高速鐵路連續梁合龍段頂板開裂原因與對策

劉文薦

中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844

預應力混凝土連續箱梁橋具有結構剛度大、整體性能好、行車平順舒適、養護簡單等特點，在橋梁結構中被廣泛采用［1-3］。懸臂施工法是鐵路預應力混凝土連續箱梁橋最廣泛的使用方法，而合龍段施工是懸臂現澆梁施工的關鍵工序［4-7］。文獻［8-11］對我國連續梁橋實際工程中合龍段的施工順序以及施工質量控制進行了研究。由于合龍段結構受力復雜，施工控制技術難度大，出現各類病害現象較普遍。對各類病害進行統計分析，合龍段可能出現縱橫向裂縫、斜向裂縫、網裂、混凝土麻面、析鹽等病害，裂縫的出現部位有頂板、底板和腹板［12-15］。總體來說，合龍段病害是連續結構體系橋梁的常見病害之一。

本文以一高速鐵路未施加橫向預應力筋的（32+48+48+32）m 雙線連續梁橋為研究對象，對連續梁合龍段出現的頂板縱向裂縫進行現場調研，統計裂縫特征，進行結構安全性計算，分析裂縫原因，并給出相應整治措施和建議，對今后解決類似病害有借鑒意義。

1 病害概況

現場調研發現，在該高速鐵路河南段上，全線多聯采用掛籃施工的未施加橫向預應力筋連續梁合龍段，出現不同程度地裂紋，裂紋全部分布在頂板底面，多數縱向貫通合龍段2 m 范圍，裂紋寬度為0.1~0.2 mm，深度為10~30 mm。全線采用支架現澆方法施工的未施加橫向預應力筋連續梁合龍段未出現裂紋。

在該高速鐵路湖北段上，3 標—7 標共9 座連續梁橋合龍段發現裂紋，裂紋均分布在頂板底面。其中3 標有6 座橋發現裂紋，每座橋裂紋數量1~6 條，裂紋長度100 cm 以內，最大裂紋寬度小于0.2 mm；4 標—7 標中每標有1 座橋發現裂紋，4 標的漢江特大橋上裂紋數量有9條，均在邊跨合龍段頂板底面，最大裂紋寬度0.15 mm；5 標的清涼河雙線特大橋上裂紋數量有73 條，也均在邊跨合龍段頂板底面，最大裂紋寬度0.18 mm。

高速鐵路河南段、湖北段部分連續梁合龍段典型裂紋見圖1。

圖1 部分連續梁合龍段典型裂紋

2 裂縫特征及原因分析

經過對該高速鐵路未施加橫向預應力筋連續梁合龍段頂板裂紋統計分析，裂紋特征有：①裂紋均為縱向貫通，未發現橫向裂紋。②邊跨合龍段與中跨合龍段頂板底部均存在縱向裂紋，且數量分布大致相同。③邊跨合龍段與中跨合龍段相鄰節段未發現裂紋。④不同季節施工的連續梁合龍段頂板底部均存在裂紋，與其施工季節無明顯關聯。

初步分析合龍段產生裂紋可能有以下原因：

1）受合龍段混凝土溫度應力影響。未合龍前梁體通風順暢，內外部溫差小。合龍以后，梁體通風條件變差，當梁面環境溫度升高時，內外溫差大。溫度導致橫截面產生拉應力，產生溫度裂紋。

2）合龍段混凝土由拌和站集中生產配送。現場可能存在合龍段混凝土未按規范要求采用C55補償收縮混凝土的情況。

3）受合龍段與兩側懸澆段施工時差影響。由于合龍段與兩側懸澆段施工存在的時間間隔，合龍施工時兩側懸澆段混凝土收縮已完成了一部分，合龍段混凝土澆筑后有從兩邊向中間收縮的趨勢，但受到兩個已完成部分收縮的混凝土懸澆段的阻撓，使合龍段受到水平張力從而產生裂縫。

4）受連續梁懸澆段施工線形控制不嚴影響。當兩側懸澆段梁體軸線與設計中心線相差較大時，合龍段預應力管道布設會發生彎折，在合龍段會有較小的折角，當頂板預應力鋼束張拉后，導致合龍段在鋼束折角處產生水平分力，使合龍段產生縱向裂紋。

5）合龍段混凝土養護不到位。混凝土干縮導致頂板底混凝土表面出現縱向裂縫。

3 結構安全性檢算

對目前出現的裂紋進行計算分析，如其不再繼續發展，則滿足橋梁結構安全使用要求。

針對該高速鐵路部分連續梁在邊跨合龍段箱梁內頂板倒角50 cm 處出現的縱向裂紋和中跨合龍段橫隔梁過人孔的上倒角處出現往頂板發展的裂紋情況，選擇無橫向預應力筋的（32+48+48+32）m 雙線連續梁（有砟道床）進行分析，按直線、曲線和有無聲屏障包絡計算。

3.1 結構形式

1）橋跨布置：（32+48+48+32）m 預應力混凝土連續梁，全長161.1 m（含兩側梁端至邊支座中心各0.55 m）。

2）橋面寬度：擋砟墻內側凈寬9.4 m，橋梁寬12.6 m，橋梁建筑總寬12.9 m。

3）結構高度：端支座處截面中心梁高為2.69 m，中支點處的為3.49 m（含頂板頂面橫坡）。

3.2 設計荷載

3.2.1 恒載

1）結構構件自重：按TB 10002—2017《鐵路橋涵設計基本規范》［16］第4.2.1條計算。

2）二期恒載：橋上二期恒載單側聲屏障直線梁按187 kN∕m 計算。橫向計算時二期恒載的作用點按實際位置加載。

3）基礎不均勻沉降：相鄰兩支點不均勻沉降為0.01 m。

4）混凝土收縮徐變：環境條件按野外一般條件計算，相對濕度取70%。

5）預應力索徑向力：橫向計算模式下，考慮預應力索徑向力，其值根據截面位置的有效預應力進行計算。

3.2.2 活載及附加荷載

1）列車豎向靜活載采用ZK活載。圖式見圖2。

圖2 ZK活載圖式（單位：m）

按TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》第7.2.8條計算豎向動力系數為

式中：Lφ為加載長度，m；1+μ為動力系數。

2）離心力：橋梁在曲線上時，考慮列車豎向靜活載產生的離心力；橫向搖擺力取100 kN，作為一個集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面。

3）風力：按TB 10002—2017 計算。橋上有聲屏障時，受風面積均按實際情況計算，此時列車風力不重疊計算。縱向溫度荷載按頂板升溫5 ℃考慮，整體升降溫均為20 ℃。箱梁溫差荷載按TB 10002—2017計算。

4）制動力或牽引力：按豎向靜活載的10%計。當與離心力或列車豎向動力作用同時計算時，制動力或牽引力應按列車豎向靜活載的7%計算。

5）特殊荷載：按TB 10002—2017、TB 10621—2014和GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》計算。

3.3 計算結果

3.3.1 縱向受力主要計算結果（見表1）

表1 梁部縱向受力計算結果

由表1可見：

1）主力工況下，梁部強度安全系數2.42，抗裂安全系數1.33，滿足規范要求。

2）主力+附加力工況下，梁部強度安全系數2.28，抗裂安全系數1.31，滿足規范要求。

3.3.2 橫向主要計算結果

裂縫出現在合龍段處，因此對合龍段截面分運梁、二期恒載、運營三階段進行橫向計算，每個階段2個工況，共6 個工況。跨中合龍段設置厚0.6 m 的中橫隔梁，計算不考慮橫隔板影響。（32+48+48+32）m連續梁合龍段截面特征點處梁高為2.6 m（以頂板頂面最低點計），頂寬12.6 m，底寬5.3 m，橫截面為單箱單室直腹板。頂板厚37 cm，腹板厚45 cm，底板厚30 cm。頂板未設置橫向預應力鋼束。

運梁、二期恒載、運營階段共6個工況的檢算結果見表2。

表2 各工況檢算結果

根據TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》第6.2.6條，環境類別為碳化環境T1、T2、T3時，鋼筋混凝土結構構件計算裂縫的寬度，主力工況下不應超過0.20 mm，主力+附加力工況作用時可提高20%，為0.24 mm。由表2可見：

1）運梁階段。混凝土最大應力為7.3 MPa，鋼筋最大應力為227.1 MPa，裂縫寬度最大值為0.236 mm。以上最大值均出現在組合2 工況下的頂板處，均滿足設計要求。

2）二期恒載階段。①主力工況下，混凝土最大應力為4.0 MPa，鋼筋最大應力為210.0 MPa，裂縫寬度最大為0.217 mm；②主力+附加力工況下，混凝土最大應力為4.8 MPa，鋼筋最大應力為124.3 MPa，裂縫寬度最大為0.132 mm。

3）運營階段。①主力工況下，混凝土最大應力為7.7 MPa，鋼筋最大應力為210.0 MPa，裂縫寬度最大為0.189 mm；②主力+附加力工況下，混凝土最大應力為8.7 MPa，鋼筋最大應力為207.3 MPa，裂縫寬度最大為0.216 mm。

在所有工況下，混凝土最大應力均小于容許應力16.8 MPa，鋼筋最大應力均小于容許應力270.0 MPa，裂縫寬度均小于容許值0.24 mm，均滿足設計要求。

3.3.3 豎向變形計算結果

梁體在豎向靜活載作用下產生的撓度值與溫度引起的撓度值的0.5倍之和為-15.6 mm，在0.63倍列車豎向靜活載作用下產生的撓度值與全部溫度引起的撓度值之和為-10.6 mm。最不利情況為-15.6mm，對應撓跨比1∕3 077，滿足規范要求值1∕1 400。

列車豎向靜活載作用下梁端最大豎向轉角為0.696‰，滿足規范要求。

綜上所述，（32+48+48+32）m 雙線連續梁縱向、橫向設計計算結果及豎向變形計算結果均滿足規范要求。

4 整治措施及建議

對該高速鐵路未施加橫向預應力筋連續梁合龍段頂板底部出現縱向裂紋的整治措施為：

1）采用中國鐵道科學研究院集團有限公司TK?J型修補材料對裂紋進行封閉處理，保證結構的耐久性。

2）各施工單位對連續梁合龍段頂板底面裂紋定期進行觀測，判斷裂紋是否進一步發展。

對今后新建連續梁工程管理提出以下建議：

1）建設管理方面

建設單位應充分利用鐵路工程管理平臺連續梁線形監測模塊，加大線形監測現場管控力度；在懸臂澆筑連續梁首件評估工作中，要高度重視連續梁預應力管道及鋼筋安裝位置的精確性。

2）設計方面

設計單位應充分利用BIM 技術，在設計源頭優化和解決鋼筋及預應力管道安裝碰撞問題，并進一步研究對新建特殊設計的連續梁合龍段增設橫向預應力鋼筋等措施，以避免或減少合龍段出現縱向貫通裂紋。

3）施工方面

施工單位要加強施工過程控制，細化和完善線形監測管理及實施方案，在合龍段適當加密布設全截面整體剛性井字架，保證預應力管道定位精準、管道順直。

4）監理方面

監理單位應對連續梁施工關鍵工序如預應力管道的布設、鋼筋安裝、受力體系轉換等加大檢查力度，強化對關鍵工序的旁站和簽認管理，符合設計要求及驗收標準后方可進行下一道工序。

5 結論與建議

本文對一高速鐵路未施加橫向預應力筋的連續梁合龍段出現的裂縫情況進行了裂縫分析和結構檢算。得到以下結論：

1）未施加橫向預應力筋的連續梁合龍段頂板裂紋多為縱向貫通，未發現橫向裂紋。

2）裂縫產生由合龍段溫度應力、兩側懸澆段施工時差、懸澆段施工線形控制不嚴、合龍段混凝土養護不到位等因素所致。

3）可通過修補材料及裂縫長期觀測等方式對合龍裂縫進行處理。

4）建議加大線形監測現場管控力度、保證預應力管道及鋼筋安裝位置的精確度等措施以有效減少連續梁合龍段裂縫產生。