宣杭鐵路埭溪橋鋼板梁加固施工技術(shù)

宋飛 上海鐵路局工務(wù)處

宣杭鐵路埭溪橋鋼板梁加固施工技術(shù)

宋飛 上海鐵路局工務(wù)處

針對鐵路既有線下承式鋼板梁縱橫梁聯(lián)接處普遍存在的縱梁腹板裂紋病害，結(jié)合宣杭鐵路埭溪橋鋼板梁加固工程，分析得出該處裂紋是由于設(shè)計構(gòu)造細節(jié)上的缺陷以及局部應力集中等多種因素引起的疲勞裂紋。通過提高縱梁端部腹板的強度，在縱橫梁聯(lián)接部位栓接角鋼的加固方案，改變縱梁的內(nèi)力分布，改善縱梁的應力水平，提高鋼橋的承載能力，并在此基礎(chǔ)上，提出加固施工要點，可為同類病害橋梁加固設(shè)計與施工提供參考。

下承式；鋼板梁；裂紋；加固；疲勞

隨著鐵路的發(fā)展，列車開行數(shù)量和載重量的不斷增加，高頻次、重荷載列車的反復作用引起了鋼橋疲勞累積損傷，影響了鋼橋的承載能力。目前，我局管轄范圍內(nèi)24條既有線路上120余孔在役鐵路下承鋼板梁中，縱橫梁聯(lián)接處、縱梁腹板上切口處普遍存在疲勞裂紋，削弱了主構(gòu)件（縱梁）斷面，對結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅，因此急需研究和推廣有效的整治方案，確保鐵路行車安全。本文結(jié)合宣杭鐵路埭溪橋32m下承式鋼板梁的加固工程，對此類病害的整治技術(shù)進行了研究和探討。

1 工程概況

宣杭鐵路埭溪橋由2-Lp=16.0m普通鋼筋混凝土π形梁+2-Lp=32.0m下承式鉚焊鋼板梁組成，其中第3、4孔鋼板梁縱梁中心距2.0m，縱梁高2.56m，鋼板梁定型圖號：肆橋竣(86)-002，設(shè)計荷載：中-22級，支座為圓柱面鋼支座；橋面為P60無縫線路，單線，曲線。線路運營速度為120km/h，于1971年建成并投入運營，鋼梁全景圖如圖1所示。

圖1 下承式鋼板梁全景圖

2 病害情況及成因分析

2.1 病害情況

檢查發(fā)現(xiàn)該橋兩孔鋼梁在縱橫梁聯(lián)接處、縱梁腹板端部上切口出現(xiàn)多處裂紋，裂紋最長者達20mm（如圖2所示）。

圖2 縱橫梁聯(lián)接處裂紋

2.2 成因分析

疲勞是造成橋梁損傷，影響橋梁使用年限的主要因素。對于該橋縱橫梁聯(lián)接處、縱梁腹板端部疲勞裂紋的成因可歸納為以下四個方面：

2.2.1 構(gòu)造設(shè)計細節(jié)

結(jié)構(gòu)構(gòu)造缺口引起的應力集中?？v橫梁聯(lián)接處、縱梁腹板上切口的突然變化，引起構(gòu)件沿傳力途徑的截面變化，形成應力集中。疲勞對缺口十分敏感，缺口部位應力集中嚴重，會加快疲勞破壞的裂紋萌生和擴展。下承式鋼板梁的縱橫梁體系可以簡單看作連續(xù)縱梁彈性支承于各橫梁上，因此在靠近橫梁處的縱梁截面受負彎矩的作用，在該彎矩作用下，切口處受到很大的拉應力。

2.2.2 列車提速影響

鐵路實行提速后，列車以較高的速度沖擊橋梁，橋梁上的動力作用將會加劇，尤其是中小跨度的橋梁，提速后沖擊系數(shù)會有較大幅度的提高，應力幅增加的幅度同樣會較大。另外鐵路運量的不斷增加使得構(gòu)件斷面處應力循環(huán)次數(shù)n不斷增大。因此，在荷載反復作用下很容易引起鋼橋的疲勞累積損傷，對鋼橋的承載能力產(chǎn)生不利影響。

2.2.3 縱梁、橫梁變形的差引起次應力

疲勞裂紋可分為因主應力引起的疲勞和因次應力引起的疲勞。鐵路橋梁設(shè)計規(guī)定采用的疲勞驗算方法，已經(jīng)可以避免因主應力使疲勞裂紋發(fā)生的情況，而設(shè)計中很難計算次應力，所以基本未做疲勞檢驗，以致縱梁、橫梁變形的差引起次應力。

一是由于設(shè)計時沒有考慮到縱、橫梁之間相互作用而產(chǎn)生的鋼橋腹板的面外變形，這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在縱橫梁聯(lián)接處。二是縱梁腹板的呼吸疲勞，當縱梁腹板的長寬比、高厚比超過一定限度時，在大于屈曲荷載的面內(nèi)的荷載作用之下，腹板將會產(chǎn)生更寬的面外位移，而這個面外位移又將反過來在焊接板的邊緣形成較高的彎曲應力。長此以往，在重復荷載的作用下，將產(chǎn)生疲勞裂紋，最終使得鋼結(jié)構(gòu)提前失去效應。

2.2.4 焊接工藝的影響

熱影響區(qū)的材性變化，焊接工藝上的缺陷（例如夾渣、氣孔、裂紋和未焊透等），常會產(chǎn)生較大的應力集中，從而降低連接的疲勞強度?？v梁腹板與上翼緣焊接區(qū)域產(chǎn)生的殘余應力將會引起結(jié)構(gòu)的附加應力。

3 加固方案

疲勞裂紋的產(chǎn)生，削弱了縱梁斷面，因此，通過提高縱梁端部腹板的強度來改變縱梁的內(nèi)力分布，改善縱梁的應力水平是解決此類病害的有效途徑。綜合以上分析，設(shè)計提出采用高強度螺栓拼接角鋼加固方案：

（1）縱梁端部腹板增設(shè)502×8×480（mm）鋼板，增大腹板斷面。在縱橫梁連接部位采用角鋼160×152×10（mm）栓接，加強連接剛度（如圖3所示）。

（2）設(shè)置止裂孔。在裂紋尖端設(shè)止裂孔，減小應力集中，阻止裂紋重新萌生與擴展。

圖3 加固設(shè)計圖

4 加固施工

4.1 工藝流程

放樣--材料加工及制作--鋼梁表面除漆除銹--涂裝無機環(huán)氧富鋅漆--安裝P1桿件--拆除既有鉚釘--安裝P2桿件--高強度螺栓安裝--油漆涂裝。加固后實景圖如圖4所示。

圖4 加固后實景圖

4.2 施工技術(shù)要點

（1）安裝P1板。安裝前在縱梁上進行放樣。拼裝P1板以前，在主梁翼緣板下預先鉆φ4mm止裂孔，然后用高強螺栓逐個進行臨時連接。

（2）拆除既有鉚釘，安裝P2角鋼。將既有橫梁上的鉚釘逐個更換為精制螺栓，精制螺栓長度根據(jù)現(xiàn)場實測進行加工。更換時需將原Φ23mm鉚釘孔擴成Φ24mm栓孔。由于原有部分鉚釘使用時間較長，部分卡死，沖去鉚釘頭后無法從孔內(nèi)沖出，此時采用電動鉆頭套鉆，將鉚釘鉆空后用沖子沖擊，鉚釘可順利取出。

（3）嚴格按照《鐵路高強度螺栓連接施工規(guī)定》（TBJ214-92）進行操作，禁止漏擰、欠擰、超擰。螺栓擰緊后，用0.3 mm的塞尺檢查桿件之間的縫隙，塞尺插入的深度不得大于20mm。當縫隙在1～3（mm）時，則將板的一側(cè)磨成1:10的斜坡，使間隙小于1（mm），用砂輪磨時，使砂輪打磨方向與受力方向垂直；當縫隙大于3mm時，在縫隙內(nèi)填入鋼板，鋼板上涂環(huán)氧富鋅底漆，桿件拼裝好之后，桿件之間的縫隙采用滑石粉和油漆拌和成膩子進行膩縫，最后加固桿件均須采用鋼梁第七套涂裝體系進行涂裝，以防縫隙滲水，造成桿件及高強度螺栓生銹，影響使用壽命。

5 結(jié)語

（1）該橋加固后運營至今已近兩年時間，加固效果良好，阻止了裂紋重新萌生與擴展，延長了鋼橋的使用壽命，達到了預期效果，對我局既有線同類橋梁的病害整治起到一定借鑒作用。

（2）建議在日常維修養(yǎng)護工作中特別注意檢查發(fā)現(xiàn)裂紋，根據(jù)裂紋發(fā)生的不同部位，進行觀測監(jiān)視，對于發(fā)生在主要受力部位的嚴重裂紋，應及時予以加固整治。

[1]劉德品,黃新民.鐵路鋼橋常見病害[J].建材世界,2009(5):112-114.

[2]張乃恒,郭佩蘭,劉俊章.焊接鋼梁裂紋分析與整治.橋梁隧道病害整治論文集.1994.

[3]王子健,李俊,李小珍,司秀勇.下承式鐵路鋼橋的病害原因分析及加固措施論證[J].鐵道工程學報,2006(2):43-46.

[4]劉德品,黃新明,宋榮兵.鐵路鋼橋維修加固對策[J].交通科技,2009(5):30-32.

[5]陳佳蕓.探析鋼橋疲勞損傷及疲勞裂紋維修[J].科協(xié)論壇：下半月，2012(5):13-14.

責任編輯：萬寶安

來稿日期：2014-12-04