浅谈大型城市钢构桥梁垫石裂缝成因分析及处理

杨 波

(中铁五局集团建筑工程有限责任公司，贵州 贵阳 550001)

0 引言

垫石是设置于桥台、墩顶部与支座连接部分[1]，直接承受桥梁桥跨结构上部荷载作用，并将荷载向下传递至墩顶，通过桥墩向下传递至桥梁桩基。垫石具有体积小、受力大、应力集中、抗压强度高，是桥梁工程中主要的承重结构。目前来说，大型钢结构桥梁施工技术在国内已经取得部分成效，但钢结构桥梁在既有轨道交通站台顶板上施工，在贵阳本土还是首次。随着西部大开发建设的扎实稳步推进，多元化多层次立体交通在贵阳逐步呈现，在贵州特有的喀斯特地貌下进行轨道交通与市政道路建设的情况会越来越多，施工既是在轨道交通区间隧道边缘，又是在轨道站台顶板正上方，整个桥身直接放置在站台顶板，这在整个贵州地区也是首次，在整个西南地区也是屈指可数。桥梁本身的质量安全意义重大，容不得半点疏忽。本文以本市XX桥为例，以桥梁后期出现的垫石裂缝进行分析、总结，对预防垫石裂缝和处理提出自己的一些看法。

1 质量缺陷事故概述

贵阳市XX钢构桥为一联七跨连续钢箱梁结构，全桥1#、8#桥台采用混凝土垫石，其余桥墩垫石均为钢垫石，全桥左侧支座为双向JPZ400盆式橡胶支座，右侧除2号墩为固定支座外，其余均是沿道路中心线方向的单向活动支座。

2018年11月初桥梁全部吊装完成，11月6日临时支架卸载完成，经现场检查，桥梁各部件均处于良好状态，11月22日开始进入桥面铺装，11月24日桥面铺装完成，11月26日我司巡查人员发现，1#、8#桥台右侧垫石局部裂缝，裂缝宽度1.8～2 cm，2号桥墩钢垫石出现轻微裂缝。

图1 桥台垫石裂缝Fig.1 Cracks in abutment pad stone

2 质量缺陷事故原因的分析

事件发生后，项目部立即成立缺陷事故研讨小组，逐个排除分析各工序施工时产生裂缝的可能，从而确定本次裂缝产生的主要原因。

2.1 强度不足

我们首先考虑是否混凝土强度不满足设计要求，本工程垫石混凝土强度为C50，混凝土浇筑时间2018年9月28日，到全桥卸架时间2018年11月16日，混凝土龄期已超过28天，混凝土强度已趋于稳定，经查实，混凝土28天强度报告值为56 MPa，并经现场回弹，回弹强度显示在51～55 MPa之间，满足设计要求。由此排除混凝土强度不够造成的裂缝假设。

2.2 不对称落架

紧接着，我们分析第二种可能产生裂缝的原因，桥梁支架不对称卸载造成的影响。桥梁支架卸载过程中按照方案要求，两侧支架必须同时卸载，但是实际施工时要想达到同时对称卸载应该是很难办到的。我们按照先后落架左右侧相差20 cm(支撑柱)高差分析支座垫石受力情况，全桥宽度16.3 m，支座半径直径为44.5 cm。在不对称卸载情况下，支座垫石主要承受竖向荷载，水平荷载忽略不计。在支座范围内高差通过对比h=445*0.2/20=4.45 mm，小于设计考虑的竖向位移允许变形值1.5 cm。也就是说在人为控制条件下，临时支架卸载过程中产生的20 cm高差发生的竖向变形4.45 mm，在支座本身允许的竖向位移量1.5 cm之内。由此我们基本认为，不对称支架卸载时产生的竖向集中应力已被支座全部吸收，并不会对垫石结构产生任何影响。

2.3 单边受压

沥青摊铺分幅摊铺，不对称受载导致垫石结构局部受载过大造成结构裂缝，排除混凝土强度和偏心受载造成的影响后，我们梳理了一遍，发现裂缝产生的时间刚好就是沥青摊铺完成的时间。我们首先想到的是沥青摊铺作业时，沥青分幅摊铺，多台沥青运输车辆集中停放在半幅桥面上，单侧偏载受压，这与设计考虑的行车荷载满载受力分析不太一样。本工程为市区道路，只允许小型车辆通行，行车荷载取值较低，而施工期间施工荷载远大于设计考虑的行车荷载。分析过程如下：

图2 单跨桥面受力示意图Fig.2 Stress diagram of single span bridge

桥梁桥跨上部钢构总重3200吨，单幅桥面宽度10 m，边跨长度为27 m(主要分析1#和8#台垫石受力情况)，沥青摊铺时分左右幅摊铺施工，沥青料等候车辆基本上10 m一辆，沥青车辆满载时重100吨(边跨上停放车辆至多三辆)，摊铺机自重26吨，双光轮压路机自重20吨，轮胎式压路机自重20吨。假设施工时全部机械设备均在边跨集中，边跨钢构自重为27*3200/227=380.62吨，则边跨主要施工荷载为380.62+20+20+26+100*3=746.64吨。假设边跨为简支结构，单跨受力主要由4个支座同时受力，则每个支座受载186.655吨，小于支座的最大抗压重量400吨，而垫石混凝土强度为50 MPa，垫石上表面积为0.9*0.9=0.81m2，由此计算出垫石的最大抗压重量值为100*50*0.81=4050吨，远大于桥梁实际受载重量值。由此得出分幅沥青摊铺，桥梁偏载受压不是产生裂缝的最终原因。

2.4 温度应力

通过对偏载受力分析，排除偏载受压产生的缺陷破坏后，我们再一次去现场对垫石进一步详细勘查。勘察发现垫石发生的裂缝方向均为沿道路前进方向，裂缝发生在预埋钢板两侧，裂缝从上至下逐渐减小。由此我们推测，裂缝发生的主要原因是结构本身发生剪切破坏，垫石在横桥向受到水平力的影响，致使垫石发生横桥向的剪切破坏，而主要产生横向水平推力的主要为温度应力，即沥青分幅摊铺时温度过高，沥青摊铺开始至沥青自然冷却到常温状态，温差高达170 ℃，由于钢桥面板较大的热传导系数及各向异性效应，使其在高温状态下发生局部温度变形。

桥梁设计中考虑温度应力时温差取值为±20 ℃，并没有考虑在沥青摊铺时的极端温差。同时，桥梁左侧为双向活动支座，右侧为顺桥向单向活动支座，在温度应力的作用下，钢构本身对支座和垫石产生水平推力，左侧支座在横桥向允许发生水平位移量15 cm，而右侧支座在横桥向无法发生位移。在温度应力作用下，水平推力全部传递至垫石混凝土，以致发生垫石结构的破坏。经过多重分析，逐步排查，最终确定了裂缝发生的最根本原因，将分析结论反馈设计及建设单位，并由建设单位召开专家论证会，一致认可分析结果。根据现场实际裂缝宽度2 cm，这与设计单位核算的在170 ℃温差作用下会产生1.8 cm的裂缝的结论基本一致。

3 缺陷处理方案

经过种种成因分析，明确缺陷事故发生的主要原因是沥青摊铺时沥青分幅摊铺，极端温差下温度应力过大，致使发生垫石结构破坏，设计要求对破坏的垫石混凝土予以全部凿除，同时加大垫石尺寸，在垫石外侧植筋补强，浇筑C60细石混凝土，混凝土外侧满包2 cm钢板形成一道加劲箍，确保垫石的质量得到保证。考虑到极端温差在后期均不会出现，同时为了确保2018年12月30日的通车目标，经与参建各方对接，采用千斤顶顶起箱梁，人工凿除预埋钢板边缘外混凝土，查明支座下方和核心区域混凝土是否破坏。再确定采用重新施工还是采取加固的处理方案。后期凿除后发现，核心区域混凝土并未破坏。

3.1 施工方法

为确保垫石修复过程中桥梁的安全稳定，采用千斤顶支撑住垫石两侧，桥墩台两侧支座均要顶起到千斤顶全部受力，但不使钢桥发生竖向提升为止，凿除已破损垫石混凝土，对被破坏的支座垫石进行专用支座修补灌浆料填实，利用灌浆料自流平、无收缩、凝结快、不泌水、耐久性高等特点[2]，确保垫石处理质量。同时按设计加大垫石尺寸为1.05*1.05 m，增加尺寸部分钢筋与台帽钢筋连接成整体骨架体系，垫石外侧增加钢抱箍一道，抱箍环形封闭并与顶板预埋支座钢板焊接成整体封闭状态，即新的垫石为一箱体结构。同时，根据设计要求，混凝土强度加强至C60，但是，考虑到时间紧迫，垫石处理的时间仅1周，从浇筑混凝土到通车时间仅有4天，经与业主、设计、监理单位对接，经设计单位认可，拟采用专用支座修补灌浆料予以替代，经厂家资料显示，其强度3天能达到70 MPa。

3.2 桥台垫石施工工艺流程

千斤顶选型—试顶—顶升—加设临时—垫石剔除—台帽混凝土剔除—钢筋焊接、绑扎—模板安装—预埋钢板就位—钢套箱侧向安装—浇筑专用支座灌浆料—加温养护—卸载—钢套箱上部钢板焊接—场地清理。

3.3 千斤顶的选型

由于无具体的支座受力分析数据，拟根据支座型号反推支座反力，根据设计图纸要求，桥台支座型号为JPZ(Ⅱ)4，即支座最大承担竖向力为4000 kN(合400吨)，以此数据为参考选取千斤顶，受力偏保守，能保证施工的安全稳定。

根据分析，拟每个垫石采用2台千斤顶左右对称顶进，千斤顶高度35～50 cm，行程15～30 cm，千斤顶推力至少200吨，同时，为防止施工过程中千斤顶长期受载失效的意外事件发生，拟采用千斤顶支撑起钢桥后加设φ426×8 mm的钢管作为临时支撑体系，临时支撑钢管上下各加设一块钢板以增加接触面，千斤顶布置详见图3。

图3 千斤顶布置示意图Fig.3 Layout of the jack

3.4 顶升垫石的处理方法

为确保千斤顶顶升时梁体混凝土不受破坏，增大千斤顶对梁底和桥台混凝土的接触面积，使混凝土局部受压强度小于混凝土强度值，拟在千斤顶上下端各放置一块50*50*1 cm的钢板一块，保证千斤顶受力后构件局部承压满足要求。

1)受力分析

假设：单个千斤顶受力为2000 kN，钢板接触面积为0.5*0.5=0.25 m2，所以，钢板的局部承压压强为2000000/0.25/1000000=8 MPa。

承台混凝土强度为C40，根据规范取值，其轴心抗压强度的值是19.1 N/mm2，远大于钢板的承压力。同时上部为钢箱梁，其抗剪强度根据经验取值为屈服强度的0.6倍，即为0.6*420=252 MPa，远大于自身承载的8 MPa，结构安全。

2)试顶

所有准备工作完成后(如检查垫块、千斤顶安装、承力基础状况、材料设备准备齐全等)，千斤顶同时开动，按顶升行程进行试顶，试顶高度以高出钢箱梁底板1 cm为准，分别记录每个千斤顶的行程。顶升过程中严密监测钢桥的变化和是否有异响等，并持载5 min以上后卸载。卸载后认真检查千斤顶的油压、油管、垫石的安全状态，台帽混凝土的完好性，钢板是否产生变形位移等，如存在，应立即查明原因。卸载后会同参建几方组织会议讨论沟通，确定下一步处理方案。

3)顶升

试顶完成并检测各结构、数据均处于安全稳定状态后，安排专人统一指挥，千斤顶缓缓同步顶升，顶升行程分级控制，每级2～3 mm，分级顶升直至箱梁结构底板以上1 cm，持续顶升至试顶记录行程刚好使千斤顶受力的状态，锁定千斤顶，放入调节钢管，防止千斤顶无故失效，双重保险。

4)注意事项

a)顶升关系到结构的安全，各方面均应密切配合。

b)整体顶升过程中要做好过程记录。

c)顶升过程中，加强巡视工作，制定专人分点分部位严密观测桥梁结构状态，监听桥梁是否出现异响等，若有异常，立即停止，并采取处理措施。

d)顶升期间全桥封锁，未经允许严禁进入施工区域。

3.5 钢筋安装

剔除破损处垫石混凝土，保留垫石钢筋，剔除台帽混凝土至外露台帽上层钢筋网片，将增加的部分的垫石钢筋与台帽钢筋焊接成整体。

1)下料

根据图纸设计要求，钢筋工长应熟悉图纸进行钢筋抽样，抽样完毕后，方可交付钢筋工下料。

在钢筋下料过程中，应严把质量关。而且质检员应不定期抽查后台下料长度与钢筋工长料单长度比较，误差大于规范要求的应重新制作。

成品堆放应标明所用部位、长度、规格。

2)钢筋绑扎

钢筋安装在封底砂浆达到一定强度后，用墨线在上面定出两侧边线和钢筋位置线，按设计图纸要求开始绑扎基础钢筋。

钢筋焊接采用电弧焊的方式，钢筋焊接前，搭接端部应预先折向一侧，使两结合钢筋轴线一致，焊接时双面焊焊缝长度不小于5d(Φ20钢筋焊缝长度不小于100 mm)，单面焊焊缝长度不小于10 d(Φ20钢筋焊缝长度不小于200 mm)，钢筋的接头交错排列，相互错开不小于35d(Φ20钢筋焊缝长度不小于700 mm)，且不宜位于构件的最大弯矩处，焊接时采用502焊条，焊条应妥善保管防止受潮。焊缝应饱满、平整、无气泡，焊渣清理干净，焊缝、焊接质量严格按规范要求。

在接头长度区段(35d，且不小于500 mm)内，同一根钢筋不能有两个接头，接头的截面积不超过总截面积的50%，钢筋成型前应平直，无局部弯折，成型后，表面有油渍、漆皮、鳞锈的应清除干净。

钢筋绑扎时，应校核钢筋间距，以保证钢筋的保护层符合要求。箍筋应与受力钢筋垂直，箍筋搭接处承受力与钢筋方向相互错开。

钢筋绑扎完毕后，应在基础底和钢筋外侧垫齐同标号细石混凝土垫块，垫块不少于4个/m2，呈梅花型布置，以保证混凝土保护层厚度和不露筋。

绑扎钢筋时应满绑，不得缺扣或漏绑。

3)质量要求

高度重视半成品加工质量，下料前先调直钢筋。下料尺寸经施工技术人员严格审查后执行。钢筋制作一律在工地加工场内使用机械加工弯制成半成品使用。保证弯曲角度和平直部分长度。加工好后按照规格品种分类堆放整齐，方便后期安装。

4)钢筋安装实测项目(表1)

表1 钢筋安装实测项目Tab.1 Items to be measured in steel bar installation

3.6 混凝土浇筑

垫石采用专用灌浆料[3]。根据厂家出厂证明文件，灌浆料3天抗压强度能达到70 MPa，经厂家指导，现场按照13%的比例用温水进行拌和灌浆料，并在现场留置试块8组，同条件养护。经试块抗压试验报告，1#台和8#台垫石3天抗压强度分别为65.7 MPa和67.9 MPa，均满足设计要求。

3.7 养护

考虑到施工期间为冬季，气温仅1～3 ℃，为加快混凝土的强度提升，现场采用加热法进行升温养护，灌浆料浇筑至初凝后，洒水覆盖薄膜[4]，每个垫石覆盖8床电热套，覆盖8床棉被，并在棉被外侧再满包塑料彩条布覆盖保温，垫石周边安装碘钨灯各2个，并适时监控垫石周边温度，保证气温维持在18～22 ℃之间。

图4 桥台垫石覆盖保温养护Fig.4 Heat preservation maintenance of abutment pad stone

4 结论与建议

通过对垫石裂缝缺陷的成因分析，我们得出，钢构桥梁在施工过程中应注意温度应力对结构本身的影响，而设计方案中一般不会考虑沥青摊铺时极端温差造成的影响，一般考虑的只有日常气温温差。再者，通过本次缺陷分析，造成垫石结构裂缝的原因有很多，临时支架卸载的偏心荷载效应、桥面单侧偏心受载影响、沥青极端温差造成的温度应力影响，其实我们通过对裂缝本身的发生方向可以得出，不管是临时支架卸载，还是桥面偏心受压，产生的均是竖向应力，如果竖向应力发生结构破坏，结构本身应该会呈现多向不规则裂缝或者碎裂，而本次缺陷事故中发生的是单向裂缝，因此推断出主要受水平推力影响。而破坏部分仅在预埋钢板外边缘，主要原因是钢板下方混凝土内部有较为密集的钢筋网片约束，钢板外缘为素混凝土结构，钢筋混凝土结构具有较强的抗剪强度指标，而素混凝土的抗剪强度却极低，无法释放极端温度应力下产生的变形，以致结构破坏。同时，我们反思，沥青摊铺时应左右侧对称摊铺，使钢构本身均匀受载，左右侧在温度应力下均布受载，特别是在桥梁曲线段上的沥青摊铺作业。同时，设计阶段应考虑到施工过程中各工况对桥梁结构的影响，如单边不对称满载甚至超载的情况下的受力分析，要考虑热拌沥青摊铺时对结构本身的影响，包括主要集中受力点(如支座垫石)和结构薄弱环节(如钢箱梁边梁处、跨中变截面处、跨中最大弯矩处等)。