鐵路混凝土橋角鋼支架人行道耐久性探討

張傳東

(濟南鐵路局工務處，山東濟南 250001)

為滿足養護維修的需要并確保作業安全，鐵路橋梁均應設置人行道，欄桿間內側凈距應滿足凈空和限界要求。《鐵路橋涵設計基本規范》(TB 10002.1—2005)(以下簡稱《橋規》)第3.3.10條規定:“道砟橋面梁式橋均應設置帶欄桿的雙側人行道。直線上自線路中心線至人行道欄桿內側的凈距區間內的橋為3.0 m，車站內的橋為3.2 m，牽出線和梯線上的橋為3.5 m，曲線橋人行道可根據橋梁限界要求加寬。”目前，我國鐵路除高速鐵路和城際鐵路外，混凝土梁人行道一般由角鋼支架和安放在其上的分片式混凝土人行道板組成，角鋼支架通過預埋在梁體擋砟墻上的U型螺栓錨固。此結構形式主要是受以往梁體制作和運輸條件限制以及考慮到便于安裝等方面所確定的，存在很多不足，不利于耐久性運營。一是由U型螺栓、角鋼支架和分片式混凝土人行道板組成的結構整體性較差，混凝土人行道板設計強度較低，混凝土保護層較小，不利于結構耐久性保持;二是構件雖是標準化設計，但施工單位通常為降低造價而現場制作，由于現場制作工藝、混凝土養護等條件差，使得構件質量，特別是鋼筋混凝土人行道板的質量難以達到設計標準;很多混凝土板應用3～5年就開裂失效。由于以上原因導致的大量維修工作，超出正常大維修所能承受的工作量。全國鐵路現有橋梁58 290座，長6 990 436 m，其中96.8%為圬工橋，除高速鐵路2 268座，長1 437 130 m外，其余91.7%是設角鋼支架人行道的混凝土梁橋，數量和所占比例巨大。由于施工時超標堆載，近年來全路出現了多起人行道塌落引起人員傷亡事故。如2012年5月13日，成昆線K223+657橋由于人行道堆載過多及U型螺栓預埋深度不足，導致第4孔跨度31.7 m預應力混凝土梁左側整孔人行道支架垮塌，造成施工人員兩死兩傷事故。為保障鐵路運營的長治久安，需要對這種混凝土橋梁人行道結構進行深入系統地分析和探討，改進現有維護手段、工藝措施，優化增設和新建結構方案以及建設標準，從根本上解決運營安全問題。

1 鋼支架人行道構成

1.1 設計荷載

在歷次《橋規》修訂版中，鐵路橋梁人行道荷載設計標準雖有所變化，但基本沒有大的差別。橋梁人行道設計荷載大致情況:一是道砟橋面人行道距離梁中心2.45 m以內豎向均布靜活載為10.0 kPa，2.45 m以外為4.0 kPa，明橋面為4.0 kPa，自2005年起板采用4.0～5.0 kPa，人工養護的道砟橋面尚應考慮人行道上堆砟荷載;二是人行道板還應按照1.5 kN集中荷載檢算，橋梁檢查維修通道設置于橋面人行道時，還應按動力檢查車的荷載檢算;三是檢算欄桿立柱及扶手時，立柱頂面水平推力按0.75 kN/m，立柱扶手按1.0 kN集中荷載檢算。

1.2 人行道支架

人行道支架是承托人行道板的承重結構，由橫梁、斜撐和豎向連接角鋼三部分組成，并藉預埋在梁體擋砟墻內的螺栓而安裝在梁體外側。橫梁端部設置立柱，立柱由縱向角鋼扶手和圓鋼連接形成防護欄桿。其構造見圖1。橫梁采用雙角鋼，其一支與立柱連接，另一支在其端部彎成90°以擋護人行道板;斜撐連接于豎向角鋼和橫梁之間，與其形成穩定的三角支撐結構;豎向連接角鋼既是人行道支架的組成部分，又是將人行道支架固定于擋砟墻上的連接構件。一般情況下，豎向連接角鋼與橫梁用同一根角鋼彎制而成。

圖1 角鋼支架人行道(單位:mm)

1.3 人行道板

目前，鋼筋混凝土和預應力混凝土梁式橋均采用縱鋪型人行道板，將其直接鋪設在人行道支架上。人行道板絕大多數采用鋼筋混凝土制成，少量仍采用木板。鋼筋混凝土人行道板截面均為矩形，構造簡單，為確保人行道板具有一定強度和剛度，規定鋼筋混凝土人行道板厚度不得小于7 cm，實際標準設計圖一般均設計為7 cm，200號混凝土。為保證人行道板具有一定剛度，人行道板撓度宜限制在1/250L～1/300L之間，L為人行道板的計算跨度。為避免安設人行道板時將板上、下面倒置，鋼筋混凝土人行道板均采用雙層對稱布筋截面(如圖2);如采取措施，保證按設計規定安設時，亦可采用單層布筋截面。

圖2 鋼筋混凝土人行道板斷面

1.4 U型螺栓

人行道支架與擋砟墻之間一般通過預埋件連接，預埋于擋砟墻內的螺栓一般為U型螺栓，少部分圖號根據梁體設計需要采用了其他形式預埋件，如專橋2045圖跨度40 m預應力混凝土T形梁由于梁體擋砟墻側面高度不足以設置U型螺栓而改為設置L型螺栓加預埋鋼板等，再則自2005年改為預埋T型鋼。但這些變化與U型螺栓連接設計相比，并沒有根本性改變，鐵路混凝土梁U型螺栓等形式的預埋連接件數量巨大，順橋梁擋砟墻兩側一般每隔1.5 m設置1個，梁體兩端等部位加密。另一個變化是自專橋(01)2051系列等新的通用圖開始，U型螺栓等預埋鋼件開始在預埋前對其進行浸鋅等防腐處理。

2 鋼支架人行道問題分析

2.1 連接件問題

長期以來，在鐵路橋梁人行道系統標準設計中，寬度0.50～1.55 m的鐵路混凝土橋梁角鋼支架人行道一直采用U型螺栓等預埋件連接，這些連接件是人行道錨固的受力關鍵部位。由于人行道首先是鐵路作業人員的重要通道和作業輔助平臺，因此一旦這些連接件出現問題，極易導致人身傷亡事故發生。綜合對既有鐵路橋梁的設計、施工、維護管理等方面分析，其主要存在以下幾個方面的問題。

1)施工問題。①U型螺栓埋深不足，如近期發生人行道支架垮塌事故的成昆線K223+657橋除堆載超標外就是由于U型螺栓預埋深度不足所致;②所用螺栓材質存在問題，如膠黃線橋梁在正常運營狀態下出現部分螺栓剪斷;③焊接作業不良等，如專橋2045圖跨度40 m預應力混凝土T形梁L型螺栓與預埋鋼板之間的焊接普遍不足，對2009年3月發生的一孔人行道坍塌分析，24個脫落托架計48個焊點中，L型螺栓與鋼板焊接均沒有一處是全斷面焊接，點焊31處、焊瘤長度達三分之一10處、焊縫長度不足三分之一的有7處，焊縫高度一般為2～5 mm，L型螺栓與鋼板對接的端面沒有做成斜面，不密貼而影響了焊接質量。

2)部分設計埋深不足，螺栓直徑偏小。①部分定型圖設計時U型螺栓錨固深度不足80 mm，如專橋(63)1010、專橋(66)1013 U型螺栓錨固深度僅為50 mm;②部分橋梁人行道進行單項設計，U型螺栓直徑僅為16 mm。

3)動力效應問題。以對某跨度24 m預應力混凝土梁橋進行豎向振動測試為例，從列車通過時梁體和人行道托架外側測試數據看(見表1)，數據雖較離散，但振動效應不能忽略。由此說明，U型螺栓在人行道托架振動影響下，要承受反復應力作用，產生疲勞損傷，其效應與靜應力下的強度失效有本質區別。后者是因螺栓危險斷面產生過大殘余變形，而疲勞破壞是存在局部高應力區，較弱的晶粒在交變應力作用下形成微裂紋，裂紋不斷擴展而最終導致脆斷。因此，在U型螺栓設計中忽視動力效應影響，也是螺栓破壞的一個重要原因。

表1 某大橋豎向振動加速度測試結果 m/s2

4)環境問題。人行道U型螺栓等連接件普遍性的問題是梁體擋砟墻外部分長期暴露空氣中，極易產生銹蝕，從而會降低承載力，產生安全隱患。

5)檢修難。U型螺栓銹蝕部位重點在托架和梁體之間，由于其隱蔽性，加之大部分橋檢查屬高空作業，因此對其不僅檢查檢測難，而且不易及時發現問題。

2.2 鋼構件防腐問題

鋼構件的防腐處理是決定其使用壽命的關鍵，人行道托架、欄桿、吊欄、圍籃等鋼料防腐問題主要體現在:①施工階段所做的涂裝普遍存在除銹不徹底、涂裝厚度不達標等問題，運營不久即需重新進行除銹涂裝整治工作，不僅造成了大量人力物力浪費，而且給鐵路運營安全造成了很大影響;②鋼筋混凝土和預應力混凝土梁式橋人行道均采用縱鋪型人行道板，直接鋪設在人行道支架上，造成托架橫梁頂面易積水、潮濕等問題而導致涂裝失效銹蝕，同時又因人行道板壓覆而不易對該區域進行涂裝維護;③存在難以正常涂裝區域，除人行道板壓覆該區域，還有橫梁等雙支間的構件表面、豎向角鋼與擋砟墻間的表面處理問題;④涂裝標準低，按照目前《鐵路鋼橋保護涂裝及涂料供貨技術條件》(TB/T 1527—2011)(以下簡稱《鋼橋保護涂裝》)規定，這些橋梁附屬鋼構件涂裝標準采用最低的第1套標準涂裝體系即可，即紅丹防銹底漆和醇酸面漆各2道。由于涂裝標準低，該涂裝體系又是現場高空作業，受環境、作業條件等限制很大，若初建時處理不好，安裝后就很難處理達標。

2.3 人行道板耐久性問題

為便于更換或安裝時人力搬運，每塊板重量不宜超過0.5 kN，混凝土梁橋人行道板采用小構件化設計，這為設計、制作加工帶來了很多難題和不足，也極易造成制作不達標問題的發生。

1)設計不足。①在7 cm截面設計厚度情況下，為避免安設人行道板時將板上、下面倒置，鋼筋混凝土人行道板均采用雙層對稱布筋截面，從而導致保護層厚度較小，僅為17 mm，極易造成箍筋處開裂;②以往人行道板混凝土設計等級較低，僅為200號混凝土。

2)施工不足導致缺陷加劇。施工單位一般認為人行道板為非行車設施，不重視它的制作施工，存在對砂石選料不嚴，混凝土配合比隨意性較大且攪拌不充分，鋼筋綁扎不標準，鋼筋網定位不準確等問題，進一步加劇了人行道板質量的劣化。這樣的設計標準和施工組織決定了其耐久性差，抗沖擊能力低，致使人行道板易于產生保護層脫落、鋼筋銹蝕等病害，導致人行道板很快失效，危及作業人員安全，大幅降低了其設計使用壽命，實際平均使用壽命僅為5～10年。

3 混凝土梁人行道改進探討

3.1 完善和提高修理標準

3.1.1 人行道支架

1)嚴格執行各項技術標準。無論是新建還是既有設備的涂裝修理，實施單位應通過加強施工作業組織，嚴格過程控制來確保質量，使得涂裝體系能實現設計預期壽命。首先要把好進料關，確保涂料質量符合標準要求;其次應開展專業化隊伍施工，通過提高作業人員的業務素質來確保作業質量;三要重視機械化作業，從基面清理清洗、噴涂工藝等方面開展機械化作業，以此提高作業質量和效率。

2)提高現有涂裝體系等級。目前《鋼橋保護涂裝》所規定的橋梁人行道托架及欄桿采用等級最低的第1套標準涂裝體系即可，即紅丹防銹底漆和醇酸面漆各2道，每道35 μm。該涂裝體系從涂裝用料、工藝等方面都偏低，特別是受作業環境、條件以及人員素質等方面限制很大。為更好提高人行道設備的耐久性，應進一步提高其涂裝技術標準，如近幾年新的通用圖已提出改為第Ⅳ、Ⅴ套標準涂裝體系，但一些施工單位在實際施工過程中并沒有很好地貫徹落實，應引起重視;同時，運營維護單位在鋼結構維護涂裝中，也應改變觀念，對鋼結構采用高標準涂裝體系進行維護。

3)進一步改進現有涂裝保護體系。目前，我國運營線鋼梁橋長度約占橋梁總長的4.5%，另鋼管混凝土拱橋等主體設備以及人行道托架、欄桿、避車臺支架、檢查梯、墩臺圍欄、檢查吊籃等安全檢查設備大多使用鋼結構，現行《鋼橋保護涂裝》標準雖經多次修訂，涂裝標準有了較大提高，但仍延續以往低投入建設成本理念。由于在鐵路開通運營后，作業條件受到了很大限制，而且隨著我國經濟社會的快速進步發展，工時成本快速上升，其增長速率比料費增長速率快。因此，從生產效率、運營安全、經濟效益等多方面考慮，應充分推廣應用“四新”手段，如充分利用廠內熱浸鋅等先進生產工藝，進一步修訂改進現有鐵路鋼結構涂裝保護體系，應力求每一項涂裝保護體系都實現長效涂裝，進一步提高鐵路橋梁鋼結構保護涂裝技術水平，實現20～30年乃至更長的涂裝壽命，從根本上確保設備耐久性。

3.1.2 人行道板

1)研究快速修補工藝。根據鐵路橋梁鋼托架人行道的技術特點以及現有鋼筋混凝土人行道板劣化特點，分析裂損混凝土人行道板的大面積快速修補工藝和修補整治措施，引進噴射混凝土技術等新材料、新工藝，研究鋼筋混凝土人行道板補強技術的可行性，進行試驗分析，避免過快更換人行道板帶來的繁重任務和巨大經濟投入。

2)完善既有人行道板生產工藝。開展鋼筋混凝土板生產線工藝及流程研究，從生產設備的改進完善和混凝土配合比控制、材料選取加工、蒸汽養護措施等方面進行總體試驗分析，建設一套成熟的鋼筋混凝土板生產線標準和鋼筋混凝土板生產技術標準、作業標準，實現廠制化生產目標。

3)優化既有人行道板設計。①進一步提高混凝土等級，小構件生產應力求高標準，從以往的200號混凝土，到現在的C30級混凝土，應再有所提高和加強，可考慮改為C40混凝土;②采用聚丙烯纖維等材料形成水泥基復合材料改善人行道板韌性、剛度等性能，以提高人行道板的耐久性;③改進鋼筋混凝土板所配置的鋼筋，如采用中高強鋼筋、預應力鋼筋混凝土等來改善板的構造和性能;④不再用鋼筋混凝土，采用玻璃鋼纖維板等新材料、新工藝，研制新型人行道板。通過這些工藝的改進，實現人行道板通寬整體制作，加強其整體性，減少維護工作量，同時提高安全性。

3.1.3 U型螺栓

由于人行道U型螺栓等連接件外露部分易銹蝕，受列車動力作用易疲勞破壞，以及施工造成的埋深不足等問題，應加強檢查、檢測和修理，并通過采取預防性控制措施，保證其使用壽命和安全性。首先，要通過作業升降平臺等手段加強檢查，采取無損檢測來加強檢查判別，確保能夠及時發現問題;其次，要做好對托架與擋砟墻間螺栓的封閉工作，封閉措施要有完善的工藝，嚴格作業程序，確保封閉的長效性。新的通用圖人行道角鋼支架雖采用了預埋T型鋼與梁體連結方式，并進行了防腐處理，短期內質量有了大幅提高;但到一定時期仍需采取一些預防性修理措施，長期而言，運營單位仍面臨大量防腐處理問題，仍是人行道安全的薄弱環節。

3.2 新建和改建人行道

3.2.1 既有橋人行道增改

既有橋梁增設或改造人行道時，要充分考慮結構安全性、可靠性和耐久性。①若采用鋼支架人行道方案，為保證使用安全，應對支架與梁跨的聯結強度進行檢算，并規定使用條件;若混凝土梁的支架預埋件強度不足，宜采用與梁跨分離的人行道梁方案;否則，應采取有效的加固補強措施。植筋桿件應采用多元真空復合滲鋅層+達克羅涂層+封閉層處理，其中滲層厚度≥50 μm，達克羅涂層厚度為6～8 μm，封閉層厚度為5～8 μm;其它桿件防腐處理應不低于《鋼橋保護涂裝》中第Ⅴ套標準涂裝體系或采用廠內熱浸鋅等新工藝措施。②采用玻璃鋼纖維板等新型人行道板，加強其整體性設計，減少維護工作量，提高運營安全性。

3.2.2 全面實施整體橋面設計

無論角鋼支架人行道如何改進，包括結構的改善、材料的革新、防腐技術標準的提高等，都不能從根本上解決其先天整體性差，構件易腐蝕、裂損等耐久性差，檢修工作量巨大且高空作業困難等問題，難以保證其使用壽命和運營安全性。要從根本上改變鐵路橋梁人行道性能，就必須按主體結構整體性思路，實現與主體結構的一體化設計，如同目前高速鐵路橋梁所做的整體橋面設計。業內人士已認識到了此項問題的必要性，并在《橋規》第3.3.10第3條做出了規定:“有砟橋面人行道宜優先采用整體橋面，并根據橋位具體情況和養護維修不同要求考慮維修通道的設置。”但是目前的通用圖設計中，對于分片式混凝土簡支梁仍沒有開展整體橋面人行道設計，在繼續沿用以往的角鋼支架人行道設計，僅是在連接部件、涂裝標準等方面有所改善。近幾年，以高速鐵路橋梁為標志的混凝土箱形梁整體橋面設計已在實踐中得到了充分檢驗和廣泛認可，它基本解決了角鋼支架人行道給運營單位帶來的繁重的檢查檢測、修理加固工作任務。因此，應加快推進這項工作，盡快將《橋規》這項規定落實到設計圖中，落實到現場中。

目前的鐵路混凝土箱形梁等整體橋面設計實現了“面”的整體設計，但不足的是沒有將人行道欄桿納入其中。現行整體橋面的人行道設計雖已改為鋼筋混凝土構造，但為后裝配式構件，仍屬小構件制作安裝范疇，容易出現質量問題，隨著運營時間推移，會帶來巨大修理工作量，也會造成人身安全隱患。為進一步提高人行道欄桿的整體性、耐久性，整體橋面設計應進一步將其納入“整體設計”范疇，確保設備質量均衡。

4 結束語

我國鐵路正處于快速發展時期，加強和完善建設標準，建設優質鐵路運營設施，對于鐵路的高效、安全、經濟運營至關重要。全路各年代所建混凝土梁角鋼支架人行道已達10 337單側公里，其維護已成為鐵路運營單位的沉重任務和安全負擔。為根本改變這種局面，應強化混凝土橋梁的整體設計理念，及時充分利用現代材料、機械等科技成果，全面提升鐵路橋梁耐久性設計，實現建百年精品工程的質量目標。

[1]鐵道第三勘察設計院.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[2]鐵道第三勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊·混凝土橋[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[3]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2010]38號 鐵路橋隧建筑物修理規則[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[4]王春芬，陳興沖，高以健.鐵路混凝土橋梁人行道錨固螺栓病害分析[J].鋼結構，2003，18(6):46-48.

[5]曾召田，葉木華，李可東，等.南昆線混凝土橋梁人行道錨固螺栓病害分析及整治[J].鐵道建筑，2009(2):12-14.

[6]程軍.鋼樣的腐蝕及其防護措施探析[J].鐵道建筑，2008(7):21-23.