重载铁路预应力混凝土梁斜裂缝产生的机理分析.pdf

20232重载铁路预应力混凝土梁生的机理分析太原铁道科技石研究探讨重载铁路预应力混凝土梁斜裂缝产生的机理分析梁秀海：天佑京铁工程建设有限公司李光耀孙永军：科学技术研究所摘要：重载铁路预应力混凝土梁普遍存在梁端斜裂纹现象，是危及桥梁结构安全运营的一大隐患。通过开展梁斜裂缝受力状态持续性监测试验，表明裂缝应变大小与裂缝宽度呈正相关关系，现场道床养护导致的桥上道碓厚度增大引起二期恒载的增加，是桥梁斜截面开裂及裂缝扩展的主要原因之一。关键词：重载铁路；斜截面；裂缝；应力特性0前言随着大秦铁路运量的不断提升，桥梁结构的劣化也日趋明显。运营中发现较多3 2 m后张法预应力混凝土梁存在梁端斜截面开裂的情况，裂缝主要分布在梁端L/4范围内，是危及结构安全运营的一大隐患。关于预应力混凝土梁的斜截面抗裂性，国内铁路行业之前少有研究，公路和市政行业针对大跨度预应力混凝土连续梁和连续钢构桥的斜截面开裂问题曾开展过系列研究，通过研究揭示了梁体斜截面开裂与纵向预应力筋配置、竖向预应力损失!、混凝土收缩徐变效应 3,4 、汽车荷载超载 2 、日照温差效应 1,4 等因素的相关性，以及斜截面开裂与梁体下挠变形的相互作用机理。然而，铁路预应力混凝土梁结构构造和配筋设计均与公路市政存在较大差异，且结构设计安全度水平不同，相关研究无法适用铁路领域混凝土梁斜截面开裂问题。鉴于通常的理论分析和试验室模型试验并不能较好地揭示铁路预应力混凝土梁斜截面开裂的原因及其对结构受力的影响，有必要采用现场长期监测的方式对铁路预应力混凝土梁斜截面开裂后的运营状态进行深人研究。以大秦线典型曲线桥梁为研究对象，开展梁斜裂缝受力状态持续性监测分析，研究重载运输条件下预应力混凝土梁斜裂缝受力的空间特征，在此基础上提出预应力混凝土梁斜截面开裂的主要荷载因素，为混凝土梁斜裂缝状态研究提供参考。1现场监测试验设计监测试验主要为大秦线典型主梁斜裂缝受力监测，包括运营荷载作用下开裂梁体典型斜裂缝扩展监测、未开裂梁体斜截面应力监测。根据斜裂缝分布，在重车线外梁与内梁、腹板外侧与内侧对应的裂缝位置布置跨裂缝测点，主要针对存在典型斜裂缝的12 1号桥第1孔（曲线段，梁端斜裂缝严重）、12 1号桥5 9 孔(缓和曲线段，梁端斜裂缝较重)进行。各梁内外侧腹板均存在斜向裂缝，但同一腹板内外侧裂缝位置不完全对应，裂缝长度和走向也不相同。各孔梁体裂缝分布特征见表1。1.1监测设备监测系统包括前端测试传感器、数据传输线缆、2023217重载铁路预应力混凝土梁斜裂产生的机理分析太原铁道科技研究探讨表1大秦铁路监测孔跨梁端斜裂缝特征参数左梁外侧左梁内侧右梁内侧右梁外侧桥跨宽度角度宽度角度宽度角度宽度 角度(mm)（）(mm)(mm)（）(mm)（）1孔0.2537.80.2220.50.1524.40.2018.159孔0.2131.20.2014.40.1216.80.1810.2数据采集专用设备和供电设备，相关设备性能稳定、耐候、防水，为了确保设备的长期稳定性，对相关传感器、线缆、采集仪设置可靠的防护设施。监测传感器包括弓式应变计、振弦应变计，分别用于梁体裂缝动、静态扩展测试，混凝土动、静态应变测试。在测点开始布设前，先对梁体表面脏污采用高压水进行清洗，再对梁体裂缝进行详细检查并绘制裂缝图。通过在典型裂缝处布置临时测点，测试运营列车作用下的裂缝扩展，确定长期监测测点，再进行测点、数据线和数据采集仪的布设与测试系统调试。考虑长期监测的耐候与防水要求，全部应变测点均采用定制防护罩进行防护，线缆采用PVC管进行防护，静态采集仪和动态采集仪分别装备于专用采集箱内，采集箱安装在梁端横向加固横梁顶面。系统概貌见图1。1.2测点布置各测试孔跨监测测点数量汇总表见表2，第1孔跨测点布置详见图2。2现场监测结果分析2.1应变在腹板内外侧的分布监测期内，运营列车作用下各测试孔跨梁端表面实测最大应变见图3。(1)重车线两孔左梁外侧最大应变分别为3 3 9 8和2 6 3 us，右梁外侧最大应变分别为8 6 u和15 5 u8，第1孔左梁应变大于第5 9 孔，右梁应变小于第5 9 孔。(2)重车线两孔左梁内侧最大应变分别为14 6 u8和117 s，右梁内侧最大应变分别为112 us和7 1s，第1孔左、右梁内侧应变均大于第5 9 孔。（3）第1孔和第5 9 孔梁体换算最大裂缝扩展宽度分别为0.0 3 4 mm和0.0 2 6 mm。由此可见，各孔跨实测应变总体呈左梁大于右表2桥梁长期监测测点数量汇总表桥号121测试孔跨1孔59孔小计传感器类型主梁图号专桥2 0 3 9 专桥2 0 3 9121224弓式应变计裂缝扩展448钢弦应变计混凝土应力44钢弦应变计合计162036图1大秦铁路长期监测系统概貌20232重载铁路预应力混凝土梁斜裂缝产生的机理分析太原铁道科技研究探讨第1孔重车线左梁外侧测点布置第1孔重车线右梁内侧测点布置1号0号台S21513S9X5C1应更计测点室变片测点（绿筋）钢旋南点京变计测点左炎片测点（银器）一解独测点第1孔重车线左采内侧测点布置0好包第1孔重车线右架外侧测点布置0号白7$12度更计测点位变片潮点（梁始）一强潮点第1孔重车线右采内侧测点布置11号贵0号食皮克计滤点应炎片测点（氯解）锅饮滤点图2第1孔跨重车线梁体长期监测测点布置400350300图第1孔黑第5 9 孔(3）250200150100500内侧外侧内侧外侧左梁右梁图3监测期内各测试孔跨重车线梁体实测表面最大应变对比图梁、腹板外侧大于内侧；实测裂缝应变大小与裂缝宽度有一定对应关系，活载作用下以宽度最大的12 1号桥第1孔裂缝扩展最为明显，其次为12 1号桥第5 9 孔。2.2应变沿截面分布图4 给出了各测试孔跨重车线左梁外侧典型应力路径上（沿腹板主要斜裂缝或对应的未开裂腹板）实测应变沿截面的分布。由图4 可知，用“专桥2 0 3 9”的121号桥第1孔和第5 9 孔典型裂缝处最大应变均出现在靠近跨中的腹板上部，应变沿裂缝的分布呈“钟型”；其中第1孔梁体裂缝向跨中延伸更充分，裂缝上端位于距支座中心线6.8 m处，而第5 9 孔梁体裂缝上端则位于距支座中心线6.2 m处。2.3二期恒载变化对梁斜截面开裂影响桥梁结构受力状态与荷载密切相关，对于重载铁路有碓轨道桥梁来说，桥上道床重量变化引起的二期恒载变化可能对结构受力产生明显影响。除了梁体横向加固、轨枕和钢轨升级等线桥改造带来的二期恒载的增加，运营期间因道床养护导致的桥上道诈厚度增大也会带来二期恒载的增加，目前道碓超厚是大秦线铁路桥梁面临的普遍问题，根据现场调查的结果，分别考察道诈厚度为3 5 cm、4 5 c m、5 5 c m 和6 5 cm时的梁端斜裂缝受力状态，列车荷载按设计中-活载考虑。计算梁体主拉应力以L/8截面腹板变厚度处最大。由图5 可知，按设计抗裂安全系数kf=1.2计算，最大主拉应力分别为2.8 5 MPa、3.0 1MP a、3.17 MP a 和3.36MPa，当道诈厚度大于4 5 cm时，梁体主拉应力大于规范限值fct=3.02MPa；按抗裂安全系数kf=1.0计算，最大主拉应力分别为2.0 3 MPa、2.15 MP a、2.2 8 MP a2023219重载铁路预应力混凝土梁斜裂缝产产生的机理分析太原铁道科技研究探讨第1孔重车线左梁外侧实测应变分布28m27m26m25m24m2.5m3.39174S2S1S3横隆复中心线136起S1S2541393S4支座3第5 9 孔重车线左梁外侧实测应变分布28m27m26m25m24m2.5m263S3132N3172,114横3S2爱中S3S1S43线支座3图4121号桥测试孔跨重车线左梁外侧典型应变分布图5K,=1.23K,=1.040.7fa）1.0f.t23食0.5f.2一10-35cm-45cm-0-35cm-45cm1个-5 5 cm一6 5 cm55cm一6 5 cm00012345678012345678距支点距离（m）距支点距离（m）图5二期恒载变化对梁端主拉应力影响2020232重载铁路预应力混凝土梁斜裂生的机理分析太原铁道科技石研究探讨和2.4 2 MPa，换算道诈厚度大于4 2 cm时的梁体主拉应力大于规范限值0.7 fct=2.11MPa。4结论通过开展大秦线典型梁斜裂缝受力状态持续性监测分析，研究梁斜裂缝受力的空间特性及斜截面开裂的主要载荷因素，得到如下结论：(1)各孔跨应变总体呈左梁大于右梁、腹板外侧大于内侧；裂缝应变大小与裂缝宽度呈正相关关系。(2)裂缝最大应变均出现在靠近跨中的腹板上部，应变沿裂缝的分布呈“钟型”。（3）现场道床养护导致的桥上道诈厚度增大引起（上接第11页）并且考虑到由于运输限制全球其他能源消费国无法立即吸纳欧盟空出的市场供给，使得俄罗斯的一次能源供应减量成为现实，从而加剧了全球本已经处在紧平衡的能源供需的紧张程度。2 0 2 3 年国内煤炭市场预计将维持旺盛的需求，对煤炭价格形成一定的支撑。二是从钢材市场上进行分析。面对国内国际百年之大变局的冲击，钢铁行业更是危机与机遇并存，钢铁行业在面对一个新的发展和大调整周期环境之下，2 0 2 2 年以来出现了全行业亏损、部分产能停产。钢铁行业虽然面临着非常大的困难，但是钢铁产业仍然是我国的基础产业，随着2 0 2 3 年国内经济逐步复苏，钢铁产业仍然会具有非常大的潜力。三、今后营销工作思路及建议一是建立专业营销团队。建立钢铁、煤炭、集装箱三种品类专业营销团队，开展市场调查、营销宣传、项目管理、客户关系维护等工作，负责货运营销项目信息、资料的收集、整理、分析、信息反馈等工作，以专业化营销保障货源稳定。二是强化数字化营销。以网格化营销平台各项数据为支撑，通过线上平台数据的全方位分析，与线下营销走访的精准性互动，解决怎么找货、如何营销的问题；网格化营销平台锁定辐射货源，营销人员按图索骥，解决哪个区域有货、有什么货、怎么把货揽回二期恒载的增加，是桥梁斜截面开裂及裂缝扩展的原因之一。当道厚度超过4 5 cm时，按设计抗裂安全系数kf=1.2计算，梁体主拉应力大于规范限值。参考文献1赵宝俊.竖向预应力作用下箱梁腹板的受力机理研究 D.长安大学：2 0 12.2朱劲松,张一峰,陈兴达.移动车辆荷载作用下梁体裂缝扩展规律 D.东南大学学报(自然科学版),2 0 18,4 8(0 4).3宋银华.钢筋混凝土简支梁裂缝分析及维修对策 .中国水运(理论版),2 0 0 7(0 5):7 7-7 8.4徐彦妮.现浇梁板结构裂缝分析 D.长安大学：2 0 15.来的问题。将重点补强提高平台数据的真实性、准确性、有效性，现场走访的覆盖性、针对性、时效性，双向发力，确保营销全覆盖、无死角。三是强化货运增收。转变以往重发运量轻货收率的营销思维，加强两高一远货源组织，提高营销质量。根据管内货源结构，摸清全站两高一远货源底数，将发往远距离货源作为重点组织方向，提高各站加强两高一远货源营销的积极性，实现营销工作由数量到质量的转变。四是稳量基础货源。深人挖掘钢铁高运价号货源，充分发挥太钢作为全站货运收入压仓石的作用，及时掌握企业产销运情况及钢材价格信息，掌握环保治理、设备检修、企业库存及停限产、下游需求变化情况，对江浙、华南等钢铁下游需求较多的客户开展到达端营销走访，及时掌握下游市场需求变化，协调解决上下游运输环节问题，提高钢铁企业“公转铁”运量。五是开发集装箱货源。不断优化营销网络、加大小微企业走访力度，争取更多的第一手货源，逐步提升“白货”运输所占比例。在做好玉门沟站总库5 道集装箱发运的基础上，积极向周边企业宣传货物人箱的运输优势，以及铁路部门对于集装箱运输的优惠政策，大力发展集装箱运输业务，全力确保车站集装箱任务指标兑现。