川藏铁路常用跨度预应力混凝土简支梁的耐久性设计对策

田 杨,徐升桥,邓运清

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

混凝土桥梁结构的耐久性直接影响桥梁的安全性和使用寿命。影响混凝土桥梁结构耐久性的因素有很多，从耐久性病害产生原因来分析，可以将这些因素分为内部因素和外部因素两大类，内部因素主要为桥梁结构的构造以及混凝土材料自身的缺陷等；外部因素主要为自然环境，包括一般大气环境、冻融环境、氯盐环境、化学腐蚀环境等[1-4]。提高混凝土桥梁结构的耐久性有助于降低运营期的养护维修成本[5-8]，延长服役桥梁的使用寿命。重点从结构材料的选用、细部构造设计、施工技术措施等方面，系统分析川藏铁路常用跨度混凝土简支梁结构的耐久性设计对策。

2 川藏铁路沿线气候特征

川藏铁路雅安至林芝段主要穿越川西和藏东两大高原区，沿线山高谷深、人烟稀少，大气含氧量低，自然条件十分恶劣[9-10]。从雅安到林芝，气候特征明显不同，沿线地区干湿变化大，环境相对湿度差异显著，不同地区气温变化较大。川藏铁路沿线地区主要气象特征值如表1所示。

表1 川藏铁路沿线地区主要气象特征值

川西高原区多为高山峡谷，相对高差较大，气候垂直分带显著，因南北向河流引导，气候受印度洋暖流和我国西北部干旱气候的相互、交替影响，构成了气候多变，雨量较少，年、日温差较大等特点。低谷地带夏季最高气温可达35～40 ℃，高山台地冬季最低气温可降至-15～-20 ℃，雨雪霜冻时间较长。藏东高原区江河上游多呈东西向走向，中下游河谷多呈南北走向，受印度洋暖流影响，属高原海洋性气候和大陆性气候，年均气温7～10 ℃。

高原地区空气稀薄，大气透明度高，紫外线辐射强，日照作用时间长，昼夜温差较大，阴阳面温差较大。据气象数据资料记载，川藏铁路雅安至林芝段部分地区年度最大温差可达50 ℃，昼夜温差最大可达28 ℃。

3 高原及寒区在役铁路常用跨度简支梁桥现状调查分析

我国高原及寒冷地区在役铁路常用跨度简支梁桥应用现状的专项调研[11-12]分析结果表明，风、雨、雪和温度等自然气候环境条件对混凝土简支梁桥结构的耐久性影响显著，部分桥梁出现影响使用功能的病害问题，主要体现在附属设施结构上；高海拔地区桥位处现浇施工的混凝土质量普遍偏差，海拔高度越高表现越突出。

高原及寒区在役铁路常用跨度混凝土简支梁桥结构出现的典型病害有泄水管渗漏水、桥面防水保护层混凝土隆起开裂(或粉化脱落)、梁端防水装置破损漏水、防水涂料老化脱落、PVC泄水管材破损脱落、混凝土表面泛碱、混凝土冻胀开裂、梁间缝隙顶死、钢构件锈蚀等，这些病害直接影响简支梁桥结构的耐久性及其服役年限。

川藏铁路简支梁桥布设区段大多位于海拔3 500 m以上的高原区，桥址处气候环境恶劣，施工建造条件较差。常用跨度混凝土简支梁桥结构的耐久性应从材料选用、结构设计与施工等多方面采取措施予以保证。简支梁桥的梁部结构应优先采用预制工艺，应提供良好的施工作业条件，尽可能减少桥位处混凝土的现浇作业，强化桥梁附属设施的耐久性设计，以减少运营期维修养护作业。

4 川藏铁路混凝土简支梁桥面临的挑战

4.1 复杂环境条件下材料的适应性

川藏铁路依次经过四川盆地、川西高山峡谷区、川西高原区、藏东南横断山区、臧南谷地区5个地貌单元[13]，途经地区自然气候环境差异显著，高原区全年平均气温偏低，部分地区昼夜温差大，温度变化对混凝土结构的影响较大。混凝土是一种非均质、不等向，随时间和环境条件变化的多相混合材料，对于新浇筑的混凝土结构，硬化初期因气温大幅变化以及表面干燥、失水等原因，极容易出现开裂问题。混凝土构件一旦开裂，空气中的水分、盐类等有害物质通过裂缝侵入导致钢筋锈蚀，将直接影响结构的长期服役性能。高原地区大气透明度高、紫外线照射强烈，混凝土桥面防水层、泄水管以及人行道钢构件的防腐涂层等材料会加速老化，出现开裂、破损、粉化等劣化现象，丧失防护功能，进而影响结构的耐久性[14]。此外，由于混凝土的徐变特性，不同环境相对湿度下预应力混凝土简支梁的变形大小不尽相同，这使得预应力混凝土简支梁的徐变控制更为复杂。

4.2 地震荷载作用影响

川藏铁路地处印度板块与欧亚板块挤压碰撞带[15]，板块活动强烈。区域断裂构造极为发育，线路穿越10余条深大活动断裂带，地层内动力作用活跃，区域地应力明显高于其他地块，地震活动频繁且强烈，据记载该区域发生7级以上地震至少22次，强烈的地震作用给桥梁结构抗震设计带来重大挑战。川藏铁路常用跨度混凝土简支梁桥主要位于Ⅷ度区，且多位于近断层区域。近断层地震动[16-18]具有较大的速度和位移脉冲，地震动峰值较大，低频含量丰富，特征周期较长，对近断层区域的工程结构的破坏严重。川藏铁路全线常用跨度简支梁桥地震烈度如表2所示。

表2 全线常用跨度简支梁桥地震烈度

4.3 风荷载作用影响

风是由空气流动引起的一种自然现象，受地球自转、太阳辐射等因素的影响，其运动有一定的规律性。混凝土结构长期受定向风作用，其耐久性退化速度必然加快。风环境下的混凝土碳化深度大于无风作用下的混凝土碳化深度，会造成许多混凝土结构实际碳化速度大于预期的碳化速度，导致结构耐久性的降低。屈文俊[19]等对川黔线上钢筋混凝土铁路桥梁耐久性的检测结果显示，直接受风作用面的碳化深度为间接受风作用面的1.15倍。高原地区天气寒冷、空气干燥、常年刮风，混凝土结构受风荷载作用的影响更为突出，低温环境下的风蚀作用会加速混凝土的碳化，严重影响结构的耐久性。

4.4 施工及运营维护面临的挑战

高海拔地区空气中的含氧量低，大型机具的动力系统难以充分发挥作用，机械设备效率低下，施工人员的高原反应会导致自身工作能力下降，精力不集中，甚至可能会发生高处坠落、人员伤亡等事故。高原干燥大风、昼夜大温差环境条件下，桥位处现浇混凝土的施工质量难以保障，混凝土构件因收缩、冻胀开裂的风险加大。铁路沿线途经地区工业基础薄弱，钢材、水泥、砂石料等建筑材料匮乏，沿线道路交通能力不足，施工材料运输困难[20]。线路经过区域国家级保护区数10处、大熊猫等珍稀动植物近百种，生态环境敏感脆弱，环境保护任务艰巨。桥梁建成通车后的日常检查和养护维修面临高原极端的气候环境，条件十分艰苦。

5 常用跨度混凝土简支梁的耐久性设计对策

5.1 主梁结构

简支梁宜优先选用运营期养护维修作业量少的箱梁结构。箱梁结构应优先采用预制架设工艺，以减少桥位处混凝土现浇作业。梁部结构混凝土宜选用高性能混凝土[21-23]，施工中应加强原材料的进场检验与质量控制，优化配合比参数设计，合理选用外加剂，以确保混凝土质量。

预应力结构体系宜选用高强度预应力钢绞线及配套的锚固系统，以减小预应力管道直径，增大预应力钢束的混凝土净保护层厚度。预应力管道压浆料应选用高性能灌浆料。管道压浆应采用真空辅助压浆工艺，宜优先采用智能循环压浆系统。

加强高原区温度荷载分析研究，强化梁体普通钢筋设计，梁体普通钢筋的混凝土保护层厚度除考虑碳化环境外兼顾考虑风蚀及雨雪冻融的影响，结合海拔高度进行适当加厚。

完善施工工艺控制措施，加强混凝土的养护。梁体混凝土应首选蒸汽养护，严格控制梁体混凝土芯部与表层、表层与环境、箱内与箱外的温差，防止梁体出现早期裂纹。施工中应切实加强防风、保温、保湿等措施，宜根据预制梁场所处的海拔高度、风场环境、昼夜温度变化等因素，选择将混凝土浇筑作业置于全封闭厂棚内。

5.2 附属设施

简支梁结构的附属设施主要包含桥面防排水、挡砟墙(或防护墙)、电缆槽、遮板(或竖墙)、人行道栏杆(或声屏障)、梁端防水装置等。

5.2.1 强化防排水设计

防排水效果的好坏直接关系到桥梁结构的使用寿命，应遵循安全可靠、经济合理和便于施工的原则，选用化学稳定性好、黏结性能强的防水材料。结合高海拔地区常年低温的特点，简支梁的桥面防水层应优先选用高强度耐寒型改性沥青防水材料，防水层上面应铺设混凝土保护层。

对于无砟轨道桥梁，桥面防水保护层混凝土应增设冷轧带肋钢筋焊接网，以提高其抗裂性能。环境条件恶劣地区的无砟轨道梁，防护墙之间的桥面防水保护层混凝土浇筑完毕后，应在其顶面尽早喷涂无机溶胶型渗透结晶材料，预防混凝土开裂。无机溶胶型渗透结晶材料应满足Q/CR 410-2020《铁路混凝土结构耐久性修补及防护》的技术要求。

优化桥面泄水管及梁端防水装置的材料选用，桥面泄水管采用薄壁不锈钢管，梁端防水装置采用不锈钢止水带，取代原来的橡胶止水带，以提高耐久性。见图1。

图1 全寿命耐候性梁端防水装置

5.2.2 优化施工工艺

挡砟墙(或防护墙)、电缆槽、遮板(或竖墙)等附属设施可结合运架条件，考虑在预制梁场二次浇筑或采用整体预制拼装的施工工艺，见图2。

图2 装配式桥面附属设施

5.2.3 合理选用盖板与栏杆

高海拔地区大风天气较多，电缆槽盖板宜选用质量略大的C40钢筋混凝土盖板，采用工厂化集中预制施工，蒸汽养护。严格控制每块盖板的设计尺寸与质量，确保高原缺氧环境下搬运安装方便。

人行道栏杆可根据沿线地区的气候环境条件和桥梁景观要求合理选用普通钢栏杆、耐候钢栏杆或混凝土立柱+钢管组合栏杆。选用普通钢栏杆时，应采用复合防腐层(多元素粉末共渗+钝化+封闭处理)处理，总干膜最小厚度≥70 μm，防腐处理的工艺及技术指标应满足Q/CR 749.3—2020《铁路桥梁钢结构及构件保护涂装与涂料 第3部分：附属钢结构》要求。选用耐候钢栏杆时，耐候钢应满足GB/T 4171—2008《耐候结构钢》的技术要求。选用混凝土立柱+钢管组合栏杆时，钢管的防腐处理要求与普通钢栏杆相同，钢筋混凝土立柱应采用工厂化集中预制，施工过程中应加强养护。

5.3 支座与防落梁

地震动峰值加速度<0.2g地区，常用跨度混凝土简支梁桥可选用球型钢支座、盆式橡胶支座等常规支座；地震动峰值加速度≥0.2g的地区，常用跨度简支梁桥选用减隔震支座。地震动峰值加速度<0.2g或者地震动峰值加速度=0.2g且地震动反应谱特征周期≤0.45 s的地区，防落梁装置采用刚性挡块(或榫型防落梁)。地震动峰值加速度=0.2g且地震动反应谱特征周期>0.45 s及地震动峰值加速度位于0.2g～0.3g(含)的地区，防落梁装置可根据桥位处场地条件，通过计算分析选用减隔震支座配套的钢阻尼器。地震动峰值加速度>0.3g地区，应开展地震安全性评价，进行专项设计。

6 结语

结合高原及寒区铁路简支梁桥的现状调查，系统分析了川藏铁路常用跨度混凝土简支梁桥的服役环境与面临的挑战，按照少维护、免维护的总体原则，针对性提出了有利于保障常用跨度混凝土简支梁结构耐久性的设计对策。

(1)常用跨度混凝土简支梁应优先采用预制工艺，宜优先选用养护维修作业量较少的箱梁结构。

(2)梁体混凝土应采用高性能混凝土，预应力体系宜选用高强度钢绞线及配套的锚固系统，预应力管道压浆料应选用高性能灌浆料。

(3)梁体钢筋的混凝土保护层厚度除考虑碳化环境外兼顾考虑风蚀及雨雪冻融的影响，可结合海拔高度予以适当加厚。

(4)选用耐低温、抗紫外线强的防水材料，桥面泄水管及梁端止水带可选用不锈材料，防水保护层混凝土宜设置钢筋网，以减少养护维修作业。

(5)优化施工工艺，强化过程控制，加强对混凝土的养护。可根据海拔高度、风场环境、昼夜温度变化等因素，选择将混凝土浇筑作业置于全封闭厂棚内。

(6)根据沿线地区气候环境与桥梁景观要求合理选用人行道栏杆类型，力求简单、经济、耐用。