川藏鐵路常用跨度預應力混凝土簡支梁的耐久性設計對策

田 楊,徐升橋,鄧運清

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

混凝土橋梁結構的耐久性直接影響橋梁的安全性和使用壽命。影響混凝土橋梁結構耐久性的因素有很多，從耐久性病害產生原因來分析，可以將這些因素分為內部因素和外部因素兩大類，內部因素主要為橋梁結構的構造以及混凝土材料自身的缺陷等；外部因素主要為自然環境，包括一般大氣環境、凍融環境、氯鹽環境、化學腐蝕環境等[1-4]。提高混凝土橋梁結構的耐久性有助于降低運營期的養護維修成本[5-8]，延長服役橋梁的使用壽命。重點從結構材料的選用、細部構造設計、施工技術措施等方面，系統分析川藏鐵路常用跨度混凝土簡支梁結構的耐久性設計對策。

2 川藏鐵路沿線氣候特征

川藏鐵路雅安至林芝段主要穿越川西和藏東兩大高原區，沿線山高谷深、人煙稀少，大氣含氧量低，自然條件十分惡劣[9-10]。從雅安到林芝，氣候特征明顯不同，沿線地區干濕變化大，環境相對濕度差異顯著，不同地區氣溫變化較大。川藏鐵路沿線地區主要氣象特征值如表1所示。

表1 川藏鐵路沿線地區主要氣象特征值

川西高原區多為高山峽谷，相對高差較大，氣候垂直分帶顯著，因南北向河流引導，氣候受印度洋暖流和我國西北部干旱氣候的相互、交替影響，構成了氣候多變，雨量較少，年、日溫差較大等特點。低谷地帶夏季最高氣溫可達35～40 ℃，高山臺地冬季最低氣溫可降至-15～-20 ℃，雨雪霜凍時間較長。藏東高原區江河上游多呈東西向走向，中下游河谷多呈南北走向，受印度洋暖流影響，屬高原海洋性氣候和大陸性氣候，年均氣溫7～10 ℃。

高原地區空氣稀薄，大氣透明度高，紫外線輻射強，日照作用時間長，晝夜溫差較大，陰陽面溫差較大。據氣象數據資料記載，川藏鐵路雅安至林芝段部分地區年度最大溫差可達50 ℃，晝夜溫差最大可達28 ℃。

3 高原及寒區在役鐵路常用跨度簡支梁橋現狀調查分析

我國高原及寒冷地區在役鐵路常用跨度簡支梁橋應用現狀的專項調研[11-12]分析結果表明，風、雨、雪和溫度等自然氣候環境條件對混凝土簡支梁橋結構的耐久性影響顯著，部分橋梁出現影響使用功能的病害問題，主要體現在附屬設施結構上；高海拔地區橋位處現澆施工的混凝土質量普遍偏差，海拔高度越高表現越突出。

高原及寒區在役鐵路常用跨度混凝土簡支梁橋結構出現的典型病害有泄水管滲漏水、橋面防水保護層混凝土隆起開裂(或粉化脫落)、梁端防水裝置破損漏水、防水涂料老化脫落、PVC泄水管材破損脫落、混凝土表面泛堿、混凝土凍脹開裂、梁間縫隙頂死、鋼構件銹蝕等，這些病害直接影響簡支梁橋結構的耐久性及其服役年限。

川藏鐵路簡支梁橋布設區段大多位于海拔3 500 m以上的高原區，橋址處氣候環境惡劣，施工建造條件較差。常用跨度混凝土簡支梁橋結構的耐久性應從材料選用、結構設計與施工等多方面采取措施予以保證。簡支梁橋的梁部結構應優先采用預制工藝，應提供良好的施工作業條件，盡可能減少橋位處混凝土的現澆作業，強化橋梁附屬設施的耐久性設計，以減少運營期維修養護作業。

4 川藏鐵路混凝土簡支梁橋面臨的挑戰

4.1 復雜環境條件下材料的適應性

川藏鐵路依次經過四川盆地、川西高山峽谷區、川西高原區、藏東南橫斷山區、臧南谷地區5個地貌單元[13]，途經地區自然氣候環境差異顯著，高原區全年平均氣溫偏低，部分地區晝夜溫差大，溫度變化對混凝土結構的影響較大。混凝土是一種非均質、不等向，隨時間和環境條件變化的多相混合材料，對于新澆筑的混凝土結構，硬化初期因氣溫大幅變化以及表面干燥、失水等原因，極容易出現開裂問題。混凝土構件一旦開裂，空氣中的水分、鹽類等有害物質通過裂縫侵入導致鋼筋銹蝕，將直接影響結構的長期服役性能。高原地區大氣透明度高、紫外線照射強烈，混凝土橋面防水層、泄水管以及人行道鋼構件的防腐涂層等材料會加速老化，出現開裂、破損、粉化等劣化現象，喪失防護功能，進而影響結構的耐久性[14]。此外，由于混凝土的徐變特性，不同環境相對濕度下預應力混凝土簡支梁的變形大小不盡相同，這使得預應力混凝土簡支梁的徐變控制更為復雜。

4.2 地震荷載作用影響

川藏鐵路地處印度板塊與歐亞板塊擠壓碰撞帶[15]，板塊活動強烈。區域斷裂構造極為發育，線路穿越10余條深大活動斷裂帶，地層內動力作用活躍，區域地應力明顯高于其他地塊，地震活動頻繁且強烈，據記載該區域發生7級以上地震至少22次，強烈的地震作用給橋梁結構抗震設計帶來重大挑戰。川藏鐵路常用跨度混凝土簡支梁橋主要位于Ⅷ度區，且多位于近斷層區域。近斷層地震動[16-18]具有較大的速度和位移脈沖，地震動峰值較大，低頻含量豐富，特征周期較長，對近斷層區域的工程結構的破壞嚴重。川藏鐵路全線常用跨度簡支梁橋地震烈度如表2所示。

表2 全線常用跨度簡支梁橋地震烈度

4.3 風荷載作用影響

風是由空氣流動引起的一種自然現象，受地球自轉、太陽輻射等因素的影響，其運動有一定的規律性。混凝土結構長期受定向風作用，其耐久性退化速度必然加快。風環境下的混凝土碳化深度大于無風作用下的混凝土碳化深度，會造成許多混凝土結構實際碳化速度大于預期的碳化速度，導致結構耐久性的降低。屈文俊[19]等對川黔線上鋼筋混凝土鐵路橋梁耐久性的檢測結果顯示，直接受風作用面的碳化深度為間接受風作用面的1.15倍。高原地區天氣寒冷、空氣干燥、常年刮風，混凝土結構受風荷載作用的影響更為突出，低溫環境下的風蝕作用會加速混凝土的碳化，嚴重影響結構的耐久性。

4.4 施工及運營維護面臨的挑戰

高海拔地區空氣中的含氧量低，大型機具的動力系統難以充分發揮作用，機械設備效率低下，施工人員的高原反應會導致自身工作能力下降，精力不集中，甚至可能會發生高處墜落、人員傷亡等事故。高原干燥大風、晝夜大溫差環境條件下，橋位處現澆混凝土的施工質量難以保障，混凝土構件因收縮、凍脹開裂的風險加大。鐵路沿線途經地區工業基礎薄弱，鋼材、水泥、砂石料等建筑材料匱乏，沿線道路交通能力不足，施工材料運輸困難[20]。線路經過區域國家級保護區數10處、大熊貓等珍稀動植物近百種，生態環境敏感脆弱，環境保護任務艱巨。橋梁建成通車后的日常檢查和養護維修面臨高原極端的氣候環境，條件十分艱苦。

5 常用跨度混凝土簡支梁的耐久性設計對策

5.1 主梁結構

簡支梁宜優先選用運營期養護維修作業量少的箱梁結構。箱梁結構應優先采用預制架設工藝，以減少橋位處混凝土現澆作業。梁部結構混凝土宜選用高性能混凝土[21-23]，施工中應加強原材料的進場檢驗與質量控制，優化配合比參數設計，合理選用外加劑，以確保混凝土質量。

預應力結構體系宜選用高強度預應力鋼絞線及配套的錨固系統，以減小預應力管道直徑，增大預應力鋼束的混凝土凈保護層厚度。預應力管道壓漿料應選用高性能灌漿料。管道壓漿應采用真空輔助壓漿工藝，宜優先采用智能循環壓漿系統。

加強高原區溫度荷載分析研究，強化梁體普通鋼筋設計，梁體普通鋼筋的混凝土保護層厚度除考慮碳化環境外兼顧考慮風蝕及雨雪凍融的影響，結合海拔高度進行適當加厚。

完善施工工藝控制措施，加強混凝土的養護。梁體混凝土應首選蒸汽養護，嚴格控制梁體混凝土芯部與表層、表層與環境、箱內與箱外的溫差，防止梁體出現早期裂紋。施工中應切實加強防風、保溫、保濕等措施，宜根據預制梁場所處的海拔高度、風場環境、晝夜溫度變化等因素，選擇將混凝土澆筑作業置于全封閉廠棚內。

5.2 附屬設施

簡支梁結構的附屬設施主要包含橋面防排水、擋砟墻(或防護墻)、電纜槽、遮板(或豎墻)、人行道欄桿(或聲屏障)、梁端防水裝置等。

5.2.1 強化防排水設計

防排水效果的好壞直接關系到橋梁結構的使用壽命，應遵循安全可靠、經濟合理和便于施工的原則，選用化學穩定性好、黏結性能強的防水材料。結合高海拔地區常年低溫的特點，簡支梁的橋面防水層應優先選用高強度耐寒型改性瀝青防水材料，防水層上面應鋪設混凝土保護層。

對于無砟軌道橋梁，橋面防水保護層混凝土應增設冷軋帶肋鋼筋焊接網，以提高其抗裂性能。環境條件惡劣地區的無砟軌道梁，防護墻之間的橋面防水保護層混凝土澆筑完畢后，應在其頂面盡早噴涂無機溶膠型滲透結晶材料，預防混凝土開裂。無機溶膠型滲透結晶材料應滿足Q/CR 410-2020《鐵路混凝土結構耐久性修補及防護》的技術要求。

優化橋面泄水管及梁端防水裝置的材料選用，橋面泄水管采用薄壁不銹鋼管，梁端防水裝置采用不銹鋼止水帶，取代原來的橡膠止水帶，以提高耐久性。見圖1。

圖1 全壽命耐候性梁端防水裝置

5.2.2 優化施工工藝

擋砟墻(或防護墻)、電纜槽、遮板(或豎墻)等附屬設施可結合運架條件，考慮在預制梁場二次澆筑或采用整體預制拼裝的施工工藝，見圖2。

圖2 裝配式橋面附屬設施

5.2.3 合理選用蓋板與欄桿

高海拔地區大風天氣較多，電纜槽蓋板宜選用質量略大的C40鋼筋混凝土蓋板，采用工廠化集中預制施工，蒸汽養護。嚴格控制每塊蓋板的設計尺寸與質量，確保高原缺氧環境下搬運安裝方便。

人行道欄桿可根據沿線地區的氣候環境條件和橋梁景觀要求合理選用普通鋼欄桿、耐候鋼欄桿或混凝土立柱+鋼管組合欄桿。選用普通鋼欄桿時，應采用復合防腐層(多元素粉末共滲+鈍化+封閉處理)處理，總干膜最小厚度≥70 μm，防腐處理的工藝及技術指標應滿足Q/CR 749.3—2020《鐵路橋梁鋼結構及構件保護涂裝與涂料 第3部分：附屬鋼結構》要求。選用耐候鋼欄桿時，耐候鋼應滿足GB/T 4171—2008《耐候結構鋼》的技術要求。選用混凝土立柱+鋼管組合欄桿時，鋼管的防腐處理要求與普通鋼欄桿相同，鋼筋混凝土立柱應采用工廠化集中預制，施工過程中應加強養護。

5.3 支座與防落梁

地震動峰值加速度<0.2g地區，常用跨度混凝土簡支梁橋可選用球型鋼支座、盆式橡膠支座等常規支座；地震動峰值加速度≥0.2g的地區，常用跨度簡支梁橋選用減隔震支座。地震動峰值加速度<0.2g或者地震動峰值加速度=0.2g且地震動反應譜特征周期≤0.45 s的地區，防落梁裝置采用剛性擋塊(或榫型防落梁)。地震動峰值加速度=0.2g且地震動反應譜特征周期>0.45 s及地震動峰值加速度位于0.2g～0.3g(含)的地區，防落梁裝置可根據橋位處場地條件，通過計算分析選用減隔震支座配套的鋼阻尼器。地震動峰值加速度>0.3g地區，應開展地震安全性評價，進行專項設計。

6 結語

結合高原及寒區鐵路簡支梁橋的現狀調查，系統分析了川藏鐵路常用跨度混凝土簡支梁橋的服役環境與面臨的挑戰，按照少維護、免維護的總體原則，針對性提出了有利于保障常用跨度混凝土簡支梁結構耐久性的設計對策。

(1)常用跨度混凝土簡支梁應優先采用預制工藝，宜優先選用養護維修作業量較少的箱梁結構。

(2)梁體混凝土應采用高性能混凝土，預應力體系宜選用高強度鋼絞線及配套的錨固系統，預應力管道壓漿料應選用高性能灌漿料。

(3)梁體鋼筋的混凝土保護層厚度除考慮碳化環境外兼顧考慮風蝕及雨雪凍融的影響，可結合海拔高度予以適當加厚。

(4)選用耐低溫、抗紫外線強的防水材料，橋面泄水管及梁端止水帶可選用不銹材料，防水保護層混凝土宜設置鋼筋網，以減少養護維修作業。

(5)優化施工工藝，強化過程控制，加強對混凝土的養護。可根據海拔高度、風場環境、晝夜溫度變化等因素，選擇將混凝土澆筑作業置于全封閉廠棚內。

(6)根據沿線地區氣候環境與橋梁景觀要求合理選用人行道欄桿類型，力求簡單、經濟、耐用。