鐵路橋梁常見(jiàn)病害及其處理措施

孫孝綱

（陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司鐵路運(yùn)銷(xiāo)分公司，陜西 銅川）

1 鐵路鋼橋的裂損及開(kāi)焊病害

鐵路鋼橋主要病害在于其橋梁桿件出現(xiàn)裂損以及局部開(kāi)焊，少數(shù)存在承載力不足的病害。研究表明，可通過(guò)減少出現(xiàn)交叉焊縫、采取措施來(lái)改進(jìn)焊接條件來(lái)改良鋼橋構(gòu)件的生產(chǎn)工藝，從而減小鐵路鋼橋出現(xiàn)類(lèi)似病害[1]。

1.1 病害原因分析及評(píng)定

分析出現(xiàn)裂損的原因，其主因一般為疲勞損傷。制造鋼橋的鋼材疲勞損傷的主要特征有：鋼材由于疲勞產(chǎn)生的裂紋主要向垂直于主力方向擴(kuò)展，其發(fā)展分為三個(gè)階段，分別為出現(xiàn)裂紋、進(jìn)一步發(fā)展和失穩(wěn)[2]。影響鋼橋的疲勞因素如圖1 所示。

圖1 影響鋼材的疲勞因素

研究表明，疲勞產(chǎn)生的裂紋主要有兩類(lèi)，一是由應(yīng)力造成的疲勞，有由主應(yīng)力引發(fā)的疲勞，也有由次應(yīng)力引發(fā)的疲勞；二是由于鋼材銹蝕造成的疲勞。主應(yīng)力引發(fā)的疲勞往往可以通過(guò)計(jì)算來(lái)減小或規(guī)避，但次應(yīng)力引發(fā)的疲勞和銹蝕引發(fā)的疲勞無(wú)法規(guī)避[3]。

鐵路鋼橋性能的評(píng)定，可從以下6 個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。

（1）列車(chē)荷載。通過(guò)實(shí)測(cè)通過(guò)鋼橋的產(chǎn)生的荷載，計(jì)算出鋼橋的最大應(yīng)力，再按照下式計(jì)算出應(yīng)力比，當(dāng)應(yīng)力比不小于1 時(shí)，表明鋼橋安全可靠。

式中，Sr代表應(yīng)力比；[σm]代表鋼橋的維修應(yīng)力（MPa）；σmax代表實(shí)測(cè)最大應(yīng)力（MPa）。

（2）鋼橋主梁耐久以及承載能力。承載能力評(píng)定同應(yīng)力比，耐久性可按下式計(jì)算：

式中，Dk代表未來(lái)受到疲勞損傷的程度；Dp代表橋梁通車(chē)以來(lái)累計(jì)的損傷程度。

（3）鋼橋主梁撓度?？刹捎脫隙葋?lái)對(duì)主梁的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)定，具體可按下式計(jì)算：

式中，feq代表鋼橋主梁的換算撓度（mm）；fm代表鋼橋主梁的實(shí)測(cè)撓度（mm）；η 代表?yè)Q算系數(shù)，可按下式求得：

式中，MS代表由設(shè)計(jì)荷載導(dǎo)致的鋼橋主梁彎矩（kN·m）；MI代表檢測(cè)列車(chē)通過(guò)時(shí)導(dǎo)致的鋼橋主梁彎矩（kN·m）。

（4）鋼橋支座變位。通過(guò)檢測(cè)列車(chē)通過(guò)鋼橋時(shí)支座和鋼橋主梁的變位、支座和鋼橋墩臺(tái)的變位來(lái)進(jìn)行評(píng)定，其變形值應(yīng)不超過(guò)下式的計(jì)算結(jié)果：

式中，δ 代表計(jì)算變位值（mm）；L 代表鋼橋跨徑（m）。

（5）鋼橋主梁的變位和其振動(dòng)情況。預(yù)先在鋼橋主梁跨中位置的翼板下放安裝加速度測(cè)定儀，檢測(cè)列車(chē)通過(guò)鋼橋的加速度，再計(jì)算其振動(dòng)頻率和振幅?？砂聪率竭M(jìn)行評(píng)定。

式中，a 代表振幅（mm）；V 代表列車(chē)速度（m/s）；L 代表鋼橋跨徑（m）；nk代表振動(dòng)頻率（Hz）。

（6）鋼橋主梁恒載。通過(guò)使用加速度檢測(cè)儀檢測(cè)鋼橋主梁的振動(dòng)頻率，計(jì)算得出作用于主梁的恒載及其引發(fā)的撓度，恒載及其引發(fā)的撓度可分別按下式計(jì)算：

式中，G 代表單位長(zhǎng)度鋼梁重量（kg/m）；E、I 分別代表鋼梁的彈性模量（MPa）及其慣性矩（cm4）；fn代表n 階固有振動(dòng)頻率（Hz）；n 代表振動(dòng)階數(shù)；L 代表鋼梁跨徑（m）；g 代表重力加速度（m/s2）；d 代表恒載引發(fā)的主梁撓度（mm）。

1.2 病害處理措施

（1）鋼橋涂裝。若鋼橋出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，則必須考慮的銹蝕部分進(jìn)行涂裝。涂裝時(shí)應(yīng)充分考慮鋼橋所處環(huán)境，鋼橋的結(jié)構(gòu)及桿件狀況，涂裝所用材料情況以及涂裝索采用的工藝等因素。鐵路鋼橋最易發(fā)生病害的部位主要是梁板的翼板位置、桿件節(jié)點(diǎn)處、橋梁支座處、帶棱角位置以及螺栓連接處，這些部位應(yīng)重點(diǎn)照顧，若鋼梁受到水害、磨損嚴(yán)重或者收到化學(xué)腐蝕，則應(yīng)考慮熱噴鋅+玻璃鱗片漆的涂裝方式。

（2）鋼橋補(bǔ)強(qiáng)?？刹捎脽嵝迯?fù)對(duì)鋼橋進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)維修。其主要思路是將裂紋局部進(jìn)行打磨或者切削后，再用相同材料的鋼板焊接與裂縫位置，從而達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。為保證重新焊接的質(zhì)量，可采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行焊接，對(duì)于深度小于5 mm的裂紋具有較好的補(bǔ)強(qiáng)作用。熱修復(fù)法示意如圖2 所示。

圖2 熱修復(fù)法加固

2 鐵路橋梁支座病害

2.1 病害原因分析

研究表明，鐵路橋梁最容易出現(xiàn)變化的支座類(lèi)型有平板支座、弧形支座以及搖軸支座[4]。主要表現(xiàn)形式為銹蝕、支座連接螺栓斷裂、轉(zhuǎn)動(dòng)困難、滑動(dòng)困難等。病害出現(xiàn)的主要原因有：

(1) 由于鐵路橋梁的養(yǎng)護(hù)存在問(wèn)題，導(dǎo)致平板支座發(fā)生較大的銹蝕，在縱向上無(wú)法進(jìn)行滑動(dòng)，導(dǎo)致支座的螺栓出現(xiàn)剪斷現(xiàn)象，且由于承受了較大的上部荷載，造成石棉瓦外溢，導(dǎo)致支座存在轉(zhuǎn)動(dòng)困難的現(xiàn)象。平板支座如圖3 所示。

圖3 平板支座結(jié)構(gòu)

(2) 若上部荷載過(guò)大，弧形支座被壓平，其轉(zhuǎn)動(dòng)較難，其下錨栓的抗剪強(qiáng)度有一定程度的降低，導(dǎo)致其無(wú)法正?；瑒?dòng)或者支座銹蝕嚴(yán)重，也可能導(dǎo)致無(wú)法正常進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)以及滑動(dòng)。

(3) 若列車(chē)速度過(guò)快，搖軸支座的弧形面受到過(guò)大的壓力，從而導(dǎo)致其被壓平，或者支座出現(xiàn)銹蝕情況，都可能導(dǎo)致支座轉(zhuǎn)動(dòng)困難，螺栓被剪斷等病害。搖軸支座如圖4所示。

圖4 搖軸支座結(jié)構(gòu)

2.2 病害處理措施

對(duì)于必須要更換支座的病害，只能通過(guò)更換支座處理；對(duì)于螺栓被剪斷的病害，可進(jìn)行錨固處理。具體做法如下：首先對(duì)支座的上座板進(jìn)行錨固。由于支座安裝位置凈空不大，在梁底無(wú)法進(jìn)行植筋施工，為了確保支座上座板能與梁進(jìn)行有效錨固，可使用U 型鋼板將梁板的腹板固定，然后再與橋梁支座和U 型鋼板加以連接。連接好后，然后對(duì)支座的下座板進(jìn)行錨固，錨固方式為選取支座相同長(zhǎng)度的鋼板，然后再使用該鋼板與墩臺(tái)頂部和下座板進(jìn)行連接，連接示意如圖5所示。

圖5 支座連接方式示意

3 墩臺(tái)裂縫病害

3.1 墩臺(tái)裂縫形成原因

墩臺(tái)出現(xiàn)裂縫的原因是由于墩臺(tái)澆筑混凝土?xí)r，水化熱過(guò)高導(dǎo)致的。水泥在強(qiáng)度形成過(guò)程中，溫度會(huì)升高，從而形成溫度應(yīng)力及變形，若不加以控制，則可能形成裂縫。當(dāng)水化熱越高，其溫度應(yīng)力和變形就越大，形成裂縫的可能性也就越大。因此，在大體積混凝土施工時(shí)，往往應(yīng)選擇水化熱較低的水泥品種，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下盡量減小水泥的用量，同時(shí)采取防止溫度變化過(guò)大的措施，減小水化熱對(duì)墩臺(tái)的影響[5]。

3.2 墩臺(tái)裂縫處理措施

（1）裂縫寬度不超過(guò)0.15 mm。可采用封閉膠涂抹至裂縫處，具體做法如下：①首先采用有機(jī)溶劑對(duì)裂縫內(nèi)部進(jìn)行清潔，如酒精等，同時(shí)能確保裂縫內(nèi)部干燥；②將封閉膠拌和均勻后涂抹于裂縫表面，對(duì)裂縫進(jìn)行封閉，涂抹時(shí)，務(wù)必要涂抹均勻，且不留縫隙；③涂抹時(shí)，應(yīng)對(duì)其厚度以及寬度進(jìn)行控制，一般寬度可采用20～30 mm，厚度可采用2 mm。施工工藝流程如圖6 所示。

圖6 封閉膠修補(bǔ)施工工藝流程

（2）裂縫寬度超過(guò)0.15 mm。對(duì)于這種裂縫，可采用灌漿封閉進(jìn)行處理。具體做法如下：①對(duì)裂縫進(jìn)行清理，清理寬度以裂縫兩側(cè)各50 mm 為宜；②根據(jù)裂縫的寬和深，確定灌漿嘴的間距以及布置，若裂縫較寬時(shí)，灌漿嘴可適當(dāng)加密，反之則可增加間距，同時(shí)預(yù)留排氣孔；③灌漿嘴安裝完成后，可采用封縫膠對(duì)裂縫進(jìn)行封閉，然后進(jìn)行漏氣試驗(yàn)；④拌和注漿漿液，通過(guò)灌漿嘴對(duì)裂縫灌漿，直至漿液從排氣孔流出為止；⑤對(duì)于個(gè)別裂縫較寬的部位，應(yīng)自下而上在裂縫內(nèi)灌注封閉膠，然后再進(jìn)行灌漿；⑥灌漿完成后，一般應(yīng)養(yǎng)護(hù)12 h 以上，如果當(dāng)?shù)貧鉁剌^低，可適當(dāng)增加養(yǎng)護(hù)的時(shí)間。灌漿封閉施工工藝流程如圖7 所示。

4 結(jié)論

鐵路橋梁在通車(chē)運(yùn)營(yíng)后可能出現(xiàn)多種病害，文中僅僅闡述了其中三種較為常見(jiàn)的病害。為確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全，避免發(fā)生安全事故，應(yīng)經(jīng)常對(duì)鐵路橋梁進(jìn)行巡檢。對(duì)于檢查出的病害應(yīng)及時(shí)按照規(guī)范要求進(jìn)行處理。對(duì)于鋼橋裂損、支座病害及墩臺(tái)裂縫，文中介紹了其產(chǎn)生的原因及處理措施，可對(duì)鐵路橋梁施工和運(yùn)營(yíng)后的病害處理提供一定的借鑒意義。