重載鐵路混凝土梁常見病害分析及處理對策研究

高國良

(朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧 062350)

?

重載鐵路混凝土梁常見病害分析及處理對策研究

高國良

(朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧 062350)

以朔黃鐵路近2000孔混凝土梁為研究對象，開展重載運輸對既有鐵路混凝土梁的影響分析、常見病害統計及原因分析，并提出相應的加固處理對策。結果表明：重載運輸導致橋梁結構主梁、墩臺基礎、支座等結構橫向、豎向和縱向受力大幅增加，活載儲備量降低，振動和疲勞加劇，進而引起混凝土梁體開裂、撓度過大、橫向振動加劇、梁端頂死等一系列病害大量出現并迅速擴展，軸重和運量的大幅提高是病害快速出現和發展的直接原因，通過采取體外預應力加固、輔助鋼梁加固和裂縫灌封等措施，可以達到提高混凝土梁結構承載能力、抗裂性能和耐久性能的目的。

重載鐵路;混凝土梁;病害;對策;影響

近些年來，作為效率最高、功能最全的一種運輸方式，重載鐵路運輸在我國得到了迅速發展[1]，大秦、朔黃、大包、瓦日多條鐵路線相繼開行了重載列車，而提高列車軸重、增加編組則是我國鐵路實現重載運輸的主要途徑，這兩項措施在大幅提高鐵路運輸能力的同時，也導致既有橋梁病害顯著增多，劣化速度加快[2]。對于鐵路橋梁中數量最多的混凝土梁而言，重載運輸引起了多種類型橋梁病害出現并急劇發展，亟需對其進行深入分析并開展相應處理對策研究。

目前，國內外學者在鐵路橋梁病害分析及處理方面完成了很多研究，孔祥仲[3]針對沈陽鐵路局管內的混凝土橋梁常見病害完成了整治技術研究，提出了多種病害的整治方法；沈志文等[4]對廣深線200余座混凝土橋梁完成了病害分析和整治技術研究；劉壽山[2，5]以朔黃鐵路為對象，開展了重載鐵路橋梁劣化評定標準化技術和病害分析及維管對策研究，從宏觀角度對重載鐵路橋梁病害檢查和評定方法以及維管措施進行了深入研究；徐新利[6]針對朔黃鐵路12 m跨度低高度板梁，完成了低高度梁病害分析和性能試驗；陳學民[7]針對辛泰線北馬鹿大橋，完成了現場病害檢查和分析處理；殷濤[8]完成了嚴寒地區鐵路提速后橋梁產生病害的原因分析與整治措施研究，李輝[9]、田青[10]針對公路混凝土箱梁的常見病害和成因進行了深入研究。總結來說，既有研究成果主要集中在普通鐵路和公路混凝土梁病害分析和處理方面，且年代較早，針對重載運輸對橋梁病害影響研究主要集中在病害宏觀分析或某個實橋病害分析方面，缺少大量的重載鐵路實橋病害數據調查，樣本數少。

據此，以朔黃鐵路為工程背景，以數量最多的混凝土梁為研究對象，實地調查重載條件下混凝土梁出現的病害類型及其嚴重程度，結合近2 000孔混凝土梁的劣化檢查結果，開展重載運輸條件下的混凝土梁典型病害分析和相應的處理對策研究，為后期的橋梁養護維修提供技術依據。

1 重載運輸對橋梁結構的影響

我國于20世紀末開始著手進行重載運輸技術的研究，近些年來以大秦、朔黃鐵路為代表的重載運輸發展迅速。我國重載運輸的模式大都采用單機或者多機重聯牽引整列重載列車，由不同形式和載重的貨車混合編組[1]，軸重一般在23～30 t，編組一般為5 000～20 000 t。相對于普通鐵路而言，重載鐵路典型特點是軸重大、運量大，且伴隨有編組長、速度快、密度大等其他特點，列車軸重和運量大幅提高，給軌道、橋梁以及路基等基礎設施帶來的是更大的沖擊、荷載效應、作用頻次和疲勞循環，尤其是對于橋梁結構而言，重載運輸快速發展給橋梁結構帶來巨大不利影響。重載運輸對橋梁結構的影響主要體現在豎向、橫向和縱向受力以及振動特性變化幾個方面[2，11-12]。

(1)荷載效應大幅增加：重載列車軸重一般都在25 t以上，軸重提高和車廂變短必然引起局部沖擊增大，支座反力、梁端剪力、梁體跨中彎矩和墩臺基礎受力均顯著增大，活載儲備量降低，梁體開裂，尤其對中小跨度橋梁影響最大。

(2)疲勞加劇：混凝土開裂導致鋼筋應力增加，而荷載和作用頻次的大幅增加引起混凝土、鋼筋以及鋼結構疲勞加劇，對小跨徑橋涵和鋼結構影響最大。

(3)振動加劇：列車通過曲線橋時的離心力與軸重成線性關系，重載列車運營導致曲線段橋梁離心力增大，振動加劇，影響安全運營，同時，軸重和運量增加導致梁體豎向振動加劇。

(4)縱向力增大：既有規范中縱向力統一按照豎向荷載的10%考慮，而重載列車運行會出現列車牽引質量增加和頻繁制動情況，引起橋梁下部結構承受的縱向力大幅增加，進而導致支座和墩臺縱向受力增大，引起支座剪切變形過大、梁體縱向滑動等病害出現。

因此，重載運輸引起鐵路橋梁主梁、支座以及墩臺基礎豎向、橫向和縱向受力增大，疲勞及振動加劇，梁體開裂，安全儲備降低，多種類型病害出現并迅速擴展。

2 橋梁概況及劣化檢查

朔黃鐵路是我國第二條開通運行的重載鐵路，年運量已經超過2億t，沿途地質條件復雜，橋梁結構類型多樣，小跨度橋梁和低高度、超低高度等特殊類型橋梁也普遍存在，其中K258～K578區段范圍內共有橋梁262座(1 807孔)，表1為橋梁數量及類型明細。

表1 橋梁數量統計

由表1可知，區段范圍內共有橋梁1 807孔，其中鋼橋3孔，12 m以下鋼筋混凝土梁48孔，占橋梁總數的2.66%，16～32 m跨度預應力鋼筋混凝土T梁1 643孔，占橋梁總數的90.92%，框構橋113孔，占總數的6.25%，混凝土梁占到橋梁總數的99.83%，混凝土梁的重要性不言而喻。

作為朔黃鐵路數量最多的一種橋梁類型，混凝土梁主要包括預應力混凝土梁和普通鋼筋混凝土梁兩種類型，常見T梁、板梁兩種類型，16 m以下跨度基本上均為普通鋼筋混凝土梁，16 m及以上跨度大都為預應力梁，分別配備板式橡膠支座和盆式橡膠或球型支座。相對于其他類型結構而言，混凝土梁具有受力明確、剛度大、類型多樣、穩定性強、耐久性好、維護簡便以及應用廣泛等優點，但同時也存在自重大、跨度小、耐火性差等一些不足。

目前，鐵路橋梁日常檢查和劣化等級評定主要依據《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準》[13]、《鐵路橋隧建筑物修理規則》[14]和《鐵路橋梁檢定規范》[15]相關規定執行。橋梁整體劣化等級評定按劣化程度分為A、B、C、D四級，按照結構構件最嚴重結果評定全橋等級。A級分為AA、A1兩等；凡結構物或主要構件功能嚴重劣化，危及行車安全，可以評定為A級AA等；凡結構物或主要構件功能嚴重劣化，進一步發展會影響行車安全，評定為A級A1等；凡結構物或構件功能劣化，進一步發展將會升為A級，評定為B級；凡結構物或構件劣化，對其使用功能和行車安全影響較小，評定為C級，對使用性能和行車無影響，評定為D級。

具體評定時將橋梁結構分為明橋面、混凝土梁、支座、墩臺基礎、橋渡、涵渠、鋼梁共7個部分，先分別對上述不同結構進行檢查及等級評定，每種結構評定也分為A、B、C、D四級，有多項劣化類型時按照最嚴重的一項評定，最終完成全橋劣化狀況評定。混凝土梁的檢查內容主要包括：梁體裂縫、防排水措施、梁體損傷、鋼筋銹蝕、橫隔板斷裂、上拱度、梁體縱向位移、道砟厚度、橋梁限界、線梁偏心，并檢算承載能力。

混凝土梁劣化等級分為A、B、C、D四級，其中A級又分為AA等和A1等；有多項劣化類型時按照最嚴重的一項評定其劣化等級。

鑒于混凝土梁在朔黃鐵路橋梁中的重要性，在進行橋梁病害檢測時，在嚴格遵守鐵路橋梁相關檢查規范的基礎上，借鑒文獻[4]提出的重載鐵路橋梁劣化檢查標準化檢查及評定方法開展橋梁檢查工作，系統全面檢查混凝土梁病害類型及其嚴重程度，評定其劣化等級，分析原因并提出措施。

3 典型病害類型及原因分析

通過檢查橋梁結構各部件技術狀況，根據相關規范對區段內1804孔混凝土梁進行檢查及評定，評定結果見表2，表3為A級A1等橋梁數量統計表。

由表2、表3可知：區段內劣化等級為A級A1等的橋梁共計225孔，占到所有橋梁總數的12.47%，數量較多，而其中214孔橋梁都是由于混凝土梁狀況較差引起，占A級A1等橋梁總數的95.11%，并且近5年橋梁日常檢查資料也表明，從2012年重載列車大面積開行開始，混凝土梁出現了很多新發病害且既有病害迅速發展。可以認為，重載運輸條件下，混凝土梁出現了多種類型病害并處于一種較為嚴重的狀況，混凝土梁是重載運輸中的最薄弱環節。

表2 橋梁劣化等級評定結果

表3 A級A1等橋梁病害統計表(病害位置)

3.1 梁體裂縫

梁體裂縫主要包括豎向裂縫、梁端斜裂縫、水平裂縫幾種，12 m及以下跨度鋼筋混凝土梁裂縫多且寬，以豎向裂縫和水平裂縫為主，16 m以上預應力鋼筋混凝土梁以斜裂縫為主。

豎向彎曲裂縫多出現在小跨度鋼筋混凝土梁跨中部位，普遍存在也較為嚴重，所有鋼筋混凝土均存在此種類型裂縫，裂縫主要集中在1/4～3/4跨度之間，U形裂縫，分布在梁體側面和底面，底面一般貫通，側面裂縫一般由底面向上擴展到腹板與翼緣板交界處，裂縫間距在20～40 cm之間變化，最大裂縫寬度已經超過0.25 mm。豎向彎曲裂縫屬于受力裂縫，主要由于荷載作用下撓度過大引起，屬受力裂縫，降低結構承載力和耐久性。圖1為梁體豎向裂縫。

圖1 梁體豎向裂縫

斜裂縫主要出現在32 m跨度預應力混凝土T梁的支座至1/8跨區段的腹板位置，一般分布在支座上方朝向跨中位置，傾斜角為15°～45°，呈“八”字形分布，斜向裂縫一般出現在翼緣板下方1.0 m范圍內，方向與主拉應力方向垂直，設計時梁端部考慮不足和荷載作用下梁端受力過大是斜裂縫大量出現的主要原因，屬于結構受力裂縫。圖2為梁體斜裂縫情況。

圖2 梁體斜裂縫

歷年橋梁檢查數據表明：隨著重載列車不斷開行，小跨度鋼筋混凝土梁豎向裂縫和預應力混凝土梁斜裂縫大量出現并迅速擴展，其中梁體斜裂縫最為嚴重，已經有200余孔32 m跨度T梁出現斜裂縫，均為2012年重載列車開行后出現，長度在0.5～1.2 m之間變化，寬度為0.04～0.2 mm，橋梁劣化等級評定均為A級A1等。2014年底～2016年初，針對梁體斜裂縫進行了長期監控，監控結果表明：梁體斜裂縫在列車通過時擴展，擴展寬度在0.1 mm以下，列車離開時恢復，現場監控1年多時間內，裂縫寬度變化不明顯。

由于32 m跨度梁采用全預應力結構，在使用中不容許出現裂縫，而重載列車開行導致32 m跨度梁在梁端部位大量出現斜裂縫，且隨列車運行而開合，對結構受力以及耐久性影響較大，必須引起足夠重視，盡快采取封閉或其他加固措施。

3.2 橫隔板開裂

表現為橫隔板處混凝土開裂，一般常在曲線橋和小跨徑橋上出現，線梁偏心過大、左右兩片梁受力不均和橋梁振動過大都是導致橫隔板開裂的主要原因，橫隔板開裂后會影響單孔梁整體受力性能，使兩片T梁受力及變形不均勻，可能出現偏載現象，降低整孔梁抗扭性能，降低橋梁橫向穩定性。圖3為橫隔板開裂情況。

圖3 橫隔板開裂

橫隔板開裂屬于比較嚴重病害，現場多座橋梁運營性能試驗數據表明：伴隨此類型病害常出現的其他病害是橋梁跨中、端部橫向振動過大、左右兩片梁撓度相差過大、支座橫向位移超限、線梁偏心大等現象；而橋梁歷年檢查資料也表明，重載列車開行后橫隔板開裂情況有增多趨勢。

3.3 其他病害

其他病害類型主要包括跨中撓度過大、梁端頂死、防排水設施損壞、梁體損傷等，其中小跨度梁、低高度或超低高度橋梁跨中撓度普遍偏大，主要是由于集中荷載效應或全橋彎矩效應過大導致，部分橋梁實測撓跨比已經接近規范限值；其他病害類型也較多發生，大都由于梁體豎向、縱向受力過大引起。圖4～圖7為混凝土梁其他常見病害。

圖4 防排水措施損壞

圖5 梁端頂死

圖6 鋼筋銹蝕及梁體損傷

圖7 附屬設施損壞

總體來說，在軸重25 t及以上重載列車作用下，混凝土梁受到更大的豎向、橫向和縱向力作用，鋼筋混凝土梁豎向、斜向和水平裂縫大量出現且寬度增加，梁體剛度降低和振動加劇；預應力鋼筋混凝土梁端部大量出現斜裂縫且情況較為嚴重；梁端頂死情況日益嚴重，大部分排水設施損壞，多種類型橋梁跨中撓度偏大，振動和疲勞加劇，人行道板等附屬設施損壞嚴重。

4 處理對策研究

4.1 裂縫處理

重載列車通過引起很多裂縫出現并擴展，以豎向彎曲裂縫和斜裂縫為主，混凝土裂縫危害很大，在高溫、高鹽環境下極易出現鋼筋銹蝕和鼓包現象，大大降低混凝土耐久性，而針對不同裂縫對應的處理措施也各不相同。

朔黃鐵路32 m預應力混凝土T梁按全預應力進行設計，在重載條件下梁端部大量出現斜裂縫，活載作用下裂縫不斷擴展，對應混凝土和鋼筋應力也相應增大，抗裂性能降低，影響結構安全，對此種類型裂縫的處理要從提高結構耐久性和抗裂性能方面出發。

具體措施是：對于一些細小裂縫以及不影響承載能力的裂縫一般需要做灌封處理，先將裂縫部位清洗干凈，采用封閉膠涂刷封閉或環氧樹脂灌封；對于裂縫較寬情況，可先將裂縫鑿成V字形凹槽，清洗干凈后用環氧樹脂封閉。對于裂縫較多梁體，一般需要采用碳纖維布封閉加固或混凝土封閉加固方法；對于影響結構承載能力的較大裂縫，先要計算裂縫對承載能力的影響，然后再進行下一步的黏貼鋼板加固、體外預應力加固和其他加固方法，當裂縫已嚴重影響行車安全時應及時更換橋梁。 圖8為梁體封閉情況。

圖8 梁體封閉

4.2 梁體加固

重載作用下12 m及以下小跨度橋梁和超低高度預應力混凝土梁均出現了撓度過大情況，伴隨而來的還包括振動加劇、梁體開裂和鋼筋銹蝕等一系列問題，所以，對這幾種類型梁體需要從提高承載能力和抗裂性能方面進行加固。

針對不同梁型，采用了包括體外預應力、輔助鋼梁在內的多種加固方法，圖9、圖10為兩座橋梁體外預應力加固實例。通過加固，可提高梁體豎向剛度，提高承載能力，可大幅降低恒載、活載作用下的梁體應力，減小活載作用下撓度，滿足重載運輸條件下的適用性。

圖9 244號橋加固

圖10 170號橋加固

4.3 其他處理措施

相對于混凝土梁承載能力和振動性能而言，混凝土梁耐久性也需要引起重視。高溫、高鹽環境和化學物質侵蝕、梁體表面和裂縫積水、凍融循環均是影響耐久性的根本原因，而朔黃鐵路很多鋼筋混凝土橋梁均大量出現鋼筋銹蝕和混凝土脫落現象，這都需要盡快進行處理。

在進行鋼筋銹蝕和混凝土脫落處理時，可先將表層混凝土鑿除，打磨、清潔鋼筋，然后采用環氧樹脂補強加固的方法，也可采用混凝土砂漿涂刷表面封閉方式。對于排水措施而言，泄水孔腐蝕嚴重，可以考慮更換滲鋅鋼結構泄水孔，并做好梁體與鋼結構之間的密封處理，避免積水流入到梁體表面和裂縫中，尤其是兩片T梁上部接縫位置處必須引起重視；對于橋梁附屬設施損壞、梁端頂死等病害，也需要進行及時處理，避免既有病害的進一步發展。

4.4 養修措施

(1)建立橋梁病害數據庫，實行預防性管養

結合正在開展的重載鐵路橋梁管理專家系統建設，盡快建立橋梁基礎數據庫，將橋梁歷年檢測數據進行分類統計，完成歷年來橋梁狀況變化記錄和趨勢分析，結合理論分析和現場試驗，科學預測橋梁后期結構狀況。同時，貫徹執行“預防為主、防治結合、修養并重、安全至上”的方針，預判、預判橋梁可能出現的病害，采取相應措施消除安全隱患。

(2)建立巡檢、監測和試驗有機結合的管養模式，重點部位重點監測

在軍工局資助下，北極星近幾年一直在穩步推進新型鉬-99生產技術的研發工作。這種技術以鉬的穩定同位素為原料，而不是以傳統技術使用的濃縮鈾為原料，因此可以消除與濃縮鈾相關的擴散和環境風險。

將重載條件下的橋梁管養提升到首要位置。根據橋梁目前現狀，建立巡檢、監測和試驗有機結合的管養制度。根據橋梁病害嚴重程度不同，將巡檢分成日常巡查、定期巡查、特殊巡查、專項巡查4項，嚴重病害和橋梁實行定期和專項巡查相結合的方式，將現場檢查、檢測與監測、計算識別與判別、維修與預測的整個過程系統化，重點觀測病害嚴重橋梁，加密觀測頻率；針對控制橋梁，采用數字化、信息化、可視化的橋梁管理平臺完成橋梁數據的實時分析與評判。

(3)實行標準化、精細化管養

橋梁標準化管養包括制度標準化、技術標準化和作業標準化三項內容。在橋梁管養中，首先要建立標準化的橋梁管養制度和模式，然后根據現行規范和重載鐵路實際情況，制定標準化的橋梁檢查/檢測技術規程和技術，在具體實施時，嚴格按照標準化方法和流程開展橋梁檢查，實現橋梁標準化管養。精細化管養是以標準化、規范化為前提，系統化為保證，信息化為手段，數據化為目標而進行的管養活動，通過結構拆分、細化目標、細分責任、細致工作做到精細化管養，細化、量化具體管養工作。

5 結語

國內外的應用實踐表明：重載運輸是今后鐵路貨運的發展趨勢，是提高運輸能力、降低運營成本、增強競爭力的有效手段，大大促進了科技和經濟發展，但重載運輸的快速發展也給既有鐵路橋梁結構的管養帶來新的問題、新的挑戰。

(1)重載列車開行降低了橋梁的活載儲備量，尤其是小跨徑橋梁更低，多年橋梁檢測數據表明：荷載效應和作用頻次的大幅增加則導致很多新型橋梁病害出現并加重，其中梁端斜裂縫、梁端頂死、振動加劇和橫隔板開裂是重載列車引起的混凝土梁典型病害，軸重和運量提高則是引起病害出現的直接原因。

(2)大軸重運輸條件下，混凝土梁典型病害的類型和發展程度反映的是結構抗裂性能、承載能力、疲勞性能和耐久性能的降低，對應的加固處理措施也從混凝土梁性能提升方面開展，主要采取梁體加固和裂縫灌封等措施來提高混凝土梁的適應性，滿足重載運輸要求。

(3)重載運輸特點對混凝土梁管養提出了新的要求，這就需要在日常管養中從小處入手，重視微小病害，全面掌握橋梁病害情況及演變規律，堅持“預防性管養”思想，建立標準化、規范化、精細化的管養制度和管養方法，持續推進，達到保障橋梁結構安全和延長使用壽命的目的。

[1] 田葆栓.世界鐵路重載運輸技術的運用與發展[J].鐵道車輛，2015，53(12):10-20.

[2] 劉壽山.朔黃重載鐵路橋梁病害分析及維管對策研究[J].國防交通工程與技術，2015(S1):13-15.

[3] 孔祥仲.混凝土橋梁常見病害的整治[J].鐵道標準設計，2000(12):6-7.

[4] 沈志文，陳俏林.廣深線混凝土橋梁病害整治[J].鐵道建筑，2004(11):33-34.

[5] 劉壽山.重載鐵路橋梁劣化評定標準化技術研究[J].石家莊鐵道大學學報(自然科學版)，2015，28(1):22-27.

[6] 徐新利.朔黃鐵路西留肖中橋病害整治方案研究及施工技術探討[J].鐵道建筑，2015(1):8-11.

[7] 陳學民.墩高20-30 m鐵路橋梁的病害診斷及對策[J].鐵道建筑，2012(12):15-18.

[8] 殷濤.嚴寒地區鐵路提速后橋梁產生病害的原因分析與整治措施[J].鐵道標準設計，2010(S1):89-91.

[9] 李輝.大跨度連續剛構橋的病害原因分析及加固設計[J].鐵道標準設計，2011(4):52-54.

[10]田青.某預應力混凝土連續箱梁病害成因及其安全性分析[J].鐵道標準設計，2013，57(5):76-79.

[11]薛繼連.30 t軸重下朔黃鐵路橋涵結構強化技術試驗研究[J].鐵道學報，2015，37(3):92-98.

[12]孫鐵盾.合九鐵路9號橋體外預應力加固Ansys仿真分析與實踐[J].鐵道標準設計，2015，59(1):74-77.

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

[14]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[1999]2820.1—8鐵路橋隧建筑物劣化評定標準[S].北京：中國鐵道出版社，1999.

[15]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120號鐵路橋梁檢定規范[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

Analysis and Treatment of Common Concrete Beam Damages of Heavy Haul Railway

GAO Guo-liang

(Shuozhou-Huanghua Railway Development Co., Ltd， Suning Hebei 062350， China)

With reference to nearly 2000 concrete beams on Shuo-huang Railway， the impact of heavy haul transportation on the existing railway concrete beams， and the causes of damages are analyzed， and corresponding countermeasures are proposed. The results show that the heavy haul transportation causes the horizontal， vertical and longitudinal forces of bridge girder， pier foundation and support structure to increase significantly， reduces the reservation of live load， exacerbates the vibration and fatigue， and results in such damages as concrete cracking， heavy deflection and vibration and beam end blocking. The substantial increase of load and traffic volume leads directly to the damages and deteriorations. The purpose of improving the bearing capacity， crack resistance and durability of concrete structure can be achieved by means of external prestressed reinforcement， auxiliary steel beam reinforcement and crack encapsulation．

Heavy haul railway， Concrete beam; Damage; Treatment; Impact

2016-05-26；

2016-06-05

國家科技支撐計劃(2013BAG20B00)；鐵道部科技研究開發計劃(2012G011)

高國良(1961—)，男，高級工程師，1983年畢業于上海鐵道學院交通運輸專業，工學學士，主要從事鐵路運輸管理和工務管理方面研究，E-mail：13832303854@163.com。

1004-2954(2016)12-0074-06

U445.7+1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.017