川藏鐵路常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的耐久性設(shè)計對策

田 楊,徐升橋,鄧運清

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)耐久性的因素有很多，從耐久性病害產(chǎn)生原因來分析，可以將這些因素分為內(nèi)部因素和外部因素兩大類，內(nèi)部因素主要為橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造以及混凝土材料自身的缺陷等；外部因素主要為自然環(huán)境，包括一般大氣環(huán)境、凍融環(huán)境、氯鹽環(huán)境、化學(xué)腐蝕環(huán)境等[1-4]。提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性有助于降低運營期的養(yǎng)護(hù)維修成本[5-8]，延長服役橋梁的使用壽命。重點從結(jié)構(gòu)材料的選用、細(xì)部構(gòu)造設(shè)計、施工技術(shù)措施等方面，系統(tǒng)分析川藏鐵路常用跨度混凝土簡支梁結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)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(qū)，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(qū)干濕變化大，環(huán)境相對濕度差異顯著，不同地區(qū)氣溫變化較大。川藏鐵路沿線地區(qū)主要氣象特征值如表1所示。

表1 川藏鐵路沿線地區(qū)主要氣象特征值

川西高原區(qū)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(dǎo)，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(gòu)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(dá)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(qū)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(qū)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(jù)氣象數(shù)據(jù)資料記載，川藏鐵路雅安至林芝段部分地區(qū)年度最大溫差可達(dá)50 ℃，晝夜溫差最大可達(dá)28 ℃。

3 高原及寒區(qū)在役鐵路常用跨度簡支梁橋現(xiàn)狀調(diào)查分析

我國高原及寒冷地區(qū)在役鐵路常用跨度簡支梁橋應(yīng)用現(xiàn)狀的專項調(diào)研[11-12]分析結(jié)果表明，風(fēng)、雨、雪和溫度等自然氣候環(huán)境條件對混凝土簡支梁橋結(jié)構(gòu)的耐久性影響顯著，部分橋梁出現(xiàn)影響使用功能的病害問題，主要體現(xiàn)在附屬設(shè)施結(jié)構(gòu)上；高海拔地區(qū)橋位處現(xiàn)澆施工的混凝土質(zhì)量普遍偏差，海拔高度越高表現(xiàn)越突出。

高原及寒區(qū)在役鐵路常用跨度混凝土簡支梁橋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的典型病害有泄水管滲漏水、橋面防水保護(hù)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(gòu)件銹蝕等，這些病害直接影響簡支梁橋結(jié)構(gòu)的耐久性及其服役年限。

川藏鐵路簡支梁橋布設(shè)區(qū)段大多位于海拔3 500 m以上的高原區(qū)，橋址處氣候環(huán)境惡劣，施工建造條件較差。常用跨度混凝土簡支梁橋結(jié)構(gòu)的耐久性應(yīng)從材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工等多方面采取措施予以保證。簡支梁橋的梁部結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先采用預(yù)制工藝，應(yīng)提供良好的施工作業(yè)條件，盡可能減少橋位處混凝土的現(xiàn)澆作業(yè)，強化橋梁附屬設(shè)施的耐久性設(shè)計，以減少運營期維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)。

4 川藏鐵路混凝土簡支梁橋面臨的挑戰(zhàn)

4.1 復(fù)雜環(huán)境條件下材料的適應(yīng)性

川藏鐵路依次經(jīng)過四川盆地、川西高山峽谷區(qū)、川西高原區(qū)、藏東南橫斷山區(qū)、臧南谷地區(qū)5個地貌單元[13]，途經(jīng)地區(qū)自然氣候環(huán)境差異顯著，高原區(qū)全年平均氣溫偏低，部分地區(qū)晝夜溫差大，溫度變化對混凝土結(jié)構(gòu)的影響較大?；炷潦且环N非均質(zhì)、不等向，隨時間和環(huán)境條件變化的多相混合材料，對于新澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)，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(xiàn)開裂問題?；炷翗?gòu)件一旦開裂，空氣中的水分、鹽類等有害物質(zhì)通過裂縫侵入導(dǎo)致鋼筋銹蝕，將直接影響結(jié)構(gòu)的長期服役性能。高原地區(qū)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(gòu)件的防腐涂層等材料會加速老化，出現(xiàn)開裂、破損、粉化等劣化現(xiàn)象，喪失防護(hù)功能，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的耐久性[14]。此外，由于混凝土的徐變特性，不同環(huán)境相對濕度下預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的變形大小不盡相同，這使得預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的徐變控制更為復(fù)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(qū)域斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，線路穿越10余條深大活動斷裂帶，地層內(nèi)動力作用活躍，區(qū)域地應(yīng)力明顯高于其他地塊，地震活動頻繁且強烈，據(jù)記載該區(qū)域發(fā)生7級以上地震至少22次，強烈的地震作用給橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計帶來重大挑戰(zhàn)。川藏鐵路常用跨度混凝土簡支梁橋主要位于Ⅷ度區(qū)，且多位于近斷層區(qū)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(qū)域的工程結(jié)構(gòu)的破壞嚴(yán)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(fēng)荷載作用影響

風(fēng)是由空氣流動引起的一種自然現(xiàn)象，受地球自轉(zhuǎn)、太陽輻射等因素的影響，其運動有一定的規(guī)律性?；炷两Y(jié)構(gòu)長期受定向風(fēng)作用，其耐久性退化速度必然加快。風(fēng)環(huán)境下的混凝土碳化深度大于無風(fēng)作用下的混凝土碳化深度，會造成許多混凝土結(jié)構(gòu)實際碳化速度大于預(yù)期的碳化速度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(jié)果顯示，直接受風(fēng)作用面的碳化深度為間接受風(fēng)作用面的1.15倍。高原地區(qū)天氣寒冷、空氣干燥、常年刮風(fēng)，混凝土結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用的影響更為突出，低溫環(huán)境下的風(fēng)蝕作用會加速混凝土的碳化，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.4 施工及運營維護(hù)面臨的挑戰(zhàn)

高海拔地區(qū)空氣中的含氧量低，大型機具的動力系統(tǒng)難以充分發(fā)揮作用，機械設(shè)備效率低下，施工人員的高原反應(yīng)會導(dǎo)致自身工作能力下降，精力不集中，甚至可能會發(fā)生高處墜落、人員傷亡等事故。高原干燥大風(fēng)、晝夜大溫差環(huán)境條件下，橋位處現(xiàn)澆混凝土的施工質(zhì)量難以保障，混凝土構(gòu)件因收縮、凍脹開裂的風(fēng)險加大。鐵路沿線途經(jīng)地區(qū)工業(yè)基礎(chǔ)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(jīng)過區(qū)域國家級保護(hù)區(qū)數(shù)10處、大熊貓等珍稀動植物近百種，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱，環(huán)境保護(hù)任務(wù)艱巨。橋梁建成通車后的日常檢查和養(yǎng)護(hù)維修面臨高原極端的氣候環(huán)境，條件十分艱苦。

5 常用跨度混凝土簡支梁的耐久性設(shè)計對策

5.1 主梁結(jié)構(gòu)

簡支梁宜優(yōu)先選用運營期養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)量少的箱梁結(jié)構(gòu)。箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先采用預(yù)制架設(shè)工藝，以減少橋位處混凝土現(xiàn)澆作業(yè)。梁部結(jié)構(gòu)混凝土宜選用高性能混凝土[21-23]，施工中應(yīng)加強原材料的進(jìn)場檢驗與質(zhì)量控制，優(yōu)化配合比參數(shù)設(shè)計，合理選用外加劑，以確保混凝土質(zhì)量。

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系宜選用高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線及配套的錨固系統(tǒng)，以減小預(yù)應(yīng)力管道直徑，增大預(yù)應(yīng)力鋼束的混凝土凈保護(hù)層厚度。預(yù)應(yīng)力管道壓漿料應(yīng)選用高性能灌漿料。管道壓漿應(yīng)采用真空輔助壓漿工藝，宜優(yōu)先采用智能循環(huán)壓漿系統(tǒng)。

加強高原區(qū)溫度荷載分析研究，強化梁體普通鋼筋設(shè)計，梁體普通鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度除考慮碳化環(huán)境外兼顧考慮風(fēng)蝕及雨雪凍融的影響，結(jié)合海拔高度進(jìn)行適當(dāng)加厚。

完善施工工藝控制措施，加強混凝土的養(yǎng)護(hù)。梁體混凝土應(yīng)首選蒸汽養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格控制梁體混凝土芯部與表層、表層與環(huán)境、箱內(nèi)與箱外的溫差，防止梁體出現(xiàn)早期裂紋。施工中應(yīng)切實加強防風(fēng)、保溫、保濕等措施，宜根據(jù)預(yù)制梁場所處的海拔高度、風(fēng)場環(huán)境、晝夜溫度變化等因素，選擇將混凝土澆筑作業(yè)置于全封閉廠棚內(nèi)。

5.2 附屬設(shè)施

簡支梁結(jié)構(gòu)的附屬設(shè)施主要包含橋面防排水、擋砟墻(或防護(hù)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(shè)計

防排水效果的好壞直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，應(yīng)遵循安全可靠、經(jīng)濟合理和便于施工的原則，選用化學(xué)穩(wěn)定性好、黏結(jié)性能強的防水材料。結(jié)合高海拔地區(qū)常年低溫的特點，簡支梁的橋面防水層應(yīng)優(yōu)先選用高強度耐寒型改性瀝青防水材料，防水層上面應(yīng)鋪設(shè)混凝土保護(hù)層。

對于無砟軌道橋梁，橋面防水保護(hù)層混凝土應(yīng)增設(shè)冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)，以提高其抗裂性能。環(huán)境條件惡劣地區(qū)的無砟軌道梁，防護(hù)墻之間的橋面防水保護(hù)層混凝土澆筑完畢后，應(yīng)在其頂面盡早噴涂無機溶膠型滲透結(jié)晶材料，預(yù)防混凝土開裂。無機溶膠型滲透結(jié)晶材料應(yīng)滿足Q/CR 410-2020《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性修補及防護(hù)》的技術(shù)要求。

優(yōu)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(yōu)化施工工藝

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

圖2 裝配式橋面附屬設(shè)施

5.2.3 合理選用蓋板與欄桿

高海拔地區(qū)大風(fēng)天氣較多，電纜槽蓋板宜選用質(zhì)量略大的C40鋼筋混凝土蓋板，采用工廠化集中預(yù)制施工，蒸汽養(yǎng)護(hù)。嚴(yán)格控制每塊蓋板的設(shè)計尺寸與質(zhì)量，確保高原缺氧環(huán)境下搬運安裝方便。

人行道欄桿可根據(jù)沿線地區(qū)的氣候環(huán)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(yīng)采用復(fù)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(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足Q/CR 749.3—2020《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護(hù)涂裝與涂料 第3部分：附屬鋼結(jié)構(gòu)》要求。選用耐候鋼欄桿時，耐候鋼應(yīng)滿足GB/T 4171—2008《耐候結(jié)構(gòu)鋼》的技術(shù)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(yīng)采用工廠化集中預(yù)制，施工過程中應(yīng)加強養(yǎng)護(hù)。

5.3 支座與防落梁

地震動峰值加速度<0.2g地區(qū)，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(guī)支座；地震動峰值加速度≥0.2g的地區(qū)，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(yīng)譜特征周期≤0.45 s的地區(qū)，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(yīng)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(qū)，防落梁裝置可根據(jù)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(qū)，應(yīng)開展地震安全性評價，進(jìn)行專項設(shè)計。

6 結(jié)語

結(jié)合高原及寒區(qū)鐵路簡支梁橋的現(xiàn)狀調(diào)查，系統(tǒng)分析了川藏鐵路常用跨度混凝土簡支梁橋的服役環(huán)境與面臨的挑戰(zhàn)，按照少維護(hù)、免維護(hù)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(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計對策。

(1)常用跨度混凝土簡支梁應(yīng)優(yōu)先采用預(yù)制工藝，宜優(yōu)先選用養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)量較少的箱梁結(jié)構(gòu)。

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

(3)梁體鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度除考慮碳化環(huán)境外兼顧考慮風(fēng)蝕及雨雪凍融的影響，可結(jié)合海拔高度予以適當(dāng)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(hù)層混凝土宜設(shè)置鋼筋網(wǎng)，以減少養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)。

(5)優(yōu)化施工工藝，強化過程控制，加強對混凝土的養(yǎng)護(hù)。可根據(jù)海拔高度、風(fēng)場環(huán)境、晝夜溫度變化等因素，選擇將混凝土澆筑作業(yè)置于全封閉廠棚內(nèi)。

(6)根據(jù)沿線地區(qū)氣候環(huán)境與橋梁景觀要求合理選用人行道欄桿類型，力求簡單、經(jīng)濟、耐用。