铁路钢桥常见病害及其维修加固构想.doc

铁路钢桥常见病害及其维修加固构想
　　铁道科学研究院　　史永吉  张玉玲
　　摘要：桥梁经过年劣化将逐步降低其技能，影响桥梁结构的安全性。我国铁路钢桥历史悠久，建造年代各不相同，目前铁路上还有许多钢桥是在20世纪初期建造的。本文主要描述铁路钢桥常见病害，以及一些维修加固对策。
　　关键词：钢桥，病害，维修加固
　　一、钢桥的现状
　　钢桥具有悠久的历史，我国铁路线上仍有许多20世纪初期建造的钢桥仍在服役，欧美地区还有19世纪末建造的钢桥在服役中。
　　钢桥采用的钢材经历了从铸铁铸钢、精炼钢、沸腾钢、镇静钢、直到近代的低合金高强度钢、TMCP高强度性能钢。钢桥的连接经历了销钉连接铆接、直到近代的栓焊连接或焊接。钢桥的设计经历了经验设计法、直到近代的容许应力设计法或极限状态设计法。
　　基于以上特点，现有钢桥多为不同年代设计采用不同钢材和不同连接方法建造的桥梁，给钢桥的维修管理带来了一定的难度，甚至有些钢梁已失去当时设计、施工的原始资料。另一方面，由于钢材的高强度、高延性、易于通过加固恢复或提高其承载力，钢桥往往不被轻易报废。所以，归纳总结钢桥常见病害，研究其加固措施，对延长既有钢桥寿命、提高今后桥梁的维修养护质量具有重要的意义。
　　二、钢桥的主要病害及分析
　　（一）主要病害
　　铁路钢桥的病害类别，除了承载能力不足（指钢梁检定承载系数 ）外，主要是杆件裂损及开焊，其中多数为疲劳裂纹和腐蚀。1982年由铁道部科学研究院、专业设计院、大桥工程局、山海关及宝鸡桥梁厂组成“焊接钢梁裂纹调查研究小组”,曾对八条运量繁忙的主要干线进行调查研究，针对所发现的不良焊接构造细节（疲劳裂纹易发生的细节）找出对策，进行了全面修复，并研究制定了新的钢桥制造工艺，主要措施是减少或避免焊缝交叉，改善焊接几何条件等。这些措施大大改善了钢桥的疲劳受力状态，裂纹发生率迅速降低。这里列举的是此次修复之后发生的钢梁主要杆件裂损及开焊（指主要杆件及节点钢料裂纹及弯曲损伤超过允许限度，因受力而有发展的未处理或加固的开焊）部位（最低出现次数为一次）。
　　1、上承钢板梁上翼缘角钢裂纹
　　2、上承钢板梁支座上方下翼缘钢板断裂；
　　3、上承钢板梁下翼缘沿支座附近的裂纹；
　　4、上承钢板梁上盖板（中心）开裂；
　　5、上承钢板梁上盖板锈穿；
　　6、上承钢板梁下翼缘角钢裂纹；
　　7、上承钢板梁加劲角钢处下翼缘两侧对称裂纹；
　　8、上承钢板梁上水平斜拉杆断裂；
　　9、上承钢板梁下翼缘联结板裂纹；
　　10、上承钢板梁端头上盖板外侧掉块；
　　11、上承钢板梁上翼缘裂纹；
　　12、上承钢桁梁支座与下翼缘连接铆钉孔周边裂纹；
　　13、下承钢板梁支座上纵梁顶弯；
　　14、下承钢板梁节点两侧裂纹；
　　15、下承钢板梁加劲角钢上部裂纹；
　　16、下承钢板梁联结杆与纵梁联结板裂纹；
　　17、下承钢板梁下翼缘水平裂纹；
　　18、下承钢板梁支座连接板处裂纹；
　　19、下承钢桁梁支座上方横梁下部裂纹；
　　20、铆焊下承钢板梁上下水平联结角钢处裂纹；
　　21、半穿式桁梁横梁底弯曲；
　　22、槽形板梁上盖板油漆失效；
　　分析上述出现裂纹部位，主要原因是疲劳损伤。这里做一重点概要分析。
　　（二）分析
　　1、疲劳损伤基本概念
　　钢材属于高疲劳程度周次疲劳问题，疲劳曲线方程为
　　　　　　　　　　　（1）
　　或       　　　　　（2）
　　其主要特征是：
　　（1）产生疲劳的主要因素：拉应力、拉应力循环、晶格间产生微错位；
　　（2）疲劳裂纹扩展方向垂直于主力方向；
　　（3）疲劳裂纹发展三阶段：萌生、稳定扩展、失稳扩展。
　　前两个阶段很难通过观测结构的变形而被发现，第三阶段是脆性破坏，所以疲劳是危险很大的一种破坏。
　　影响焊接钢桥疲劳性能的主要因素是：循环应力幅度 ,应力循环次数n,结构和连接的形状、焊接缺陷、残余应力等。疲劳检算是根据疲劳曲线，针对被检查的接头，使所发生的应力及设计中预定的循环次数应低于疲劳曲线。见图1.

　　（3）
　　2、疲劳裂纹的分类
　　从受力分析状态疲劳裂纹可分为因主应力引起的疲劳和因次应力引起的疲劳，以及腐蚀疲劳。经过几十年的实践和经验的积累，铁路桥梁设计规定采用的疲劳验算方法，已经可以避免因主应力使疲劳裂纹发生的情况。需要关注的是次应力问题和腐蚀疲劳。本文描述的钢梁常见病害，多起源于次应力，也有腐蚀问题。
　　（1）次应力
　　产生次应力的条件有：
　　①腹板面外变形，在某小间隙处受到约束引起次应力；
　　②二相邻构件变形的差引起次应力，如上承式桁梁、纵梁与横梁连接处；
　　③局部振动在构件连接处引起较大的次应力，如桁架桥中的竖杆及平联、板梁中的桁式平联和横联。特别在高速行车时更易引起较大振幅；
　　④支座竖向转动或活动支座纵向唯一失灵引起次弯曲；
　　⑤早期铆接钢桥的纵梁上翼缘常常采用双角钢，因枕木弯曲变形及钩螺栓的强约束引起角钢水平肢的面外变形；
　　⑥其他不适当的构造设计和施工。
　　次应力引起疲劳裂纹的特点是：
　　①设计中很难计算次应力，所以基本未做疲劳检验；
　　②在运营早期就会产生裂纹，最早在1~3个月即会出现；
　　③重现率高，同样部位出现数量多；
　　④初期某些裂纹尚未扩展至主构件（削弱主构件断面），暂不对主结构安全构成威胁。
　　（2）腐蚀
　　在钢桥中高强度螺栓的延迟断裂也不少见。所谓延迟断裂，是指在静荷载下（承受较高应力的状态），经过一定的时间，由缺口、疲劳裂纹、腐蚀坑等应力集中处产生裂纹，在不发生塑性变形情况下发生的突然脆断破坏现象。又称为静疲劳破坏，或氢脆疲劳。其原因是由于钢材中含氢，或环境含氢，或腐蚀反应产生的氢侵入钢材而造成的氢脆。外部原因是有应力集中，构件处于较高的应力水平。高强度螺栓延迟断裂中， 级的螺栓发生较多。
　　三、维护对策
　　建立桥梁检测→诊断→修补加固的维护系统，是钢桥维修管理的重要环节。
　　（一）钢桥的检查
　　分日常检查、定期检查（详细检查）、特殊检查和检定试验四种。日常检查主要通过日常巡视，采用目视法，对桥梁主体结构和墩台进行检查。定期检查一般周期为4~5年，采用目视和简单仪器对基础、支座、易发生劣化和损伤的部位进行检查。当发生车辆船舶撞击、台风、地震、火灾等意外情况是，进行特殊检查。当上述三项检查结论认为必要时，进行静力和动力检定试验，全面测试结构机能（应力和变形）和动力性能。
　　1、检查项点
　　①涂膜劣化及腐蚀状态；
　　②建筑界限。指下承式桥梁建筑限界有无富裕量，特别是大型货物通过时；
　　③列车通过时梁的振动状态。在桥上感觉是否有异常振动和声音；
　　④支座的异常及破损；
　　⑤铆钉和螺栓的变化（松动、断裂和脱落）；
　　⑥焊缝和母材的变化（裂纹等）；
　　⑦排水设备的状态；
　　⑧步行道及桥上附属设施的变化；
　　⑨修补和加固处的再变化；
　　⑩火灾、撞击和地震等引起的损伤。
　　2、钢桥性能的测试及评定
　　进行检定试验时，需要测定的主要内容：
　　（1）列车荷载测定
　　①目的：推算耐久性评定的荷载，推算换算挠度计算的轴重，计算现有承载力时的实测荷载；
　　②测定内容：在钢轨（枕木之间）轨腰上布置应变计测轴重，在一定测定距离内（货车大于40m,客车大于60m）测试列车速度；
　　③根据实测的列车活载（轴重和轴距），计算最大应力（用实测断面计算），进而用下式评定现有的应力比：

　　（2）主梁的承载力和耐久性
　　①目的：评定构件的承载力，评定危险构件细节的疲劳累积损伤度和剩余寿命；
　　②测定内容：主梁（或主桁架）、横梁和纵梁的最大应力和挠度，被评定细节的应力谱；
　　③用现有应力比评定承载力：

　　④采用专用程序统计被评定细节的应力谱并计算疲劳累积损伤度，进行耐久性评定：

　　（3）主梁挠度
　　①目的：评定列车走行安全性和乘员的舒适性，求算主梁健全性的刚度指标；
　　②测定内容：主梁跨中最大挠度，纵横交点处最大挠度，斜梁的主梁端部左右钢轨位置的挠度差；
　　③根据表1~表3进行列车走行性评定。
　　主梁挠度临界值                          表1

货车
跨长L（m）

钢板梁
L/800
L/700
桁架桥
L/1000

客车
跨长L（m）

连续2孔以上简支梁或连续梁
L/1800

L/2000
L/2500
L/2000
单孔简支梁
L/1600

纵横梁交点处挠度临界值 表2

端横梁
中间横梁
货车
4mm
5mm
客车
2mm
3mm
斜梁中主梁端部左右钢轨位置挠度差限值 表3

挠度差
货车
3mm
客车
2mm

　　（4）主梁横向变位及振动
　　①目的：评定列车走行安全性和乘员的舒适性；
　　②测定内容：在主梁或纵梁跨中下翼缘，垂直于桥轴的水平方向设置加速度仪，测定列车通过时的加速度，由加速度波形计算横向振动频率及振幅；
　　③根据式（10）对横向振幅临界值进行评定。

　　（5）支座与梁、支座与墩台之间的错位变位
　　①目的：考察桥梁各构件是否正常移动；
　　②测定内容：列车通过时，测试支座与主梁之间的纵向滑动变位，支座与墩台之间的纵向错位和横向错位；
　　③评定支座位置错动，即支座与梁之间的位移实测值应小于（11）式的计算值：
　　（11）
　　式中： -跨长（m）。
　　④评定支座的活动机能，通过支座与墩台之间的错位、支座前后与墩台之间的垂直变位（倾斜）的实测值评定。
　　（6）测定主梁恒载状态
　　①目的：测定梁在恒载时的固有频率，可推算恒载的大小和恒载挠度，维修时千斤顶的顶力、梁的拱度等；
　　②测定内容：用加速度仪于跨中测得梁的固有振动频率，计算得到恒载的大小和恒载挠度。梁非加载时的固有振动频率由列车通过后残留的自由振动波形通过频谱分析求得；
　　③由（12）式进行恒载大小的估算：

　　四、修补和加固
　　（一）补修设计的基本注意事项
　　桥梁结构出现病害并导致承载能力的降低，必须恢复其承载能力，要明确划分修补和加固之间的界限是很难的。补修设计必须考虑结构对象损伤的种类、损伤原因、损伤程度、施工方法和补修后的效果，难以用同意的模式规定补修合计是否恰当，但基本注意事项如下：
　　①注意强度是否满足要求。由于局部补强，使原结构体系、应力分布和应力传递途径发生变化，在计算上往往要从不同角度进行分析；
　　②注意是否带来其它新的问题。如更换局部构件，应考虑影响范围。局部加固将使重量增加，注意对下部结构、基础和对其它构件的影响，以及是否造成应力集中等；
　　③设计必须考虑施工方法。不中断交通进行补修作业时，需要在交通荷载作用下和振动状态下施工，设计时需进行充分的研究，如钢材现场焊接、构件切割等施工质量问题。此外，由于作业空间和作业时间制约，作业方式、加固构件大小等问题均需研究；
　　④注意是否经济；
　　⑤注意补修后的美观。
　　（二）钢桥的修补及加固
　　1、涂装维修
　　涂装维修在钢桥维修中占有重要地位，这一方面是由于涂装费用在钢桥维修管理费中占很大比例，更因为钢材腐蚀将直接削弱构件断面，导致承载力降低，涂装还是钢桥影响外观的着装。
　　更换涂装的寿命周期和涂装设计根据环境、桥梁结构及构件、涂料及其配套体系、涂装工艺和涂料价格确定。铁路钢桥涂膜最易劣化部位是桥面系机车通过的上方构件（尤其是纵梁上翼缘）、节点和支座处、板件棱角和螺栓处，这些部位的涂装应予特别关注，如纵梁上翼缘，因积水、受磨、及化学腐蚀，应采用超厚膜涂装体系：热喷锌+玻璃鳞片漆。
　　2、补强及加固
　　通常有钢材腐蚀补强、疲劳裂纹补强和提高承载力的加固。根据不同病害部位设计相应补强方案。宜用高强度螺栓拼接加固，慎用现场焊接拼接、补焊加固。
　　3、铆钉和高强度螺栓脱落
　　在用高强度螺栓更换铆钉时，宜整节点全部更换，不宜部分更换。
　　五、结语
　　桥梁作为交通工程的重要组成部分，数量大，结构规模大，改造周期长，需要长期保持其机能。因此必须建立健全桥梁维修管理系统，对病害做到及时发现、跟踪、整治。随着桥梁建设技术的进步，常见病害也会不断“更新”,这将是一门不断发展的学科，随着经验的积累和加固技术的进步发展着。