連續(xù)鋼桁梁橋節(jié)點板更換效果評價

肖 嘯

(中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司,江蘇 南京 210032)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁由于其良好的跨越能力以及使用功能，在鐵路橋梁上被廣泛使用。伴隨著鐵路運輸能力的不斷加大，部分鋼結(jié)構(gòu)橋梁相繼出現(xiàn)了病害，例如支座破壞，橫向晃動，預拱度下降，節(jié)點板螺栓折斷以及節(jié)點板開裂。其中，鋼桁架節(jié)點在長期重載、振動、疲勞等作用下出現(xiàn)了螺栓折斷以及節(jié)點板開裂[1]。但在現(xiàn)有的研究中由于螺栓折斷情況較多，針對螺栓折斷情況進行了大量的研究[2-5]，對節(jié)點板開裂原因進行深入分析的較少。本文以滬昆線某橋節(jié)點板開裂為工程背景，對開裂原因進行分析，針對節(jié)點板病害情況提出了更換方案，為其他橋梁類似病害整治提供參考。

1 工程概況

滬昆線某橋位于湖南省婁底市境內(nèi)，橋梁全長265 m，于1998年開工，1999年建成通車，見圖1。目前橋梁正常運營已經(jīng)近20年。主跨為2×60 m單線鐵路栓焊下承式鋼桁連續(xù)梁。主桁采用帶豎桿的三角形桁式，桁高11 m，主桁中心距5.75 m，縱向兩側(cè)端節(jié)間長度為4 m，其余節(jié)間長8 m。主桁桿件均采用H形截面，桿件寬460 mm，最大板厚20 mm。弦桿小節(jié)點通長，大節(jié)點拼接。兩側(cè)邊跨均為2×32 m預應力混凝土簡支梁。

圖1 橋梁立面布置(單位：m)

2016年4月，在每日例行檢查中，檢查人員發(fā)現(xiàn)中支承E8節(jié)點處節(jié)點板出現(xiàn)裂縫，如圖2所示，管理人員立即在裂紋端部位置鉆了止裂孔。

圖2 連續(xù)梁及中墩(單位：m)

2 節(jié)點板裂縫

2.1 裂縫產(chǎn)生原因

為了分析節(jié)點板病害產(chǎn)生的原因，對現(xiàn)場節(jié)點板進行了檢查并對節(jié)點板面內(nèi)、面外變形情況進行了測量,量測情況見表1(節(jié)點板左下角為xy坐標原點)，主桁E8節(jié)點板及相接桿件測量數(shù)據(jù)對應的形狀如圖3 所示。

通過病害量測現(xiàn)將橋梁病害詳細描述如下：①主桁腹桿A7E8因制造誤差，下弦端寬度增加4 mm；②主 桁豎桿A8E8因制造誤差，下弦端寬度增加3 mm；③主桁腹桿A7′E8因制造誤差，下弦端寬度增加1 mm；④主桁E8節(jié)點左下弦桿腹板單側(cè)變長3 mm，另外一側(cè)減小1 mm。

表1 外側(cè)節(jié)點板面外z向變形數(shù)據(jù) mm

圖3 E8節(jié)點板及相接桿件測量數(shù)據(jù)(單位：mm)

對于節(jié)點板處發(fā)生的裂縫問題，可以確定為因桿件本身尺寸發(fā)生變化對節(jié)點板產(chǎn)生附加內(nèi)力，造成外側(cè)節(jié)點板開裂。

2.2 橋梁病害計算分析

根據(jù)計算結(jié)果，E7E8,E7′E8主桁桿件在不同荷載組合下的軸力為(拉力為正，壓力為負)：

1)恒載組合下，軸力為-273.5 kN;

2)活載最小組合，軸力為-1 060.8 kN;

3)恒載+活載最小組合下軸力為-1 334.3 kN。

為分析節(jié)點板產(chǎn)生病害的原因是否為結(jié)構(gòu)本身尺寸發(fā)生變化對節(jié)點板產(chǎn)生的附加內(nèi)力，采用大型通用有限元分析軟件MIDAS FEA對病害節(jié)點板建立局部有限元分析模型。

因桿件制造誤差，通過對該節(jié)點板施加強制位移來模擬實際情況。左斜腹桿強制位移為4 mm，豎桿強制位移為3 mm，右斜腹桿強制位移為1 mm。

在強制位移作用下，其應力云圖如圖4所示。

圖4 E8節(jié)點板應力云圖(單位：MPa)

根據(jù)規(guī)范要求[6-9]，該節(jié)點板的容許彎曲應力為210 MPa。由圖4可知最大應力為 2 747.8 MPa，遠遠大于節(jié)點板的容許應力，此處節(jié)點板已經(jīng)屈服，應力重分布。開裂位置為腹桿和下弦桿中間處節(jié)點板，此處位置與節(jié)點板實際裂縫較為統(tǒng)一，但是節(jié)點板仍然有4處潛在發(fā)生裂縫的位置，分布在節(jié)點板的大部分區(qū)域。

2.3 節(jié)點板整體更換

由于E8節(jié)點板已經(jīng)出現(xiàn)了裂縫，節(jié)點板內(nèi)的內(nèi)應力已經(jīng)發(fā)生了應力重分布，應力趨于均衡，但仍然不能確定裂縫是否會繼續(xù)擴展。為了徹底解決該節(jié)點板可能存在的問題，須對該節(jié)點板進行整體更換。

整體更換節(jié)點板主要步驟如下：

第1步，列車停止運營，利用千斤頂頂升E8中支承，直至支座脫空；第2步，在主桁腹桿腹板端部開槽，以減小主桁腹桿的剛度，降低桿件制造誤差帶來的影響；第3步，安裝臨時節(jié)點板，將原主桁結(jié)構(gòu)連成整體，安裝好臨時節(jié)點板后，再拆除需要更換的節(jié)點板，待新節(jié)點板安裝完成后拆除臨時節(jié)點板，并對鉆孔位置填板和安裝補強板，進行補強恢復。節(jié)點板整體更換結(jié)構(gòu)與原節(jié)點板保持一致。臨時節(jié)點板板厚12 mm，補強用拼接板板厚12 mm，臨時節(jié)點板安裝如圖5所示。

圖5 臨時節(jié)點板安裝示意(單位：mm)

3 節(jié)點板整體更換效果評價

為確保節(jié)點板更換后達到設計要求以及列車運行安全，對全橋進行了靜載試驗，重點檢測E8節(jié)點板以及與其相連接的桿件應力。靜載試驗荷載采用貨物載重試驗列車。經(jīng)計算分析，靜載試驗列車編組采用2輛DF4機車+6輛C70滿載重車編組，DF4機車6軸，軸重23 t；C70滿載重車4軸,軸重23 t。編組列車滿布在2跨連續(xù)鋼梁上，第15#軸(相當于第一輛C70重車的第3軸)位于E7位置。靜載試驗加載輪位布置見圖6。靜載試驗的關(guān)鍵數(shù)據(jù)見表2和表3。

圖6 靜載試驗加載輪位布置(尺寸單位：m)

表2 靜載試驗主桁相關(guān)桿件應力

表3 靜載試驗應變花測點應力 MPa

由表2可知更換節(jié)點板的斜桿與未更換節(jié)點板下游斜桿應力比較接近，校驗系數(shù)均在規(guī)范通常值范圍內(nèi)。由表3可知上游側(cè)E8節(jié)點板應力較下游側(cè)未更換節(jié)點板的應力大，原因是E8節(jié)點板處連接鋼桁梁存在制作誤差，雖在更換過程中釋放了部分應力，減少了制造誤差產(chǎn)生的次應力，但與下游側(cè)無制作誤差的桿件節(jié)點應力相比還是大一些，但均在設計規(guī)范范圍內(nèi)。靜載試驗結(jié)果表明在對上游側(cè)E8號節(jié)點板進行更換后，經(jīng)過近1年時間的運營，未見明顯的行車異常，節(jié)點板及桁架受力合理，說明更換后節(jié)點板參與結(jié)構(gòu)作用的效果明顯，能夠滿足列車正常運營的要求。

4 結(jié)論

1)與節(jié)點板連接的鋼桁梁桿件尺寸存在制作誤差，產(chǎn)生附加內(nèi)力，造成外側(cè)節(jié)點板開裂。

2)根據(jù)測量數(shù)據(jù)并利用有限元軟件對節(jié)點板進行了計算分析，結(jié)果表明裂縫位置與實際位置較為吻合，表明裂縫產(chǎn)生的原因是結(jié)構(gòu)制造誤差引起。

3)根據(jù)計算結(jié)果知節(jié)點板仍有4處潛在裂縫，由此提出了更換節(jié)點板的方案，更換完成后對全橋進行了靜載試驗，重點對E8節(jié)點板進行了監(jiān)測。試驗結(jié)果表明經(jīng)過近1年時間的運營，未見明顯的行車異常，說明更換后節(jié)點板參與結(jié)構(gòu)作用的效果明顯，能夠滿足列車正常運營的要求。