩橫向和縱向剛度測(cè)試結(jié)果分析

1)橋墩橫向自振頻率測(cè)試結(jié)果分析

各橋墩橫向自振頻率采用沖擊振動(dòng)法的振動(dòng)波形和頻譜圖見(jiàn)圖3。實(shí)測(cè)自振頻率與《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《橋檢規(guī)》)通常值比較結(jié)果分析見(jiàn)表3。

圖3 2#墩橫向沖擊振動(dòng)波形和頻譜圖

表3 實(shí)測(cè)橫向自振頻率結(jié)果分析 Hz

由實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn):

①采用沖擊振動(dòng)法實(shí)測(cè)的自振頻率和采用脈動(dòng)法實(shí)測(cè)的自振頻率接近，表明實(shí)測(cè)值可信。

② 7#墩 ～10#墩和12#墩，墩高在30.9～33.9 m 之間，其實(shí)測(cè)自振頻率在3.51～4.10 Hz之間，符合自振頻率隨墩的高度變化的規(guī)律，即墩的高度低而頻率高，墩的高度高而頻率低。2#墩墩高26.4 m，實(shí)測(cè)自振頻率為5.0 Hz。

④6個(gè)墩采用兩種方法實(shí)測(cè)的自振頻率均高于《橋檢規(guī)》通常值2倍以上(提高幅度在115%以上)，表明各墩橫向剛度滿足要求，墩身裂縫對(duì)橫向剛度影響不大。

2)橋墩縱向自振頻率測(cè)試結(jié)果分析

關(guān)于橋墩的縱向自振頻率《橋檢規(guī)》中沒(méi)有明確規(guī)定。考慮到所測(cè)的橋墩均未架梁，橫向和縱向均為懸臂柱體系，實(shí)測(cè)方法與橫向相同，因此，參照《橋檢規(guī)》的橫向自振頻率通常值的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。各橋墩的實(shí)測(cè)縱向自振頻率與《橋檢規(guī)》通常值比較列于表4。

從實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn):

①各墩縱向自振頻率實(shí)測(cè)狀況與橫向自振頻率實(shí)測(cè)狀況相同，實(shí)測(cè)值均高于參考值，提高幅度在103%～128%之間，7#墩提高幅度最低(為103%);

②兩種試驗(yàn)方法所測(cè)的各墩的自振頻率均高于參考值的2倍以上，表明墩的縱向剛度滿足要求，考慮到架梁后墩縱向振動(dòng)和位移受到梁的支撐和約束，其縱向剛度也能滿足安全行車的要求。

3 靜力檢算

因橋墩的受力不受豎向裂縫的控制，故從所做試驗(yàn)中挑選橫向裂縫比較嚴(yán)重的橋墩(9#墩和12#墩)進(jìn)行靜力檢算，并假設(shè)墩身裂縫為環(huán)裂，即按最不利的情況進(jìn)行檢算。按照《橋檢規(guī)》的規(guī)定，對(duì)裂縫截面進(jìn)行應(yīng)力、傾覆和滑動(dòng)穩(wěn)定檢算。經(jīng)檢算，橋墩的應(yīng)力、偏心和穩(wěn)定性的承載系數(shù)Kmin均＞1，說(shuō)明橋墩在現(xiàn)有裂縫的情況下，能夠滿足中—活載的要求。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)各橋墩裂縫以豎向裂縫為主，裂縫連續(xù)長(zhǎng)度最長(zhǎng)的為11 m，最寬的裂縫寬為1.4 mm，最深的有1處深181 mm;水平向裂縫不多，未見(jiàn)有環(huán)形通裂，裂縫寬度為0.4 mm，所有裂縫從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和裂縫形態(tài)分析，均屬于表層溫度裂縫。產(chǎn)生的原因是施工時(shí)對(duì)混凝土水化熱產(chǎn)生的內(nèi)部溫度掌握和氣溫日較差估計(jì)不足，拆模時(shí)間控制不當(dāng)，未及時(shí)采取保溫和保濕措施，使混凝土內(nèi)部溫度和外部溫度相差過(guò)大造成的。

2)裂縫較嚴(yán)重的7#墩 ～10#和12#墩，實(shí)測(cè)橫向自振頻率在3.54～4.10 Hz之間，與各墩的《橋檢規(guī)》自振頻率通常值比較，均有較大幅度的提高，提高幅度為115%～140%，亦即實(shí)測(cè)橫向自振頻率為通常值的2倍以上，表明墩身裂縫對(duì)橫向剛度影響不大，各墩的橫向剛度滿足要求。各墩的縱向自振頻率實(shí)測(cè)值亦均高于《橋檢規(guī)》的參考值，提高幅度在103% ～128%之間，也說(shuō)明墩的縱向剛度滿足要求。

3)從靜力檢算的結(jié)果可以看出，橋墩的應(yīng)力、偏心和穩(wěn)定性的承載系數(shù)Kmin均大于1，說(shuō)明橋墩在現(xiàn)有裂縫的情況下，能夠滿足中—活載的要求。

4.2 建議

1)墩身裂縫＜0.4 mm的可不處理，超過(guò)0.4 mm的裂縫可采用混凝土低壓裂縫注入膠進(jìn)行封閉;

2)各墩在架梁后由于梁和線路上部建筑質(zhì)量的影響，自振頻率會(huì)降低，為保證橋梁使用的絕對(duì)安全，通車后應(yīng)對(duì)各橋進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

［1］陳密，高巖，曾凡勤．武廣客運(yùn)專線某特大橋橋墩裂縫成因分析［J］．鐵道建筑，2009(3):1-3．

［2］魏峰，牛斌，季文正．客運(yùn)專線鐵路簡(jiǎn)支梁橋墩臺(tái)縱向線剛度分析研究［J］．鐵道建筑，2010(4):21-25．

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵運(yùn)函［2004］120 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2004．

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10415—2003 鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2004．

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10424—2003 鐵路混凝土與砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2004．