铁路桥梁裂缝形成原因分析及控制措施

王 立

(中国中铁上海工程局市政工程有限公司,上海 200063)

铁路桥梁裂缝形成原因分析及控制措施

王 立

(中国中铁上海工程局市政工程有限公司,上海 200063)

该文对铁路桥梁裂缝的成因与分类以及施工防治措施进行了阐述,获得了一些有益结论。

铁路桥梁; 耐久性; 成因与分类; 控制措施

长期以来,铁路在我国社会经济发展的作用是巨大的,铁路极大地方便了人们的出行和大量货物的输送,促进了我国各个城市的发展。为了跨越江河,出于经济效益的考虑,在路线中设计建造了大量的桥梁工程,各类型的桥梁均有,如斜拉桥、悬索桥、连续梁桥、刚构桥、拱桥、简支梁桥等等,既有预应力钢筋混凝土拱桥,也有栓焊结合与全焊的钢桥,在桥梁的设计、施工、运营期间有可能产生裂缝。铁路桥梁的荷载形式与公路桥梁有很大的区别,动力特性更加显著,对裂缝的控制要求更加严格,只有这样才能很好地保证桥梁的正常使用与运营的安全性。

随着桥梁使用年限的不断增加,加之前期设计的荷载与当下列车及货物等产生的荷载不同,一些混凝土桥梁产生了裂缝。由于水、腐蚀介质的不断入侵,裂缝不断变大,进一步降低了结构的耐久性与承载能力,这样会导致预应力长期处于高应力工作状态,同时也会发生应力腐蚀。铁路桥梁的车辆行车速度快,桥梁动力特性显著,对裂缝较为敏感,对刚度要求较高,因此在设计施工运营阶段都应加强对裂缝的控制与处理,以保证列车行驶的安全性与舒适性。

1 裂缝的成因与分类

实际的桥梁结构比设计状态的受力与环境更加复杂,很多桥梁结构在施工控制、材料选择、养护维修等方面存在很大的问题,往往导致桥梁结构很早就出现了裂纹,比如预应力钢筋张拉次序选择不当造成预应力梁的开裂,施工时间选择不适宜使桥梁结构内外温差过大而开裂。一般地,可以将桥梁结构的裂缝分为结构型与非结构型裂缝。前者是由于受力引起的,而后者主要是由于施工与气候等非受力因素引起的。

1.1 荷载产生的裂缝

随着社会经济的快速发展,车辆运输的质量也比原来大,往往超过了桥梁结构设计时采用的荷载规范值,桥梁结构由于车辆超载而发生裂缝。若对车辆超载不进行控制、桥梁结构也不进行维修加固,那么桥梁的裂缝将进一步发展,势必严重影响行车的安全性与舒适性。常见的由荷载引起的裂缝有弯曲裂缝、剪切裂缝(支座附近)、断开裂缝(受拉引起的)、扭曲裂缝等。

1.2 温度效应产生的裂缝

混凝土的抗拉强度低,当结构内外温度显著变化时,混凝土将发生变形,加之很多情况结构是超静定的,变形将受到约束,结构中将产生温度次应力。当温度次应力超过混凝土的抗拉强度时结构将产生裂缝,裂缝宽度较细,且纵横交错。在拆模前后、大体积混凝土的施工时,易产生温变裂缝,表面裂缝没有固定的走向,而深层的裂缝往往与主筋走向相同。

1.3 收缩与冻胀产生的裂缝

随着混凝士水分的散发,结构会发生塑性收缩和缩水收缩(干缩),混凝土收缩会产生拉应力,当拉应力比混凝土的抗拉强度低时会产生收缩裂缝,这种裂缝是不规则斜裂缝,比较容易在桥梁桥墩中出现。由于开裂面积大,随着一些雨水及腐蚀介质的侵入,加之在冬季雨水结冰会形成膨胀应力体积会膨胀9%,从而加速结构的破坏,对混凝土结构内的钢筋与预应力钢筋将产生严重的损害。冬季施工时,对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施,将可能发生沿管道方向的冻胀裂缝,给后期预应力的工作留下安全隐患。

1.4 钢筋锈蚀产生的裂缝

由于混凝土施工质量较差或在设计时对混凝土的保护层取值太小,在实际的桥梁环境中,混凝土结构会被CO2侵入而碳化以及海洋附近的腐蚀气体与氯离子的侵入,使钢筋逐渐被锈蚀,而锈蚀的钢筋表面将产生Fe2O3从而增大钢筋体积,使混凝土的裂缝进一步被扩展,同时保护层也会剥落。对于处于高应力的预应力钢筋更加危险,扩展更加迅速,导致结构的承载能力逐渐减小,严重威胁结构的使用安全性。

1.5 施工与材料引起的裂缝

对于混凝土结构,施工工序对裂缝的产生有重要的影响,如预应力的张拉顺序、大体积混凝土施工顺序(桥梁墩台基础等施工)、起吊点的设置与运输堆放等等,处理不当就可能会产生施工裂缝,严重时可能酿成工程安全事故,给乘客生命财产与国家经济带来严重损失,影响整个工程的施工进度与铁路运营通车时间。施工人员对桥梁施工的具体流程不熟、对起吊的预制梁随意设置起吊点、未达到混凝土强度的70%就张拉钢筋、拆除支架的顺序不合理,这些都会造成施工不当。

很多的桥梁都采用了钢筋(预应力钢筋)、混凝土两种材料来建造,但是材料的质量优劣、原料的制备与选取也都直接影响到结构的耐久性,如配制混凝土时氯离子含量的控制好坏就是一个重要因素。很多施工单位为了追求利益的最大化和进度,往往选择一些质量不合格或质量较差的原材料,甚至一些施工管理人员对进入施工现场的施工材料也疏于检测,使施工材料远远达不到设计的要求。施工材料选择不合理主要有水泥体积安定性不合格,水泥强度不足,水泥中碱性氧化物与砂石中云母超标、级配不良。

2 铁路桥梁裂缝的施工防治措施

随着许多铁路线路的修建,大量的桥梁被建造,在建造与运营过程中出现了大量裂缝,国内外许多专家学者对混凝土结构开裂的原因进行了大量的研究和探讨,针对这些开裂原因也提出了一些具体的措施与方案,获得了较好的效益。在实际的设计与施工中,应采取防治结合的方针,将混凝土桥梁的裂缝消除在萌芽之中,对于难以避免的裂缝则及时地采取有效措施进行处理,以免裂缝进一步扩大,影响结构的安全性与耐久性。在混凝土桥梁的设计中要合理地布置结构与钢筋,在进行施工前,应根据当地的气候环境条件制定好混凝土浇筑与振捣、养护方案。

2.1 荷载引起的裂缝控制措施

在施工阶段对施工机具与材料进行合理放置,对预制结构的吊点进行合理设计,加强施工阶段的管理与工程监理,将一些施工工程易导致混凝土桥梁开裂的因素消除在萌芽之中。由于铁路桥梁的荷载较大,结构的动力特性明显,在设计中应加强结构的疲劳强度与稳定性验算,不得随意在桥梁结构中凿槽、开洞、设置牛腿等,从而避免桥梁在荷载作用下应力集中而引起裂缝。

2.2 温度裂缝的控制措施

施工过程中由于昼夜温差较大与结构内外温度变化不均匀,极易产生裂纹,在施工过程中减少使用水化热比较大的、体积安全性不良的水泥。在施工过程中应采取有效措施以控制混凝土浇筑时的温度,诸如:对于大体积混凝土可以采取分层分段浇筑,用水降低拌合前混凝土的浇筑温度,在寒冷季节与地区施工时采取保温措施等等。

2.3 混凝土收缩裂缝与表面龟裂的控制措施

在施工材料的选择时应避免选择一些收缩大的水泥如矿渣水泥、快硬水泥等,而应该选择普通水泥与火山灰水泥等这类收缩性小的水泥,同时选择合适的骨料、水灰比、掺外加剂进行混凝土的配制,采用机械振捣方式使混凝土振捣密实,注意混凝土后期的养护工作,以避免混凝土的收缩裂缝的形成。为了有效地防止混凝土表面现象的发生,施工单位应采用低水化热水泥品种,减小水泥用量,尽量缩短拆模时间,同时在拆模后采取一定的包裹措施,使混凝土表面的温度变化小以减小热胀冷缩,进行浇水养护28天,减小混凝土的水分流失速度。

2.4 施工裂缝的控制措施

施工单位应有一个完善的质量保证措施,因施工质量优劣将可能直接导致裂缝的形成,影响桥梁的结构的正常使用,况且铁路桥梁对线形要求较高,列车的时速较快,荷载较大,动力特性显著,在施工中更应该加强混凝土裂缝的管理与控制,监理单位加强对一些易产生裂缝的部位检测。在施工中合理安排施工节段的先后施工顺序,科学地搭设支架避免一些塑性沉降裂缝的形成,混凝土浇筑完成后应加强混凝土养护以保证施工质量。在进行施工材料选择时应严格控制混凝土配制中各成分的比例与氯离子含量,同时也应该避免碱骨料反应,采用一些添加剂改善混凝土的各项性能,如抗拉强度、和易性、收缩性能等。选择体积安定性良好的水泥,严格控制水泥中碱性氧化物的含量,选择级配良好的骨料进行混凝土拌合。

3 结 语

大量的各类型的桥梁应用于铁路建设中,极大地促进我国铁路建设与发展。在铁路设计、施工、运营中,有不少桥梁由于各种原因产生了裂纹,其中列车对铁路线形要求较高,桥梁的动力响应明显。有些裂缝是由于荷载产生的,有一些是由于材料选择不适当等非荷载因素引起的,在设计时合理选择荷载值,同时考虑未来几年内线路列车荷载与速度的发展,在施工中加强裂缝控制与运营后期的桥梁养护维修工作,以保证列车运行的安全性与舒适性,提高桥梁的使用寿命与耐久性。该文对铁路桥梁裂缝的成因与分类以及施工防治措施进行了阐述,获得了一些有益结论,希望对今后铁路桥梁裂缝的控制措施具有一定参考价值。

[1] 漆明安.混凝土桥梁施工裂缝形成原因及控制措施[J].中国高新技术企业,2008,20(6):69-71.

[2] 张 奎.混凝土桥梁施工裂缝形成原因及控制措施[J].现代城市轨道交通,2005,17(1):33-34.

[3] 徐兴安.铁路钢筋混凝土桥梁裂缝的危害、成因与防治[J].科技资讯,2009,39(7):65-67.

[4] 陈浔汐.桥梁建设中桥墩裂缝原因分析及控制探讨[J].科技与企业,2012,35(12):59-60.

[5] 谢 斌.铁路桥梁墩身混凝土开裂原因分析及施工监理措施[J].建设监理,2009,41(5):101-102.

Formation Cause Analysis and Control Measures of Railway Bridge Cracks

WANG Li
(Municipal Engineering Co,Ltd,CREC,Shanghai 200063,China)

This paper introduced reasons and classification and construction prevention measures of railway bridge cracks,and got some useful conclusions.

railway bridge; the durability; reasons and classification;control measures

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.06.019

2014-08-10.

王 立(1985-),工程师.E-mail:383972318@qq.com