鐵路預制T梁病害檢測與加固

陳偉庚

(廣州鐵路(集團)公司 深圳工程建設指揮部，廣東 深圳 518000)

T梁結構形式簡單，受力明確，施工方便，易設計為不同跨徑的預制結構。目前我國鐵路運營線路上大量使用了分片式預應力混凝土預制T梁[1]。由于這些T梁建造時間跨度較大，分布區域廣，不論是設計技術標準還是施工工藝水平都存在較大差異。在多年服役后，由于荷載和環境的長期作用，相繼產生了各種類型的病害，如混凝土的開裂剝落、鋼筋銹蝕等，影響橋梁的使用性能及安全性能[2-3]。

對于不同時期不同地區的橋梁，常見病害有所不同，看似相同的病害其成因也可能有所差異。因此，有必要基于對橋梁病害現狀的調查，使用科學手段對病害情況進行檢測，對其成因進行分析，從而提出相應的預防及維修加固措施，保證橋梁的安全運營[4-5]。

本文基于一座使用預應力混凝土預制T梁的鐵路橋梁，針對其服役過程中出現的病害，制定了相應的試驗方案對其進行了檢定，分析了病害成因。為了確保結構長期運營安全，針對這些病害給出了維修處治設計方案。

1 工程實例

該橋為有砟軌道雙線預應力混凝土T梁，共設27孔，跨徑組合為5×16 m(低高度梁)+15×20 m(普通高度梁)+7×20 m(低高度梁)。單線主梁橫向設2片T梁，間距1.8 m，橫隔板處設橫向預應力。其中，16 m和20 m低高度梁為先張法預應力混凝土T梁，20 m普通高度梁為后張法預應力混凝土T梁。橋梁養護中發現本橋部分梁端腹板頂部存在明顯的縱向開裂及其他耐久性病害。主要存在的病害包括:

1)腹板與翼板交界處縱向裂縫，最大寬度1.1 mm；

2)腹板縱向裂縫，最大寬度0.6 mm；

3)翼緣板側面縱向裂縫，腹板斜裂縫，寬度均小于0.2 mm。

對于16 m低高度梁，梁端發現縱向裂縫病害的梁片占比為18.8%，其中裂縫寬度約為0.1 mm的占比為7.5%。對于20 m低高度梁，梁端發現縱向裂縫病害的梁片占比為27.7%，其中裂縫寬度約為0.1 mm的占比為8.9%。對于20 m普通高度梁，梁端發現縱向裂縫病害的梁片占比為7.5%，裂縫寬度均小于0.1 mm。

2 典型病害的試驗檢測方案

2.1 無損檢測

運用無損測試手段對結構進行混凝土強度及碳化深度檢測、鋼筋位置及保護層厚度檢測、裂縫深度測試，并進一步分析病害嚴重程度。對于分布在腹板與翼板接縫處的裂縫，難以使用無損檢測設備時，采用取芯法判斷裂縫深度。

2.2 靜載試驗

基于外觀檢查及無損檢測結果，選取開裂較為嚴重的孔跨開展靜載試驗，確定梁端斜截面的應變分布情況。針對病害布置測點，測試裂縫在活荷載作用下是否出現擴展及閉合，并通過分析在試驗荷載作用下跨中截面的撓度情況，對梁體的剛度情況進行評估。梁端測點布置如圖1所示[6]。

圖1 梁端典型截面靜載試驗測點布置

2.3 動載試驗

基于外觀檢查及無損檢測結果，選取開裂較為嚴重的孔跨開展動載試驗，對橋梁運營性能進行檢驗。此外針對病害開展專項測試，觀測梁端裂縫在運營車輛作用下的擴展情況。

3 檢測結果及病害成因分析

3.1 無損檢測結果

回彈法檢測結果顯示，3種跨度的預應力混凝土T梁混凝土強度推定值均能滿足混凝土設計強度的要求。檢測區域梁體腹板混凝土碳化深度較小，對鋼筋銹蝕影響輕微，不存在大面積銹蝕的可能。

實測鋼筋保護層厚度基本均大于設計值，鋼筋間距基本與設計值相符。

此外，根據梁體開裂嚴重程度的不同，選取10處進行取芯，觀測裂縫深度及寬度，如圖2所示。

圖2 深層裂縫取樣狀況

測試結果顯示:各跨梁體腹板與翼緣板交界處裂縫寬度大于0.25 mm的裂縫，屬于深層裂縫(取芯芯樣長度約10 cm，裂縫均貫穿芯樣)；腹板與翼緣板交界處裂縫寬度在0.1 mm左右的裂縫，屬于淺層裂縫，深度在2～4 cm范圍內。

3.2 靜載試驗結果

跨中截面加載測試結果顯示，在最大級試驗荷載作用下，測試橋跨的應力及撓度校驗系數均滿足鐵運函[2004]1200號《鐵路橋梁檢定規范》[7](以下簡稱《橋檢規》)的相關規定，梁端最大轉角均小于理論計算值；在各級試驗荷載作用下，截面下緣測點與荷載效率線性關系良好，未出現畸變退化，說明梁體抗裂性能滿足要求。

梁端斜截面測試結果顯示，跨裂縫測點在各輪位作用下均處于受壓狀況，其中一處測點在各輪位作用下最大拉應變為 13×10-6，換算裂縫擴展量為0.002 mm，說明梁端縱向裂縫受力狀況較為穩定。最大級荷載作用下，推算梁端主拉應力也均小于理論計算值。

靜載試驗結果表明，測試橋跨的結構強度及剛度滿足《橋檢規》要求，開裂跨與梁端正?？绲膽兒蛽隙认喈?，梁端裂縫對結構受力影響不大。

3.3 動載試驗結果

在貨車及客車通過橋梁時進行了測試，測得的橋跨梁體的跨中橫向振幅、橫向振動加速度、墩頂橫向振幅均滿足《橋檢規》要求。

實測病害較為嚴重的各橋跨跨中橫向自振頻率，與梁端正常橋跨的頻率基本相同，且均大于計算頻率。對過路貨車及客車作用下動撓度的測試結果顯示，各橋跨跨中最大動撓度基本相同。以上結果說明梁端縱向裂縫對梁體剛度影響不大。

此外，在運營車輛作用下，梁端跨裂縫測點基本處于受壓狀態，即裂縫閉合。個別跨裂縫測點雖然出現拉應變，換算為裂縫張開量僅約0.004 mm，裂縫張開量較小。

綜上所述，列車通過梁端病害較為嚴重的橋跨和正常橋跨時梁體動力響應值基本相同，各項動力性能指標均滿足《橋檢規》的要求，梁體病害對橋梁結構的受力及正常行車影響不大。

3.4 病害成因分析

1)混凝土收縮變形。收縮是混凝土的固有特性，其早期收縮量往往較大。受結構構造的影響，梁端變厚度段T梁腹板和翼緣交界處混凝土收縮受到較多約束，使得該處較易出現水平裂縫，但裂縫通常較為細微。本橋后張法T梁和大部分先張法T梁在該處的縱向開裂均與此有關。

2)鋼筋保護層厚度。從對部分先張法T梁梁體取芯結果來看，芯樣處均未見鋼筋(芯樣尺寸為φ50 mm×100 mm)，推測相應位置鋼筋保護層厚度可能偏厚，導致混凝土在早期收縮時易開裂。

3)腹板抗裂鋼筋布置。先張法T梁腹板變厚段外側豎向鋼筋最大間距30 cm，后張法T梁腹板變厚段外側豎向鋼筋間距為8 cm。先張法T梁腹板變厚度段外側豎向抗裂鋼筋布置間距偏大也是其水平裂縫開展更為嚴重的主要原因之一。

4)先張法預應力構件施工工藝控制。本橋先張法T梁病害較后張法T梁嚴重，且梁高相對較高的20 m梁較16 m梁病害更為嚴重，這與先張法構件的構造特點和施工工藝控制有關。先張法預應力構件預應力筋集中在梁體下部，通過設置不同長度的失效段調整各截面預應力水平。本橋預應力失效段通過設置相應長度的塑料套管實現。實際施工中，若局部塑料套管設置不當使得預應力筋與混凝土的黏結未完全消除，則可能導致T梁翼緣梗脅處應力偏大，并在各種因素綜合作用下出現開裂。

5)梁端橫向預應力。T梁設5道橫隔板，每道橫隔板處設一對橫向預應力筋，采用直徑32 mm冷拉Ⅳ級高強度圓鋼筋(或同規格高強精軋螺紋粗鋼筋)，設計張拉力為400 kN。端橫隔板處受梁底支座實際約束等作用，可能因梁端橫向預應力張拉而導致T梁翼緣梗脅處應力偏大，并在各種因素綜合作用下出現開裂。

6)橫向限位構造。T梁梁端采用粗鋼筋對拉水平枕木的方式，設置防落梁橫向限位構造?，F場檢查發現部分梁端混凝土在該處存在崩裂，說明相應構造對梁端變形有較強約束，也可能導致T梁翼緣梗脅處應力偏大，并在各種因素綜合作用下出現開裂。

7)梁底支座狀態。單線T梁橫向設置2片梁，每片梁底設2個支座，受施工等因素的影響，兩片梁同一梁端4個支座標高可能存在差異。同時，運營一段時間后固定支座與活動支座的平動及轉動功能也可能受到不同程度的限制，使得梁體在溫度及運營荷載作用下的變形受到約束，進而可能導致T梁翼緣梗脅處開裂。

綜合上述分析結果，混凝土收縮變形是本橋梁端縱向開裂的直接原因。梁端混凝土保護層厚度，腹板豎向抗裂鋼筋的布置是導致其開裂的構造因素。先張法構件預應力失效段構造及梁端橫向預應力、橫向限位構造及支座工作狀態等是導致梁端病害加劇的附加因素。從結構動力測試和靜載試驗的結果來看，本橋梁端縱向裂縫對結構整體受力性能影響較小，裂縫在運營荷載作用下的擴展也不明顯。裂縫應是早期已經出現，并在長期運營荷載及溫度作用下緩慢發展。

4 維修加固方案

基于梁端病害成因的分析結果，為了確保結構的受力及耐久性安全，可根據梁端裂縫的發展狀態制定不同的維修加固方案:對裂縫寬度較小的淺層裂縫進行修補處理，而對于寬度較大的深層裂縫，除了進行修補外，為了避免其進一步擴展，尚應對其梁端進行加固處理[8]。

4.1 梁體裂縫及破損修補處理

對梁體裂縫進行修補處理:對寬度小于0.10 mm的采用表面封閉法進行封閉，對寬度大于等于0.10 mm的采用壓力注漿法進行灌注。

對梁端局部破損混凝土采用聚合物改性混凝土(砂漿)進行修補處理。

梁體裂縫與破損修補用材料性能指標和工藝均應滿足相關規范的要求。

4.2 病害嚴重梁端加固處理

對病害較為嚴重的梁端(裂縫寬度大于0.25 mm)腹板粘貼鋼板予以加固。粘貼鋼板范圍為距梁端2.55 m處至梁端或橫隔板內側，鋼板條豎向布置，端隔板處鋼板寬30 cm，腹板變厚段鋼板寬20 cm，凈距10 cm。兩端分別錨固于翼緣和腹板底部，在梗脅處V型坡口焊接成型，其中橫隔板處鋼板設豎向加勁肋。

鋼板采用Q345b級鋼材，厚度8 mm。采用壓力注膠法粘貼，工廠熱浸鍍鋅防腐處理。

5 結語

本文針對鐵路橋預制T梁的梁端裂縫病害，采用無損檢測、靜動載試驗檢測結合的方法評估了病害結構的安全性能，并通過分析病害成因制定了有針對性的加固方案。對于維修加固方案的設計，不僅需要修復已出現的結構性病害，確保當下的結構受力安全，還需要考慮結構的長期安全性能，針對其可能出現的耐久性病害進行防護。本文的研究可以為同類型橋梁的病害處治提供參考。