輕軌高架橋墩頂帽開裂原因分析及加固措施

陳 焰 焰

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南 昆明 650000)

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輕軌高架橋墩頂帽開裂原因分析及加固措施

陳 焰 焰

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南 昆明 650000)

通過檢測某地鐵高架區間既有輕軌橋墩頂帽及墊石開裂情況，分析了橋墩頂帽開裂的原因，并提出了四種可行的橋墩加固措施，同時分析了各種措施的優缺點，綜合考慮強度、耐久性、外觀、工期及費用等因素，最終選取了部分鑿除、替換墩身的加固方案。

地鐵高架區間，橋墩裂縫，臨時支撐，加固措施

0 引言

城市軌道交通建設在我國已進入高峰期，隨著地鐵投資的加大和建設周期的縮短，既有以及新建輕軌高架區間橋梁的橋墩頂帽及墊石處發生了大量的開裂，此類病害有蔓延加劇的趨勢，已經嚴重影響到橋梁的使用，極大的威脅了城市軌道交通運營的安全。

1 事故概述

事故橋墩為西南地區軌道交通某線停車場出入場線高架區間橋墩，投入運營兩個月后橋墩頂帽及墊石即出現大量裂縫，裂縫橋墩為連續梁邊跨接40 m簡支梁的過渡墩，橋墩裂縫主要出現在墩頂頂面、正立面、側面，其中墩頂正立面裂縫最為突出，裂縫長度從墩頂頂面往下1.2 m～1.3 m，寬5 cm，側面及頂面裂縫寬度相對較小，但有繼續開裂趨勢；墊石裂縫主要為側面45°斜裂縫、橫向水平裂縫、豎直裂縫，其中橫向水平裂縫寬3 cm，并且橫向貫通，如圖1，圖2所示。

2 設計概述

該停車場出入段線1號～4號墩為連續梁橋墩，孔跨布置為(37.5+50+37.5)m雙線連續梁，頂寬9.0 m。橋墩、墊石采用C50混凝土，承臺及樁基均采用C35混凝土，普通鋼筋采用HRB335，HPB235級，鋼筋凈保護層厚度3.5 cm。所有橋墩支座均采用鋼支座，支座正常位移(縱向/橫向)為±100 mm/±10 mm，高度調節范圍0～+50 mm，Ag≥0.22g。事故橋墩小里程側為40 m雙線簡支梁，大里程側接連續梁邊支點，如圖3，圖4所示。

3 現場檢測情況

第三方檢測單位對事故橋墩做了全面的檢測，其中包括混凝土強度、鋼筋保護層厚度、主筋間距、墩身裂縫長度及寬度、支座安裝等。檢測結果顯示：1)墩身及墊石混凝土強度滿足設計要求；2)墊石及橋墩的鋼筋保護層厚度遠超設計圖紙要求，設計為3.5 cm，實測值最大為8.6 cm；3)橋墩主筋間距離散型過大，遠超設計值，設計為12.5 cm，實測值最大值為23.5 cm；4)左側支座偏壓變形較為嚴重；右側支座設計為ZX-3 000 kN，為縱向活動支座，而現場安裝為橫向活動支座。

后經支座廠家確定，現場支座安裝有誤。

4 裂縫原因分析

4.1 產生原因分析

縱觀鐵路橋梁建設過程中，橋墩開裂的事例較多，裂縫產生的主要原因可總結為以下幾點：1)由于混凝土的物理、化學性質決定了早期收縮將導致表面裂縫的發生。進入硬化階段，由于橋墩頂帽混凝土體積較大，水化熱將使頂帽產生溫差效應，在溫度應力作用下，墩頂產生拉應力，導致裂縫的產生，這是裂縫產生的一個重要原因。2)目前在我國，建設單位對混凝土強度尤其是早期強度提出更高的要求，各水泥廠家為滿足現場要求，水泥的成分發生了較大變化，加之早強劑、減水劑的使用，以及由于外界環境的變化和影響，有害離子與混凝土骨料之間的反應，更容易造成混凝土的開裂。3)由于設計規范對橋墩頂帽局部受力沒有明確的變形裂縫控制規定，混凝土開裂問題尚未成為設計控制指標，大多數設計單位普遍采用標準圖，但該原因并不明確，因墩頂設計采用多層縱橫向鋼筋網片一般能有效的控制裂縫的產生。4)車輛的橫向搖擺力、軌道的不平順影響：外部荷載在長期作用下將導致混凝土材料在疲勞狀態下抗拉強度的降低，裂縫更容易發展。5)由于目前施工單位的素質良莠不齊，加之施工分包現象嚴重，很難保證橋墩混凝土的施工質量。另外，現場技術員對圖紙的解讀不夠，現場錯誤操作將錯就錯，例如，支座安裝縱橫向反置，在連續梁端將產生多余約束，在溫度力、收縮徐變及列車振動作用下，產生附加水平力導致橋墩開裂。

4.2 事故原因分析

在排除設計缺陷導致橋墩開裂之后，根據現場情況和檢測結果，我們猜測橋墩開裂可能由于支座安裝錯誤導致橋墩局部受力過大，產生裂縫。為了驗證這個猜測，對結構采用ANSYS有限元程序進行整體計算。計算模型見圖5。

邊界條件按照設計支座布置和錯誤安裝支座布置兩種形式模擬，并施加整體升降溫15 ℃工況。提取事故支座支反力計算結果見表1。

表1 支反力計算結果

計算結果表明：由于連續梁的邊支點支座方向安裝錯誤，導致連續梁的邊支點產生較大的順橋向水平力。為了準確的了解連續梁邊支點支座安裝錯誤產生的水平力對橋墩的影響，對橋墩采用空間局部模型分析，并比較了正常受力狀態和異常受力狀態的差別，異常受力狀態作用整體升降溫15 ℃工況。圖6，圖7為正常受力狀態、異常受力狀態橫橋向應力云圖。

計算結果表明：橋墩在正常受力狀態下，墩頂橫向拉應力最大為2.55 MPa,小于C50混凝土的容許拉應力3.1 MPa；異常受力狀態下(僅列出升溫工況)，改變支座活動方向，產生的附加支座反力對墩柱的受力影響很大。正常受力狀態下，橋墩頂部配置構造鋼筋即可滿足受力要求。

5 整治建議方案

5.1 臨時支撐措施

施工期間的臨時支撐措施:為了防止施工過程中橋墩削弱或受力不均，造成橋墩出現更不利的受力狀態，施工時增加臨時支撐，通過支撐使梁體荷載托換至臨時支撐，減少施工風險。

具體方式為：在原承臺上設置臨時鋼支撐，采用千斤頂將梁體頂升5 mm，使得梁體荷載托換至臨時支撐。臨時支撐設置在橋墩連續梁側，采用2根鋼管柱支撐，鋼管柱支撐型號為φ609 mm×10 mm，鋼管采用法蘭盤連接，鋼管間采用槽鋼聯系。每個鋼管上布置1 個200 t液壓千斤頂，頂升過程確保同步均勻。圖8,圖9為臨時支撐立、平面布置圖。

5.2 加固方案

根據檢測結果，在清理橋墩橋面雜物，設置臨時支撐，卸載原墩受力后，提出四個橋墩加固方案：方案一(被動外貼加強)：用千斤頂將已經變形的橋墩頂回原位，灌注環氧樹脂，外包碳纖維或貼鋼板；方案二(部分鑿除、替換墩身)：鑿除破壞部分墩身及墊石混凝土，在未鑿除部分舊混凝土墩柱上無鋼筋處植筋，澆筑橋墩混凝土，預埋新墊石鋼筋，澆筑墊石；方案三(全部鑿除、替換墩身)：鑿除墩身及墊石混凝土，承臺鑿毛，混凝土墩柱上無鋼筋處植筋，澆筑橋墩混凝土，預埋新墊石鋼筋，澆筑墊石；方案四(外包帽梁，預應力加固)：鑿毛墩身，鑿除墊石混凝土，搭設模板，綁扎鋼筋，預埋預應力管道；澆筑帽梁混凝土，預埋墊石鋼筋，澆筑墊石。

待橋墩強度達到設計強度后，將安裝錯誤的支座卸下來，安裝新的支座；用千斤頂將梁體緩慢降至新支座上，拆除臨時鋼支撐。

相比而言，方案一周期短，社會影響小，所占空間小，不增加結構重量，不減小橋梁凈空，補強鋼板起到了補強鋼筋的作用，提高了現狀橋梁的承載能力與耐久性，但對橋墩結構本身強度提高不大，粘結劑的質量及耐久性是影響加固效果的關鍵因素，應充分重視，另外加固鋼板容易銹蝕，必須進行嚴格的防銹處理；方案三完全恢復結構至原設計狀態，結構在強度和耐久性方面安全可靠，處理后結構外觀影響小，不增加結構重量，不減小橋梁凈空，但施工周期長，社會影響大；方案四對結構強度及耐久性方面有較大加強，不拆除原墩，施工過程較安全，但施工復雜，工期較長，費用較高，對結構外觀影響巨大，增大結構尺寸及重量，影響凈空尺寸。

考慮橋墩混凝土破壞較嚴重，方案一對強度的加強較弱，且耐久性不佳；方案三對工期、費用及社會的影響較大，方案四對橋墩外觀及凈空的影響較大。綜合考慮強度、耐久性、外觀及工期費用等方面，方案二競爭力最大，為一勞永逸的加固方案。

6 結語

1)本文通過檢測分析、現場事故分析、模型計算分析，透徹的解析了橋墩墩頂開裂的原因，對同類工程橋梁事故處理有指導性意義。2)通過模型計算分析，支座安裝錯誤產生較大的順橋向水平力，加之其他因素產生的水平力作用，所有因素疊加將加速橋墩頂帽裂縫的開展。3)本文提供的臨時支撐措施及加固方案，在優化、細化之后可供同類工程橋梁事故采用。4)在軌道交通加速建設過程中，建設單位應加強對施工方、監理方的管理。工程實施完成后，應強有力的進行驗收，合格后方可投入運營。

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[3] 李小軍.鐵路橋墩頂帽開裂原因分析和加固方法[J].鐵道建筑,2009(10):4-6．

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Cause analysis and reinforement measures of light rail overhead pierhood crack

Chen Yanyan

(China Railway Siyuan Group Southwest Survey and Design Co., Ltd, Kunming 650000, China)

Through detecting existing light-rail bridge pier top and cushion cracking conditions of the subway viaduct intervals, the paper analyzes the bridge pier top cracking causes, puts forward four kinds of feasible bridge pier reinforcement measures, analyzes their merits and defects, comprehensively considers strength, durability, appearance, construction schedule and cost and other factors, and finally selects the reinforcement scheme of partial removing replacing pier body.

subway viaduct interval, bridge pier crack, temporary support, reinforcement measures

1009-6825(2017)08-0168-03

2017-01-04

陳焰焰(1984- )，男，碩士，工程師

U445.72

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