既有鐵路鋼筋混凝土梁橋檢測(cè)評(píng)定

梁騰飛 程英鴿 賀園園

摘要：為保證現(xiàn)有鐵路舊橋梁運(yùn)行的安全，需要定期的對(duì)其承載能力以及實(shí)際的工作情況進(jìn)行全面檢測(cè)。本文以清綠支線黑河3#鋼筋混凝土梁橋?yàn)槔?，?duì)其進(jìn)行了外觀檢查、混凝土強(qiáng)度檢測(cè)、靜載試驗(yàn)及動(dòng)載試驗(yàn)，闡述了鐵路鋼筋混凝土梁橋全面檢測(cè)的內(nèi)容與方法;根據(jù)實(shí)際得到的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)該鋼筋混凝土梁橋自身的實(shí)際工作狀況進(jìn)行了評(píng)估，對(duì)其后期的維修及加固工作提供依據(jù)。

Abstract： To ensure the safe operation of existing railway old bridges， the bearing capacity and actual working state of the bridge should be tested in a comprehensive way. In this paper， taking the Heihe 3#railway reinforced concrete beam bridge as an example， has carried out the outward appearance inspection， the pier and abutment strength detection， the static load test and the dynamic load tests， the inspection content and the method are expounded. Then on the basis of the test results， the working state of the bridge is evaluated， in order to provide a reference of the detection and reinforcement work of other bridge.

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土梁橋;承載能力;檢測(cè);動(dòng)載試驗(yàn)

Key words： reinforced concrete beam bridge;bearing capacity;detection;dynamic load test

中圖分類號(hào)：U446 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）13-0081-03

0 ?引言

橋梁是鐵道線路的咽喉，對(duì)保證鐵路運(yùn)輸?shù)臅惩ㄅc安全具有重要的意義，目前為止，我國(guó)擁有鐵路橋梁數(shù)量超過20萬座。伴隨著橋梁服役年限的增長(zhǎng)、線路的提速、載荷的增加等因素，既有鐵路橋梁的工作狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)下滑，會(huì)產(chǎn)生各種病害導(dǎo)致承載能力下降，這些問題都與結(jié)構(gòu)安全密切相關(guān)。因此對(duì)既有橋梁的承載能力進(jìn)行檢測(cè)、對(duì)其服役狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行加固，是線路運(yùn)營(yíng)中必須重視的一個(gè)問題[1-5]。本文以清綠支線黑河3#鋼筋混凝土梁橋?yàn)槔?，?duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行全面檢測(cè)評(píng)估，希望能對(duì)其他類似橋型提供參考和借鑒。

1 ?橋梁概況

黑河3號(hào)橋橋梁全長(zhǎng)178.98m，橋上線路平坡直線，橋跨結(jié)構(gòu)由10孔16mП型普通鋼筋混凝土梁構(gòu)成。下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為沉井，基礎(chǔ)底部的土壤成分是砂質(zhì)膠結(jié)層，其墩身是鋼筋混凝土圓端形結(jié)構(gòu)，并且為了防止浮冰影響，在橋墩的上游側(cè)有用漿砌塊石構(gòu)造形成的破冰體結(jié)構(gòu)，橋臺(tái)施工按照“橋臺(tái)-大-106”定型圖進(jìn)行，橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為中-22級(jí)。本橋現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖1。

2 ?橋梁檢測(cè)方案

2.1 檢測(cè)目的 ?通過對(duì)清綠支線黑河3#橋進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)估鑒定，達(dá)到下面的檢測(cè)目的：①評(píng)價(jià)橋梁整體的承載能力及健康狀況;②鑒定橋梁工程承載能力;③為橋梁及鐵道線路的安全運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)及維修提供依據(jù)。

2.2 測(cè)試流程 ?本次試驗(yàn)主要內(nèi)容流程圖如圖2所示。

2.3 檢測(cè)內(nèi)容 ?該鋼筋混凝土梁橋的檢測(cè)不僅包括對(duì)上部橋跨結(jié)構(gòu)及下部墩臺(tái)混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)、對(duì)橋梁外觀進(jìn)行全面檢查，又包括對(duì)該橋進(jìn)行的靜載及動(dòng)載試驗(yàn)，以期對(duì)全橋的工作狀態(tài)進(jìn)行全面完整的評(píng)價(jià)。

2.3.1 墩臺(tái)混凝土強(qiáng)度檢測(cè) ?混凝土實(shí)際強(qiáng)度，是決定承載等級(jí)的關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)也是試驗(yàn)成果分析所必需，由于混凝土的抗壓強(qiáng)度受其表面碳化程度的影響比較大，且該橋由于已修建時(shí)間較長(zhǎng)，碳化程度較大，因此需要通過采用回彈法來測(cè)定上部橋跨結(jié)構(gòu)及下部墩臺(tái)混凝土的抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而求出被測(cè)構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度換算值。

2.3.2 橋梁外觀質(zhì)量全面檢查 ?依照橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)的有關(guān)規(guī)定[6]，[7]，對(duì)該橋應(yīng)進(jìn)行全面的外觀質(zhì)量的檢查，其重點(diǎn)檢查的內(nèi)容主要包括：該橋梁梁體及墩臺(tái)混凝土表面裂縫或裂紋的發(fā)展情況、裂縫的深度和寬度以及裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)承載狀況產(chǎn)生的影響;支座的位置是否準(zhǔn)確、有無非正常變形及脫空情況;對(duì)道釘、橋枕狀況及橋面進(jìn)行檢查。

2.3.3 靜載試驗(yàn) ?通過對(duì)橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，可以比較直觀的判別出結(jié)構(gòu)整體上的工作狀態(tài)以及承載能力，通過車輛產(chǎn)生等效荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施加載，以得到其應(yīng)變及撓度。通過實(shí)測(cè)應(yīng)變值計(jì)算應(yīng)力及結(jié)構(gòu)檢校系數(shù)，評(píng)估橋梁的強(qiáng)度;通過實(shí)測(cè)撓度，計(jì)算撓跨比，并與計(jì)算值比較，評(píng)估橋梁的剛度。其試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容有：跨中位置截面撓度以及應(yīng)變;支座位置截面應(yīng)變。

2.3.4 動(dòng)載試驗(yàn) ?進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，通過試驗(yàn)列車并輔以正常運(yùn)營(yíng)行駛的列車進(jìn)行加載，能夠反映出橋跨結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力特性以及動(dòng)力響應(yīng)，實(shí)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度、沖擊系數(shù)、自振頻率及阻尼比等，并將其跟理論計(jì)算值進(jìn)行比較。主要的檢測(cè)內(nèi)容有：跨中位置截面的動(dòng)撓度及動(dòng)應(yīng)變;結(jié)構(gòu)的自振頻率以及阻尼比。

加載時(shí)采用兩臺(tái)東風(fēng)4型機(jī)車，其軸重如圖3所示，采用機(jī)車速度從低到高，從10km/h到60km/h遞增的方式進(jìn)行加載，并以通過列車荷載進(jìn)行輔助測(cè)試。

2.4 測(cè)點(diǎn)布置 ?橋該鋼筋混凝土梁橋上部結(jié)構(gòu)共十跨，均是跨徑16m的簡(jiǎn)支梁，綜合考慮，確定由東風(fēng)往堿廠方向第三跨為試驗(yàn)檢測(cè)的對(duì)象?？紤]到該橋梁體曾做過體外預(yù)應(yīng)力筋加固，如圖4所示，因此為了檢測(cè)該加固是否仍然有效，還需要對(duì)體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)簡(jiǎn)支梁橋的受力特點(diǎn)，在測(cè)區(qū)中對(duì)不同位置的應(yīng)變片進(jìn)行布置并且編號(hào)，測(cè)量其應(yīng)變，如圖5所示，其中1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在混凝土梁體上，3號(hào)到10號(hào)測(cè)點(diǎn)在梁體內(nèi)鋼筋上，而11號(hào)到18號(hào)測(cè)點(diǎn)則為設(shè)置在外加預(yù)應(yīng)力鋼筋上的測(cè)點(diǎn)。

為了測(cè)取撓度，在跨中梁底安放位移計(jì)兩個(gè);為了便于分析梁的動(dòng)力特性，在橋面的跨中位置分別放方橫向和豎向拾振器，以拾取橫向及豎向的動(dòng)態(tài)信號(hào)，如圖6所示。

3 ?測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 混凝土強(qiáng)度 ?通過回彈法，對(duì)該橋的梁體和橋墩混凝土的強(qiáng)度分別進(jìn)行檢測(cè)，共劃分10個(gè)測(cè)區(qū)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。由檢測(cè)結(jié)果可知：梁體混凝土的抗壓強(qiáng)度為29.7MPa，滿足規(guī)范[8]要求;橋墩混凝土的抗壓強(qiáng)度為22.9MPa，不滿足規(guī)范要求。

3.2 橋梁外觀質(zhì)量 ?經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該橋梁外觀檢查，梁底、墩底部分砼脫落;橋墩裂縫較多，且寬度較大;支座未發(fā)現(xiàn)脫空和非正常變形情況，其位置準(zhǔn)確;發(fā)現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)鋼筋存在外露現(xiàn)象;枕木受損嚴(yán)重，螺栓銹蝕，少數(shù)道釘脫離;梁體與軌道中心線局部偏移。該橋橋梁外觀不滿足規(guī)范要求。

3.3 靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.3.1 靜應(yīng)力 ?在工況作用下，測(cè)得跨中截面鋼筋及混凝土的應(yīng)力值，并與理論計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果見表2及表3。校驗(yàn)系數(shù)是判斷結(jié)構(gòu)工作狀況、評(píng)估其承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)，一般要求該系數(shù)應(yīng)小于等于1，該系數(shù)的結(jié)果越小則說明結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大，其值如果過大則說明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度較低或組成該結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件間的連接性較差等。鋼筋和混凝土的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的參考值范圍，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備較低，已不滿足設(shè)計(jì)要求。此外，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)，應(yīng)變情況如表4所示，其實(shí)測(cè)值偏小，表明外加鋼筋加固效果不明顯，起不到體外預(yù)應(yīng)力筋的效果，應(yīng)進(jìn)行其他有效的加固。

3.3.2 跨中撓度 ?在采用東風(fēng)4型機(jī)車單線加載，在荷載工況下，實(shí)測(cè)檢測(cè)孔跨中位置的撓度值，并和理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，得到檢校系數(shù)，結(jié)果見表5。從結(jié)果中可知結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)系數(shù)超過了規(guī)范中規(guī)定的通常值0.55～0.65;將試驗(yàn)荷載換算成中活載時(shí)，得其撓度最大值為4.62mm，大于4.0mm，即超過了規(guī)定的豎向撓跨比限值L/4000。表明該鋼筋混凝土梁橋的豎向剛度不滿足要求。

3.4 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 ?本次動(dòng)載試驗(yàn)列車采用東風(fēng)4型雙機(jī)，過橋時(shí)速?gòu)牡偷礁?，分別以10km/h、30km/h、50km/h、60km/h的速度行駛通過橋梁，通過電阻應(yīng)變片及動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分別記錄得到在不同試驗(yàn)速度情況下的應(yīng)變-時(shí)程曲線和加速度-時(shí)程曲線，并對(duì)得到的曲線進(jìn)行分析，求出結(jié)構(gòu)的加速度振幅、應(yīng)變及位移等;通過對(duì)得到的各振動(dòng)信號(hào)及時(shí)程曲線進(jìn)行分析，得到動(dòng)載試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果如下。

3.4.1 加速度 ?通過對(duì)不同速度上下行時(shí)的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行分析，得到不同速度下不同位置處的豎向及橫向振動(dòng)加速度，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該橋梁橫向振動(dòng)加速度最大值為1.16m/s2，小于規(guī)范中要求的限值1.4m/s2，說明該橋梁能夠滿足火車舒適性較好的運(yùn)行。

3.4.2 動(dòng)撓度 ?通過分析得到的應(yīng)變-時(shí)程曲線，并結(jié)合位移計(jì)求出結(jié)構(gòu)的動(dòng)撓度，將實(shí)測(cè)撓度值換算至中活載，得到撓度最大值為3.88mm，其撓跨比大于1/4000，超出了《檢規(guī)》中豎向撓跨比規(guī)定的通常值，由此反映了本橋的剛度不能滿足其正常工作的要求。

3.4.3 沖擊系數(shù) ?沖擊系數(shù)可根據(jù)記錄的動(dòng)應(yīng)變來進(jìn)行分析得到，可按下式進(jìn)行計(jì)算：1+μ=σdmax/σsmax，式中：σsmax取本次波形的振幅中心軌跡線的頂點(diǎn)值，或低速（準(zhǔn)靜態(tài)）最大應(yīng)力值;σdmax是實(shí)測(cè)的該點(diǎn)的最大動(dòng)應(yīng)變值。

其次沖擊系數(shù)也可以根據(jù)記錄的動(dòng)撓度來進(jìn)行分析得到，按下式進(jìn)行計(jì)算：1+μ=δdmax/δsmax，式中：δsmax取本次波形的振幅中心軌跡線的頂點(diǎn)值，或低速（準(zhǔn)靜態(tài)）最大撓度值;δdmax是實(shí)測(cè)的該點(diǎn)的最大動(dòng)撓度值。

在試驗(yàn)荷載通過橋梁時(shí)，測(cè)得不同速度情況下梁體跨中應(yīng)變值，由其計(jì)算的沖擊系數(shù)最大值為1.103，測(cè)得不同速度情況下的動(dòng)撓度值，由其計(jì)算的沖擊系數(shù)最大值為1.089，兩者非常接近，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠真實(shí)，并且兩者均小于規(guī)范設(shè)計(jì)值1.15，說明該橋梁的振動(dòng)沖擊效應(yīng)能夠滿足要求。

3.4.4 橋梁固有參數(shù) ?由實(shí)測(cè)得到脈動(dòng)波形，并對(duì)其進(jìn)行譜分析，并由鐵路橋梁檢定規(guī)范提供的實(shí)測(cè)時(shí)域余振的波形自由振動(dòng)衰減曲線，即可通過下面兩個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算，得到脈動(dòng)時(shí)橋梁的阻尼比以及自振頻率，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

把得到的實(shí)測(cè)結(jié)果和計(jì)算得到的理論值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者豎向相差2.2%，而橫向相差6.0%。和橫向頻率計(jì)算值相比，其實(shí)測(cè)頻率值已經(jīng)小于其6.0%，表明此鋼筋混凝土梁橋的橫向剛度和以前相比已經(jīng)有所減弱，是無法滿足列車提速要求的。

4 ?結(jié)論

①該橋橋跨結(jié)構(gòu)以前進(jìn)行過體外預(yù)應(yīng)力加固，但加固效果不明顯，起不到體外預(yù)應(yīng)力筋的效果，應(yīng)進(jìn)行其他有效的加固。②該橋橋跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備較低，豎向剛度不滿足要求，橫向剛度已變?nèi)酰粷M足列車提速要求，為了確保運(yùn)營(yíng)安全，應(yīng)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)及橋墩分別采取有效的加固措施。③橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)难屎硪?，必需?duì)其定期進(jìn)行全面檢測(cè)，尤其是既有舊的服役年限已經(jīng)較長(zhǎng)的鐵路橋梁。通過對(duì)橋梁進(jìn)行健康狀態(tài)檢測(cè)，可對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性能做出正確的評(píng)估，為進(jìn)行結(jié)構(gòu)維修加固工作提供科學(xué)的參考依據(jù)，以確保結(jié)構(gòu)及線路的安全運(yùn)營(yíng)。

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