既有鐵路鋼板梁橋承載能力檢測與評估

程英鴿 梁騰飛 賀園園

摘 要：為保證現(xiàn)有鐵路舊橋梁運(yùn)行的安全，需要定期的對其承載能力以及實(shí)際的工作情況進(jìn)行全面檢測。本文以清綠支線黑河2#鋼板梁橋?yàn)槔?，對其進(jìn)行了外觀檢查、墩臺強(qiáng)度檢測、靜載試驗(yàn)及動載試驗(yàn)，闡述了鋼板梁橋全面檢測的內(nèi)容與方法;根據(jù)實(shí)際得到的檢測結(jié)果，對該鋼板梁橋自身的實(shí)際工作狀況進(jìn)行了評估，對其后期的維修及加固工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼板梁橋;承載能力;檢測;動載試驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.075

0 前言

橋梁是鐵道線路的咽喉，對保證鐵路運(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、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)會出現(xiàn)下滑，會產(chǎn)生各種病害導(dǎo)致承載能力下降，這些問題都和結(jié)構(gòu)安全息息相關(guān)。因此對既有橋梁的承載能力進(jìn)行監(jiān)測、對其服役狀態(tài)進(jìn)行評估，是線路運(yùn)營中必須重視的一個問題[1-2]。本文以清綠支線黑河2#鋼板梁橋?yàn)槔瑢ζ浣】禒顟B(tài)進(jìn)行全面檢測評估，希望能對其他類似橋型提供參考和借鑒。

1 橋梁概況

清綠支線黑河2#橋位于線路里程k191+068處，為直線鋼板梁橋，由6孔24米的上承式鋼板梁構(gòu)成，梁高1.92m，主梁中心距2m，設(shè)計荷載等級為中—22級，建成于上世紀(jì)60年代，已運(yùn)行五十多年，為保證橋梁及整個線路的運(yùn)營安全，需對其進(jìn)行全面的承載能力檢測，為該橋維修及加固提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 測試內(nèi)容

該鋼板梁橋的檢測既包括墩臺混凝土強(qiáng)度檢測、橋梁外觀檢查，又包括對該橋進(jìn)行的靜載及動載試驗(yàn)，以期對全橋的工作狀態(tài)進(jìn)行全面完整的評價。

2.1.1 墩臺混凝土強(qiáng)度檢測

混凝土實(shí)際強(qiáng)度，是決定承載等級的關(guān)鍵參數(shù)，同時也是試驗(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間較長，碳化程度較大，因此需要通過采用回彈法來測定下部墩臺混凝土的抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而求出被測構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度換算值。

2.1.2 橋梁外觀質(zhì)量全面檢查

參照相關(guān)養(yǎng)護(hù)規(guī)定[3-4]，對該橋外觀質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，檢查項(xiàng)目主要包括：墩臺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結(jié)構(gòu)承載狀況產(chǎn)生的影響;橋梁鋼桿件有無銹蝕、硬彎、開裂、歪扭等現(xiàn)象，表面的油漆是否完好;支座的位置是否準(zhǔn)確、有無非正常變形及脫空情況;對道釘、橋枕狀況及橋面進(jìn)行檢查。

2.1.3 靜載試驗(yàn)

通過靜載試驗(yàn)?zāi)軌虮容^直觀的判斷出橋梁的工作狀況以及承載能力，通過車輛產(chǎn)生等效荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)實(shí)施加載，以得到其應(yīng)變及撓度。通過實(shí)測應(yīng)變值計算應(yīng)力及結(jié)構(gòu)檢校系數(shù)，評估橋梁的強(qiáng)度;通過實(shí)測撓度，計算撓跨比，并與計算值比較，評估橋梁的剛度。其檢測的內(nèi)容主要有支座截面位置的應(yīng)變，跨中位置截面的撓度及其應(yīng)變。

2.1.4 動載試驗(yàn)

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

加載時采用兩臺東風(fēng)4型機(jī)車，其軸重如圖1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)行輔助測試。

2.2 測點(diǎn)布置

運(yùn)用有限元分析軟件，計算橋梁在使用活載作用下的變形及內(nèi)力，以確定最大內(nèi)力及最大變形所在截面位置。試驗(yàn)橋梁為6孔24米上承鋼板梁橋，選擇第1孔鋼板梁為試驗(yàn)對象檢測，有限元模型如圖2所示。

2.2.1 靜力測試

對試驗(yàn)梁段跨中截面上下游的應(yīng)變及橋面撓度分別進(jìn)行測量，各應(yīng)力及撓度測點(diǎn)的布置如圖3所示。

2.2.2 動力測試

動力測試除了要實(shí)測跨中截面的動應(yīng)變、動撓度，還需對梁體的振動進(jìn)行測試。動應(yīng)力測試的測點(diǎn)和靜應(yīng)力測點(diǎn)相同，原則上每截面選取一個測點(diǎn)。橫向及豎向振動測點(diǎn)及動撓度測點(diǎn)如圖4。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 橋墩混凝土強(qiáng)度

對本橋的橋墩混凝土進(jìn)行回彈檢測，共檢測10個測區(qū)。橋墩的混凝土的抗壓強(qiáng)度為32.5Mpa，滿足規(guī)范[5]要求。

3.2 橋梁外觀質(zhì)量

經(jīng)現(xiàn)場對該橋梁外觀檢查，發(fā)現(xiàn)鋼梁桿件表面存在油漆褪色，局部脫落及銹蝕現(xiàn)象;鉚釘有缺失、斷裂和松動現(xiàn)象;支座的位置準(zhǔn)確、無非正常變形及脫空情況;道釘全部銹蝕，幾處道釘松動，脫落;橋枕受損嚴(yán)重;橋墩及墩臺表面裂紋裂縫密集，橋墩下端混凝土被沖刷脫落。該橋橋梁外觀不滿足規(guī)范要求。

3.3 靜載試驗(yàn)測試結(jié)果

3.3.1 靜應(yīng)力

根據(jù)桿件的靜應(yīng)力實(shí)測值及計算值，上下游上下翼緣的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)分別為0.65、0.38、0.82、0.51，均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的參考值范圍0.85-0.95。表明該鋼板梁橋仍有一定的安全儲備，工作狀況較好。

3.3.2 跨中撓度

實(shí)測該鋼板梁跨中撓度值，計算得到其豎向撓跨比最大為1/1583，沒有超過《檢規(guī)》要求的限值1/1200，表明該鋼板梁橋的豎向剛度能夠滿足要求。

3.4 動載試驗(yàn)測試結(jié)果

本次動載試驗(yàn)列車采用東風(fēng)4型雙機(jī)，過橋時速從低到高，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)變片及動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，對試驗(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-時程曲線和加速度-時程曲線，并對得到的曲線進(jìn)行分析，求出結(jié)構(gòu)的加速度振幅、應(yīng)變及位移等;通過對得到的各振動信號及時程曲線進(jìn)行分析，得到動載試驗(yàn)的檢測結(jié)果如下。

3.4.1 動應(yīng)變及沖擊系數(shù)

在試驗(yàn)荷載通過橋梁時，測得不同速度情況下梁體跨中實(shí)測應(yīng)變值。沖擊系數(shù)根據(jù)記錄的動應(yīng)變來進(jìn)行分析得到，各工況下最大結(jié)構(gòu)動力系數(shù)（1+）為1.126小于1.15（規(guī)范設(shè)計值）。表明鋼板梁橋振動沖擊效應(yīng)滿足規(guī)范要求。

3.4.2 橋梁固有參數(shù)

通過得到的脈動波形，對其進(jìn)行譜分析，分別得到橋梁上下游片梁的橫向及豎向自振頻率及阻尼比如表1所示，實(shí)測結(jié)果表明，該鋼板梁橋自振頻率最小值為5.81HZ，大于3.54HZ，滿足規(guī)范規(guī)定。

3.4.3 加速度

通過對不同速度情況下列車在上下行時得到的加速度時程曲線分別進(jìn)行分析，得到該橋梁加速度。由結(jié)果可知，此橋的橫向最大振動加速度為0.90m/s2，小于規(guī)范中規(guī)定的限值1.40m/s2，說明該橋梁能夠滿足火車舒適性較好的運(yùn)行。

3.4.4 振幅

試驗(yàn)荷載通過橋梁時，實(shí)測第一孔鋼板梁在不同速度下其上下游側(cè)和橋墩的橫向振幅值，得最大振幅值為0.58mm。按照《檢規(guī)》[6]中規(guī)定，在機(jī)車荷載作用下，橋跨結(jié)構(gòu)為板梁時橫向振幅行車安全限值要求為L/6000=4mm。實(shí)測最大振幅在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)。

3.4.5 動撓度

實(shí)得到列車以不同速度通過時的撓度波形圖，對其進(jìn)行分析，得到最大撓度，進(jìn)而計算出撓跨比。當(dāng)列車以60km/h通過時，上下行撓度比最大值分別是1/1434、1/1413;以50km/h通過時，上下行撓度比最大值分別是1/1464、1/1458，《檢規(guī)》中要求橋跨豎向撓跨比通常值在1/1200范圍內(nèi)，豎向撓跨比滿足要求，梁體工作正常。

4 結(jié)論

通過靜載及動載試驗(yàn)，雖然橋跨結(jié)構(gòu)基本上仍能滿足規(guī)范要求，但其強(qiáng)度儲備已較低。因此為了確保線路運(yùn)營安全，對鋼板梁也應(yīng)采取一定的加固措施。橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)难屎硪?，必需對其定期進(jìn)行全面檢測，尤其是既有的服役年限較長的鐵路舊橋。通過健康狀態(tài)檢測，對其安全性能做出正確評估，為維修加固提供參考依據(jù)，確保運(yùn)營安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]李君玉，韓新宇.舊有普通鋼筋混凝土梁動載試驗(yàn)及有限元分析[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2016（03）：29-32.

[2]劉亞尊，吳亞平.既有鋼桁架橋的動載檢測與有限元模擬分析[J].南陽理工學(xué)院學(xué)報，2014（06）：83-87.

[3]中國鐵路總公司.鐵路技術(shù)管理規(guī)程（普通鐵路部分）[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

[4]中國鐵路總公司.鐵路橋梁檢定評估管理辦法[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[5]國家鐵路局標(biāo)準(zhǔn).鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范（TB1002-2017）[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[6]中華人民共和國鐵道部.鐵路橋梁檢定規(guī)范（鐵運(yùn)函[2004]120號）[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

基金項(xiàng)目：西安交通工程學(xué)院中青年基金項(xiàng)目“既有鐵路橋梁承載能力檢測與加固技術(shù)研究”，項(xiàng)目編號：KY18-08。

作者簡介：程英鴿（1989-），女，陜西渭南人，本科，助教，主要研究方向：交通工程。