重载铁路混凝土梁常见病害分析及处理对策研究

高国良

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350)



重载铁路混凝土梁常见病害分析及处理对策研究

高国良

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350)

以朔黄铁路近2000孔混凝土梁为研究对象，开展重载运输对既有铁路混凝土梁的影响分析、常见病害统计及原因分析，并提出相应的加固处理对策。结果表明：重载运输导致桥梁结构主梁、墩台基础、支座等结构横向、竖向和纵向受力大幅增加，活载储备量降低，振动和疲劳加剧，进而引起混凝土梁体开裂、挠度过大、横向振动加剧、梁端顶死等一系列病害大量出现并迅速扩展，轴重和运量的大幅提高是病害快速出现和发展的直接原因，通过采取体外预应力加固、辅助钢梁加固和裂缝灌封等措施，可以达到提高混凝土梁结构承载能力、抗裂性能和耐久性能的目的。

重载铁路;混凝土梁;病害;对策;影响

近些年来，作为效率最高、功能最全的一种运输方式，重载铁路运输在我国得到了迅速发展[1]，大秦、朔黄、大包、瓦日多条铁路线相继开行了重载列车，而提高列车轴重、增加编组则是我国铁路实现重载运输的主要途径，这两项措施在大幅提高铁路运输能力的同时，也导致既有桥梁病害显著增多，劣化速度加快[2]。对于铁路桥梁中数量最多的混凝土梁而言，重载运输引起了多种类型桥梁病害出现并急剧发展，亟需对其进行深入分析并开展相应处理对策研究。

目前，国内外学者在铁路桥梁病害分析及处理方面完成了很多研究，孔祥仲[3]针对沈阳铁路局管内的混凝土桥梁常见病害完成了整治技术研究，提出了多种病害的整治方法；沈志文等[4]对广深线200余座混凝土桥梁完成了病害分析和整治技术研究；刘寿山[2，5]以朔黄铁路为对象，开展了重载铁路桥梁劣化评定标准化技术和病害分析及维管对策研究，从宏观角度对重载铁路桥梁病害检查和评定方法以及维管措施进行了深入研究；徐新利[6]针对朔黄铁路12 m跨度低高度板梁，完成了低高度梁病害分析和性能试验；陈学民[7]针对辛泰线北马鹿大桥，完成了现场病害检查和分析处理；殷涛[8]完成了严寒地区铁路提速后桥梁产生病害的原因分析与整治措施研究，李辉[9]、田青[10]针对公路混凝土箱梁的常见病害和成因进行了深入研究。总结来说，既有研究成果主要集中在普通铁路和公路混凝土梁病害分析和处理方面，且年代较早，针对重载运输对桥梁病害影响研究主要集中在病害宏观分析或某个实桥病害分析方面，缺少大量的重载铁路实桥病害数据调查，样本数少。

据此，以朔黄铁路为工程背景，以数量最多的混凝土梁为研究对象，实地调查重载条件下混凝土梁出现的病害类型及其严重程度，结合近2 000孔混凝土梁的劣化检查结果，开展重载运输条件下的混凝土梁典型病害分析和相应的处理对策研究，为后期的桥梁养护维修提供技术依据。

1 重载运输对桥梁结构的影响

我国于20世纪末开始着手进行重载运输技术的研究，近些年来以大秦、朔黄铁路为代表的重载运输发展迅速。我国重载运输的模式大都采用单机或者多机重联牵引整列重载列车，由不同形式和载重的货车混合编组[1]，轴重一般在23～30 t，编组一般为5 000～20 000 t。相对于普通铁路而言，重载铁路典型特点是轴重大、运量大，且伴随有编组长、速度快、密度大等其他特点，列车轴重和运量大幅提高，给轨道、桥梁以及路基等基础设施带来的是更大的冲击、荷载效应、作用频次和疲劳循环，尤其是对于桥梁结构而言，重载运输快速发展给桥梁结构带来巨大不利影响。重载运输对桥梁结构的影响主要体现在竖向、横向和纵向受力以及振动特性变化几个方面[2，11-12]。

(1)荷载效应大幅增加：重载列车轴重一般都在25 t以上，轴重提高和车厢变短必然引起局部冲击增大，支座反力、梁端剪力、梁体跨中弯矩和墩台基础受力均显著增大，活载储备量降低，梁体开裂，尤其对中小跨度桥梁影响最大。

(2)疲劳加剧：混凝土开裂导致钢筋应力增加，而荷载和作用频次的大幅增加引起混凝土、钢筋以及钢结构疲劳加剧，对小跨径桥涵和钢结构影响最大。

(3)振动加剧：列车通过曲线桥时的离心力与轴重成线性关系，重载列车运营导致曲线段桥梁离心力增大，振动加剧，影响安全运营，同时，轴重和运量增加导致梁体竖向振动加剧。

(4)纵向力增大：既有规范中纵向力统一按照竖向荷载的10%考虑，而重载列车运行会出现列车牵引质量增加和频繁制动情况，引起桥梁下部结构承受的纵向力大幅增加，进而导致支座和墩台纵向受力增大，引起支座剪切变形过大、梁体纵向滑动等病害出现。

因此，重载运输引起铁路桥梁主梁、支座以及墩台基础竖向、横向和纵向受力增大，疲劳及振动加剧，梁体开裂，安全储备降低，多种类型病害出现并迅速扩展。

2 桥梁概况及劣化检查

朔黄铁路是我国第二条开通运行的重载铁路，年运量已经超过2亿t，沿途地质条件复杂，桥梁结构类型多样，小跨度桥梁和低高度、超低高度等特殊类型桥梁也普遍存在，其中K258～K578区段范围内共有桥梁262座(1 807孔)，表1为桥梁数量及类型明细。

表1 桥梁数量统计

由表1可知，区段范围内共有桥梁1 807孔，其中钢桥3孔，12 m以下钢筋混凝土梁48孔，占桥梁总数的2.66%，16～32 m跨度预应力钢筋混凝土T梁1 643孔，占桥梁总数的90.92%，框构桥113孔，占总数的6.25%，混凝土梁占到桥梁总数的99.83%，混凝土梁的重要性不言而喻。

作为朔黄铁路数量最多的一种桥梁类型，混凝土梁主要包括预应力混凝土梁和普通钢筋混凝土梁两种类型，常见T梁、板梁两种类型，16 m以下跨度基本上均为普通钢筋混凝土梁，16 m及以上跨度大都为预应力梁，分别配备板式橡胶支座和盆式橡胶或球型支座。相对于其他类型结构而言，混凝土梁具有受力明确、刚度大、类型多样、稳定性强、耐久性好、维护简便以及应用广泛等优点，但同时也存在自重大、跨度小、耐火性差等一些不足。

目前，铁路桥梁日常检查和劣化等级评定主要依据《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》[13]、《铁路桥隧建筑物修理规则》[14]和《铁路桥梁检定规范》[15]相关规定执行。桥梁整体劣化等级评定按劣化程度分为A、B、C、D四级，按照结构构件最严重结果评定全桥等级。A级分为AA、A1两等；凡结构物或主要构件功能严重劣化，危及行车安全，可以评定为A级AA等；凡结构物或主要构件功能严重劣化，进一步发展会影响行车安全，评定为A级A1等；凡结构物或构件功能劣化，进一步发展将会升为A级，评定为B级；凡结构物或构件劣化，对其使用功能和行车安全影响较小，评定为C级，对使用性能和行车无影响，评定为D级。

具体评定时将桥梁结构分为明桥面、混凝土梁、支座、墩台基础、桥渡、涵渠、钢梁共7个部分，先分别对上述不同结构进行检查及等级评定，每种结构评定也分为A、B、C、D四级，有多项劣化类型时按照最严重的一项评定，最终完成全桥劣化状况评定。混凝土梁的检查内容主要包括：梁体裂缝、防排水措施、梁体损伤、钢筋锈蚀、横隔板断裂、上拱度、梁体纵向位移、道砟厚度、桥梁限界、线梁偏心，并检算承载能力。

混凝土梁劣化等级分为A、B、C、D四级，其中A级又分为AA等和A1等；有多项劣化类型时按照最严重的一项评定其劣化等级。

鉴于混凝土梁在朔黄铁路桥梁中的重要性，在进行桥梁病害检测时，在严格遵守铁路桥梁相关检查规范的基础上，借鉴文献[4]提出的重载铁路桥梁劣化检查标准化检查及评定方法开展桥梁检查工作，系统全面检查混凝土梁病害类型及其严重程度，评定其劣化等级，分析原因并提出措施。

3 典型病害类型及原因分析

通过检查桥梁结构各部件技术状况，根据相关规范对区段内1804孔混凝土梁进行检查及评定，评定结果见表2，表3为A级A1等桥梁数量统计表。

由表2、表3可知：区段内劣化等级为A级A1等的桥梁共计225孔，占到所有桥梁总数的12.47%，数量较多，而其中214孔桥梁都是由于混凝土梁状况较差引起，占A级A1等桥梁总数的95.11%，并且近5年桥梁日常检查资料也表明，从2012年重载列车大面积开行开始，混凝土梁出现了很多新发病害且既有病害迅速发展。可以认为，重载运输条件下，混凝土梁出现了多种类型病害并处于一种较为严重的状况，混凝土梁是重载运输中的最薄弱环节。

表2 桥梁劣化等级评定结果

表3 A级A1等桥梁病害统计表(病害位置)

3.1 梁体裂缝

梁体裂缝主要包括竖向裂缝、梁端斜裂缝、水平裂缝几种，12 m及以下跨度钢筋混凝土梁裂缝多且宽，以竖向裂缝和水平裂缝为主，16 m以上预应力钢筋混凝土梁以斜裂缝为主。

竖向弯曲裂缝多出现在小跨度钢筋混凝土梁跨中部位，普遍存在也较为严重，所有钢筋混凝土均存在此种类型裂缝，裂缝主要集中在1/4～3/4跨度之间，U形裂缝，分布在梁体侧面和底面，底面一般贯通，侧面裂缝一般由底面向上扩展到腹板与翼缘板交界处，裂缝间距在20～40 cm之间变化，最大裂缝宽度已经超过0.25 mm。竖向弯曲裂缝属于受力裂缝，主要由于荷载作用下挠度过大引起，属受力裂缝，降低结构承载力和耐久性。图1为梁体竖向裂缝。

图1 梁体竖向裂缝

斜裂缝主要出现在32 m跨度预应力混凝土T梁的支座至1/8跨区段的腹板位置，一般分布在支座上方朝向跨中位置，倾斜角为15°～45°，呈“八”字形分布，斜向裂缝一般出现在翼缘板下方1.0 m范围内，方向与主拉应力方向垂直，设计时梁端部考虑不足和荷载作用下梁端受力过大是斜裂缝大量出现的主要原因，属于结构受力裂缝。图2为梁体斜裂缝情况。

图2 梁体斜裂缝

历年桥梁检查数据表明：随着重载列车不断开行，小跨度钢筋混凝土梁竖向裂缝和预应力混凝土梁斜裂缝大量出现并迅速扩展，其中梁体斜裂缝最为严重，已经有200余孔32 m跨度T梁出现斜裂缝，均为2012年重载列车开行后出现，长度在0.5～1.2 m之间变化，宽度为0.04～0.2 mm，桥梁劣化等级评定均为A级A1等。2014年底～2016年初，针对梁体斜裂缝进行了长期监控，监控结果表明：梁体斜裂缝在列车通过时扩展，扩展宽度在0.1 mm以下，列车离开时恢复，现场监控1年多时间内，裂缝宽度变化不明显。

由于32 m跨度梁采用全预应力结构，在使用中不容许出现裂缝，而重载列车开行导致32 m跨度梁在梁端部位大量出现斜裂缝，且随列车运行而开合，对结构受力以及耐久性影响较大，必须引起足够重视，尽快采取封闭或其他加固措施。

3.2 横隔板开裂

表现为横隔板处混凝土开裂，一般常在曲线桥和小跨径桥上出现，线梁偏心过大、左右两片梁受力不均和桥梁振动过大都是导致横隔板开裂的主要原因，横隔板开裂后会影响单孔梁整体受力性能，使两片T梁受力及变形不均匀，可能出现偏载现象，降低整孔梁抗扭性能，降低桥梁横向稳定性。图3为横隔板开裂情况。

图3 横隔板开裂

横隔板开裂属于比较严重病害，现场多座桥梁运营性能试验数据表明：伴随此类型病害常出现的其他病害是桥梁跨中、端部横向振动过大、左右两片梁挠度相差过大、支座横向位移超限、线梁偏心大等现象；而桥梁历年检查资料也表明，重载列车开行后横隔板开裂情况有增多趋势。

3.3 其他病害

其他病害类型主要包括跨中挠度过大、梁端顶死、防排水设施损坏、梁体损伤等，其中小跨度梁、低高度或超低高度桥梁跨中挠度普遍偏大，主要是由于集中荷载效应或全桥弯矩效应过大导致，部分桥梁实测挠跨比已经接近规范限值；其他病害类型也较多发生，大都由于梁体竖向、纵向受力过大引起。图4～图7为混凝土梁其他常见病害。

图4 防排水措施损坏

图5 梁端顶死

图6 钢筋锈蚀及梁体损伤

图7 附属设施损坏

总体来说，在轴重25 t及以上重载列车作用下，混凝土梁受到更大的竖向、横向和纵向力作用，钢筋混凝土梁竖向、斜向和水平裂缝大量出现且宽度增加，梁体刚度降低和振动加剧；预应力钢筋混凝土梁端部大量出现斜裂缝且情况较为严重；梁端顶死情况日益严重，大部分排水设施损坏，多种类型桥梁跨中挠度偏大，振动和疲劳加剧，人行道板等附属设施损坏严重。

4 处理对策研究

4.1 裂缝处理

重载列车通过引起很多裂缝出现并扩展，以竖向弯曲裂缝和斜裂缝为主，混凝土裂缝危害很大，在高温、高盐环境下极易出现钢筋锈蚀和鼓包现象，大大降低混凝土耐久性，而针对不同裂缝对应的处理措施也各不相同。

朔黄铁路32 m预应力混凝土T梁按全预应力进行设计，在重载条件下梁端部大量出现斜裂缝，活载作用下裂缝不断扩展，对应混凝土和钢筋应力也相应增大，抗裂性能降低，影响结构安全，对此种类型裂缝的处理要从提高结构耐久性和抗裂性能方面出发。

具体措施是：对于一些细小裂缝以及不影响承载能力的裂缝一般需要做灌封处理，先将裂缝部位清洗干净，采用封闭胶涂刷封闭或环氧树脂灌封；对于裂缝较宽情况，可先将裂缝凿成V字形凹槽，清洗干净后用环氧树脂封闭。对于裂缝较多梁体，一般需要采用碳纤维布封闭加固或混凝土封闭加固方法；对于影响结构承载能力的较大裂缝，先要计算裂缝对承载能力的影响，然后再进行下一步的黏贴钢板加固、体外预应力加固和其他加固方法，当裂缝已严重影响行车安全时应及时更换桥梁。 图8为梁体封闭情况。

图8 梁体封闭

4.2 梁体加固

重载作用下12 m及以下小跨度桥梁和超低高度预应力混凝土梁均出现了挠度过大情况，伴随而来的还包括振动加剧、梁体开裂和钢筋锈蚀等一系列问题，所以，对这几种类型梁体需要从提高承载能力和抗裂性能方面进行加固。

针对不同梁型，采用了包括体外预应力、辅助钢梁在内的多种加固方法，图9、图10为两座桥梁体外预应力加固实例。通过加固，可提高梁体竖向刚度，提高承载能力，可大幅降低恒载、活载作用下的梁体应力，减小活载作用下挠度，满足重载运输条件下的适用性。

图9 244号桥加固

图10 170号桥加固

4.3 其他处理措施

相对于混凝土梁承载能力和振动性能而言，混凝土梁耐久性也需要引起重视。高温、高盐环境和化学物质侵蚀、梁体表面和裂缝积水、冻融循环均是影响耐久性的根本原因，而朔黄铁路很多钢筋混凝土桥梁均大量出现钢筋锈蚀和混凝土脱落现象，这都需要尽快进行处理。

在进行钢筋锈蚀和混凝土脱落处理时，可先将表层混凝土凿除，打磨、清洁钢筋，然后采用环氧树脂补强加固的方法，也可采用混凝土砂浆涂刷表面封闭方式。对于排水措施而言，泄水孔腐蚀严重，可以考虑更换渗锌钢结构泄水孔，并做好梁体与钢结构之间的密封处理，避免积水流入到梁体表面和裂缝中，尤其是两片T梁上部接缝位置处必须引起重视；对于桥梁附属设施损坏、梁端顶死等病害，也需要进行及时处理，避免既有病害的进一步发展。

4.4 养修措施

(1)建立桥梁病害数据库，实行预防性管养

结合正在开展的重载铁路桥梁管理专家系统建设，尽快建立桥梁基础数据库，将桥梁历年检测数据进行分类统计，完成历年来桥梁状况变化记录和趋势分析，结合理论分析和现场试验，科学预测桥梁后期结构状况。同时，贯彻执行“预防为主、防治结合、修养并重、安全至上”的方针，预判、预判桥梁可能出现的病害，采取相应措施消除安全隐患。

(2)建立巡检、监测和试验有机结合的管养模式，重点部位重点监测

在军工局资助下，北极星近几年一直在稳步推进新型钼-99生产技术的研发工作。这种技术以钼的稳定同位素为原料，而不是以传统技术使用的浓缩铀为原料，因此可以消除与浓缩铀相关的扩散和环境风险。

将重载条件下的桥梁管养提升到首要位置。根据桥梁目前现状，建立巡检、监测和试验有机结合的管养制度。根据桥梁病害严重程度不同，将巡检分成日常巡查、定期巡查、特殊巡查、专项巡查4项，严重病害和桥梁实行定期和专项巡查相结合的方式，将现场检查、检测与监测、计算识别与判别、维修与预测的整个过程系统化，重点观测病害严重桥梁，加密观测频率；针对控制桥梁，采用数字化、信息化、可视化的桥梁管理平台完成桥梁数据的实时分析与评判。

(3)实行标准化、精细化管养

桥梁标准化管养包括制度标准化、技术标准化和作业标准化三项内容。在桥梁管养中，首先要建立标准化的桥梁管养制度和模式，然后根据现行规范和重载铁路实际情况，制定标准化的桥梁检查/检测技术规程和技术，在具体实施时，严格按照标准化方法和流程开展桥梁检查，实现桥梁标准化管养。精细化管养是以标准化、规范化为前提，系统化为保证，信息化为手段，数据化为目标而进行的管养活动，通过结构拆分、细化目标、细分责任、细致工作做到精细化管养，细化、量化具体管养工作。

5 结语

国内外的应用实践表明：重载运输是今后铁路货运的发展趋势，是提高运输能力、降低运营成本、增强竞争力的有效手段，大大促进了科技和经济发展，但重载运输的快速发展也给既有铁路桥梁结构的管养带来新的问题、新的挑战。

(1)重载列车开行降低了桥梁的活载储备量，尤其是小跨径桥梁更低，多年桥梁检测数据表明：荷载效应和作用频次的大幅增加则导致很多新型桥梁病害出现并加重，其中梁端斜裂缝、梁端顶死、振动加剧和横隔板开裂是重载列车引起的混凝土梁典型病害，轴重和运量提高则是引起病害出现的直接原因。

(2)大轴重运输条件下，混凝土梁典型病害的类型和发展程度反映的是结构抗裂性能、承载能力、疲劳性能和耐久性能的降低，对应的加固处理措施也从混凝土梁性能提升方面开展，主要采取梁体加固和裂缝灌封等措施来提高混凝土梁的适应性，满足重载运输要求。

(3)重载运输特点对混凝土梁管养提出了新的要求，这就需要在日常管养中从小处入手，重视微小病害，全面掌握桥梁病害情况及演变规律，坚持“预防性管养”思想，建立标准化、规范化、精细化的管养制度和管养方法，持续推进，达到保障桥梁结构安全和延长使用寿命的目的。

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[15]中华人民共和国铁道部.铁运函[2004]120号铁路桥梁检定规范[S].北京：中国铁道出版社，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

国家科技支撑计划(2013BAG20B00)；铁道部科技研究开发计划(2012G011)

高国良(1961—)，男，高级工程师，1983年毕业于上海铁道学院交通运输专业，工学学士，主要从事铁路运输管理和工务管理方面研究，E-mail：13832303854@163.com。

1004-2954(2016)12-0074-06

U445.7+1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.017