鐵路鋼橋常見(jiàn)病害及其維修加固構(gòu)想

1、鐵路鋼橋常見(jiàn)病害及其維修加固構(gòu)想鐵道科學(xué)研究院 史永吉 張玉玲摘要：橋梁經(jīng)過(guò)年劣化將逐步降低其技能，影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。我國(guó)鐵路鋼橋歷史悠久，建造年代各不相同，目前鐵路上還有許多鋼橋是在20世紀(jì)初期建造的。本文主要描述鐵路鋼橋常見(jiàn)病害，以及一些維修加固對(duì)策。關(guān)鍵詞：鋼橋，病害，維修加固一、鋼橋的現(xiàn)狀鋼橋具有悠久的歷史，我國(guó)鐵路線上仍有許多20世紀(jì)初期建造的鋼橋仍在服役，歐美地區(qū)還有19世紀(jì)末建造的鋼橋在服役中。鋼橋采用的鋼材經(jīng)歷了從鑄鐵鑄鋼、精煉鋼、沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、直到近代的低合金高強(qiáng)度鋼、TMCP高強(qiáng)度性能鋼。鋼橋的連接經(jīng)歷了銷(xiāo)釘連接、鉚接、直到近代的栓焊連接或焊接。鋼橋的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)設(shè)

2、計(jì)法、直到近代的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法或極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法?；谝陨咸攸c(diǎn)，現(xiàn)有鋼橋多為不同年代設(shè)計(jì)采用不同鋼材和不同連接方法建造的橋梁，給鋼橋的維修管理帶來(lái)了一定的難度，甚至有些鋼梁已失去當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工的原始資料。另一方面，由于鋼材的高強(qiáng)度、高延性、易于通過(guò)加固恢復(fù)或提高其承載力，鋼橋往往不被輕易報(bào)廢。所以，歸納總結(jié)鋼橋常見(jiàn)病害，研究其加固措施，對(duì)延長(zhǎng)既有鋼橋壽命、提高今后橋梁的維修養(yǎng)護(hù)質(zhì)量具有重要的意義。二、鋼橋的主要病害及分析（一）主要病害鐵路鋼橋的病害類(lèi)別，除了承載能力不足（指鋼梁檢定承載系數(shù)）外，主要是桿件裂損及開(kāi)焊，其中多數(shù)為疲勞裂紋和腐蝕。1982年由鐵道部科學(xué)研究院、專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)院、大橋工程局、

3、山海關(guān)及寶雞橋梁廠組成“焊接鋼梁裂紋調(diào)查研究小組”，曾對(duì)八條運(yùn)量繁忙的主要干線進(jìn)行調(diào)查研究，針對(duì)所發(fā)現(xiàn)的不良焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)（疲勞裂紋易發(fā)生的細(xì)節(jié)）找出對(duì)策，進(jìn)行了全面修復(fù)，并研究制定了新的鋼橋制造工藝，主要措施是減少或避免焊縫交叉，改善焊接幾何條件等。這些措施大大改善了鋼橋的疲勞受力狀態(tài)，裂紋發(fā)生率迅速降低。這里列舉的是此次修復(fù)之后發(fā)生的鋼梁主要桿件裂損及開(kāi)焊（指主要桿件及節(jié)點(diǎn)鋼料裂紋及彎曲損傷超過(guò)允許限度，因受力而有發(fā)展的未處理或加固的開(kāi)焊）部位（最低出現(xiàn)次數(shù)為一次）。1、上承鋼板梁上翼緣角鋼裂紋；2、上承鋼板梁支座上方下翼緣鋼板斷裂；3、上承鋼板梁下翼緣沿支座附近的裂紋；4、上承鋼板梁上蓋板

4、（中心）開(kāi)裂；5、上承鋼板梁上蓋板銹穿；6、上承鋼板梁下翼緣角鋼裂紋；7、上承鋼板梁加勁角鋼處下翼緣兩側(cè)對(duì)稱(chēng)裂紋；8、上承鋼板梁上水平斜拉桿斷裂；9、上承鋼板梁下翼緣聯(lián)結(jié)板裂紋；10、上承鋼板梁端頭上蓋板外側(cè)掉塊；11、上承鋼板梁上翼緣裂紋；12、上承鋼桁梁支座與下翼緣連接鉚釘孔周邊裂紋；13、下承鋼板梁支座上縱梁頂彎；14、下承鋼板梁節(jié)點(diǎn)兩側(cè)裂紋；15、下承鋼板梁加勁角鋼上部裂紋；16、下承鋼板梁聯(lián)結(jié)桿與縱梁聯(lián)結(jié)板裂紋；17、下承鋼板梁下翼緣水平裂紋；18、下承鋼板梁支座連接板處裂紋；19、下承鋼桁梁支座上方橫梁下部裂紋；20、鉚焊下承鋼板梁上下水平聯(lián)結(jié)角鋼處裂紋；21、半穿式桁梁橫梁底彎曲

5、；22、槽形板梁上蓋板油漆失效；分析上述出現(xiàn)裂紋部位，主要原因是疲勞損傷。這里做一重點(diǎn)概要分析。（二）分析1、疲勞損傷基本概念鋼材屬于高疲勞程度周次疲勞問(wèn)題，疲勞曲線方程為 （1）或 （2）其主要特征是：（1）產(chǎn)生疲勞的主要因素：拉應(yīng)力、拉應(yīng)力循環(huán)、晶格間產(chǎn)生微錯(cuò)位；（2）疲勞裂紋擴(kuò)展方向垂直于主力方向；（3）疲勞裂紋發(fā)展三階段：萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展。前兩個(gè)階段很難通過(guò)觀測(cè)結(jié)構(gòu)的變形而被發(fā)現(xiàn)，第三階段是脆性破壞，所以疲勞是危險(xiǎn)很大的一種破壞。影響焊接鋼橋疲勞性能的主要因素是：循環(huán)應(yīng)力幅度，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n，結(jié)構(gòu)和連接的形狀、焊接缺陷、殘余應(yīng)力等。疲勞檢算是根據(jù)疲勞曲線，針對(duì)被檢查的接頭，使所

6、發(fā)生的應(yīng)力及設(shè)計(jì)中預(yù)定的循環(huán)次數(shù)應(yīng)低于疲勞曲線。見(jiàn)圖1。圖1 疲勞設(shè)計(jì)概念實(shí)際交通荷載引起的應(yīng)力是變幅應(yīng)力循環(huán)，為方便疲勞檢算，依據(jù)線性累積損傷則采用式（3）將變幅疲勞等效為等幅疲勞： （3）2、疲勞裂紋的分類(lèi)從受力分析狀態(tài)疲勞裂紋可分為因主應(yīng)力引起的疲勞和因次應(yīng)力引起的疲勞，以及腐蝕疲勞。經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的積累，鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)定采用的疲勞驗(yàn)算方法，已經(jīng)可以避免因主應(yīng)力使疲勞裂紋發(fā)生的情況。需要關(guān)注的是次應(yīng)力問(wèn)題和腐蝕疲勞。本文描述的鋼梁常見(jiàn)病害，多起源于次應(yīng)力，也有腐蝕問(wèn)題。（1）次應(yīng)力產(chǎn)生次應(yīng)力的條件有：腹板面外變形，在某小間隙處受到約束引起次應(yīng)力；二相鄰構(gòu)件變形的差引起次應(yīng)力，如上

7、承式桁梁、縱梁與橫梁連接處；局部振動(dòng)在構(gòu)件連接處引起較大的次應(yīng)力，如桁架橋中的豎桿及平聯(lián)、板梁中的桁式平聯(lián)和橫聯(lián)。特別在高速行車(chē)時(shí)更易引起較大振幅；支座豎向轉(zhuǎn)動(dòng)或活動(dòng)支座縱向唯一失靈引起次彎曲；早期鉚接鋼橋的縱梁上翼緣常常采用雙角鋼，因枕木彎曲變形及鉤螺栓的強(qiáng)約束引起角鋼水平肢的面外變形；其他不適當(dāng)?shù)臉?gòu)造設(shè)計(jì)和施工。次應(yīng)力引起疲勞裂紋的特點(diǎn)是：設(shè)計(jì)中很難計(jì)算次應(yīng)力，所以基本未做疲勞檢驗(yàn)；在運(yùn)營(yíng)早期就會(huì)產(chǎn)生裂紋，最早在13個(gè)月即會(huì)出現(xiàn)；重現(xiàn)率高，同樣部位出現(xiàn)數(shù)量多；初期某些裂紋尚未擴(kuò)展至主構(gòu)件（削弱主構(gòu)件斷面），暫不對(duì)主結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。（2）腐蝕在鋼橋中高強(qiáng)度螺栓的延遲斷裂也不少見(jiàn)。所謂延遲斷

8、裂，是指在靜荷載下（承受較高應(yīng)力的狀態(tài)），經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，由缺口、疲勞裂紋、腐蝕坑等應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，在不發(fā)生塑性變形情況下發(fā)生的突然脆斷破壞現(xiàn)象。又稱(chēng)為靜疲勞破壞，或氫脆疲勞。其原因是由于鋼材中含氫，或環(huán)境含氫，或腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生的氫侵入鋼材而造成的氫脆。外部原因是有應(yīng)力集中，構(gòu)件處于較高的應(yīng)力水平。高強(qiáng)度螺栓延遲斷裂中，級(jí)的螺栓發(fā)生較多。三、維護(hù)對(duì)策建立橋梁檢測(cè)診斷修補(bǔ)加固的維護(hù)系統(tǒng)，是鋼橋維修管理的重要環(huán)節(jié)。（一）鋼橋的檢查分日常檢查、定期檢查（詳細(xì)檢查）、特殊檢查和檢定試驗(yàn)四種。日常檢查主要通過(guò)日常巡視，采用目視法，對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)進(jìn)行檢查。定期檢查一般周期為45年，采用目視和簡(jiǎn)單儀

9、器對(duì)基礎(chǔ)、支座、易發(fā)生劣化和損傷的部位進(jìn)行檢查。當(dāng)發(fā)生車(chē)輛船舶撞擊、臺(tái)風(fēng)、地震、火災(zāi)等意外情況是，進(jìn)行特殊檢查。當(dāng)上述三項(xiàng)檢查結(jié)論認(rèn)為必要時(shí)，進(jìn)行靜力和動(dòng)力檢定試驗(yàn)，全面測(cè)試結(jié)構(gòu)機(jī)能（應(yīng)力和變形）和動(dòng)力性能。1、檢查項(xiàng)點(diǎn)涂膜劣化及腐蝕狀態(tài)；建筑界限。指下承式橋梁建筑限界有無(wú)富裕量，特別是大型貨物通過(guò)時(shí)；列車(chē)通過(guò)時(shí)梁的振動(dòng)狀態(tài)。在橋上感覺(jué)是否有異常振動(dòng)和聲音；支座的異常及破損；鉚釘和螺栓的變化（松動(dòng)、斷裂和脫落）；焊縫和母材的變化（裂紋等）；排水設(shè)備的狀態(tài)；步行道及橋上附屬設(shè)施的變化；修補(bǔ)和加固處的再變化；火災(zāi)、撞擊和地震等引起的損傷。2、鋼橋性能的測(cè)試及評(píng)定進(jìn)行檢定試驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)定的主要內(nèi)容：

10、（1）列車(chē)荷載測(cè)定目的：推算耐久性評(píng)定的荷載，推算換算撓度計(jì)算的軸重，計(jì)算現(xiàn)有承載力時(shí)的實(shí)測(cè)荷載；測(cè)定內(nèi)容：在鋼軌（枕木之間）軌腰上布置應(yīng)變計(jì)測(cè)軸重，在一定測(cè)定距離內(nèi)（貨車(chē)大于40m，客車(chē)大于60m）測(cè)試列車(chē)速度；根據(jù)實(shí)測(cè)的列車(chē)活載（軸重和軸距），計(jì)算最大應(yīng)力（用實(shí)測(cè)斷面計(jì)算），進(jìn)而用下式評(píng)定現(xiàn)有的應(yīng)力比： （4）式中，維修容許應(yīng)力； 由實(shí)測(cè)活載計(jì)算的最大應(yīng)力。（2）主梁的承載力和耐久性目的：評(píng)定構(gòu)件的承載力，評(píng)定危險(xiǎn)構(gòu)件細(xì)節(jié)的疲勞累積損傷度和剩余壽命；測(cè)定內(nèi)容：主梁（或主桁架）、橫梁和縱梁的最大應(yīng)力和撓度，被評(píng)定細(xì)節(jié)的應(yīng)力譜；用現(xiàn)有應(yīng)力比評(píng)定承載力： （5）式中，維修容許應(yīng)力； 列車(chē)以容許最

11、大速度通過(guò)時(shí)的實(shí)測(cè)最大應(yīng)力。采用專(zhuān)用程序統(tǒng)計(jì)被評(píng)定細(xì)節(jié)的應(yīng)力譜并計(jì)算疲勞累積損傷度，進(jìn)行耐久性評(píng)定： （6）由（7）式推算剩余疲勞壽命： （7）式中：至今的疲勞累積損傷度； 將來(lái)的疲勞累積損傷度。（3）主梁撓度目的：評(píng)定列車(chē)走行安全性和乘員的舒適性，求算主梁健全性的剛度指標(biāo)；測(cè)定內(nèi)容：主梁跨中最大撓度，縱橫交點(diǎn)處最大撓度，斜梁的主梁端部左右鋼軌位置的撓度差；根據(jù)表1表3進(jìn)行列車(chē)走行性評(píng)定。主梁撓度臨界值 表1貨車(chē)跨長(zhǎng)L(m)鋼板梁L/800L/700桁架橋L/1000客車(chē)跨長(zhǎng)L(m)連續(xù)2孔以上簡(jiǎn)支梁或連續(xù)梁L/1800L/2000L/2500L/2000單孔簡(jiǎn)支梁L/1600縱橫梁交點(diǎn)處撓度

12、臨界值 表2端橫梁中間橫梁貨車(chē)4mm5mm客車(chē)2mm3mm斜梁中主梁端部左右鋼軌位置撓度差限值 表3撓度差貨車(chē)3mm客車(chē)2mm用相應(yīng)于設(shè)計(jì)撓度的現(xiàn)行狀態(tài)撓度進(jìn)行主梁剛度健全度評(píng)定：換算撓度 （8）換算系數(shù) （9）式中：實(shí)測(cè)撓度； 設(shè)計(jì)荷載引起的彎矩； 特定列車(chē)下實(shí)際軸重引起的彎矩。（4）主梁橫向變位及振動(dòng)目的：評(píng)定列車(chē)走行安全性和乘員的舒適性；測(cè)定內(nèi)容：在主梁或縱梁跨中下翼緣，垂直于橋軸的水平方向設(shè)置加速度儀，測(cè)定列車(chē)通過(guò)時(shí)的加速度，由加速度波形計(jì)算橫向振動(dòng)頻率及振幅；根據(jù)式（10）對(duì)橫向振幅臨界值進(jìn)行評(píng)定。 （10）式中：橫向振幅臨界值（半振幅）（cm）；列車(chē)速度（m/sec）；主梁跨度（m

13、）；橫向振動(dòng)頻率（Hz）。（5）支座與梁、支座與墩臺(tái)之間的錯(cuò)位變位目的：考察橋梁各構(gòu)件是否正常移動(dòng)；測(cè)定內(nèi)容：列車(chē)通過(guò)時(shí)，測(cè)試支座與主梁之間的縱向滑動(dòng)變位，支座與墩臺(tái)之間的縱向錯(cuò)位和橫向錯(cuò)位；評(píng)定支座位置錯(cuò)動(dòng)，即支座與梁之間的位移實(shí)測(cè)值應(yīng)小于（11）式的計(jì)算值： （11）式中：跨長(zhǎng)（m）。評(píng)定支座的活動(dòng)機(jī)能，通過(guò)支座與墩臺(tái)之間的錯(cuò)位、支座前后與墩臺(tái)之間的垂直變位（傾斜）的實(shí)測(cè)值評(píng)定。（6）測(cè)定主梁恒載狀態(tài)目的：測(cè)定梁在恒載時(shí)的固有頻率，可推算恒載的大小和恒載撓度，維修時(shí)千斤頂?shù)捻斄?、梁的拱度等；測(cè)定內(nèi)容：用加速度儀于跨中測(cè)得梁的固有振動(dòng)頻率，計(jì)算得到恒載的大小和恒載撓度。梁非加載時(shí)的固有振動(dòng)頻

14、率由列車(chē)通過(guò)后殘留的自由振動(dòng)波形通過(guò)頻譜分析求得；由（12）式進(jìn)行恒載大小的估算： （12）式中：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度梁重；彈性模量；慣性矩；n階固有振動(dòng)頻率（Hz）；振動(dòng)階數(shù)；梁的跨長(zhǎng)；重力加速度，為980。由（13）式估算恒載撓度： （13）式中：恒載引起的撓度；n階固有振動(dòng)頻率（Hz）；振動(dòng)階數(shù)。四、修補(bǔ)和加固（一）補(bǔ)修設(shè)計(jì)的基本注意事項(xiàng)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害并導(dǎo)致承載能力的降低，必須恢復(fù)其承載能力，要明確劃分修補(bǔ)和加固之間的界限是很難的。補(bǔ)修設(shè)計(jì)必須考慮結(jié)構(gòu)對(duì)象損傷的種類(lèi)、損傷原因、損傷程度、施工方法和補(bǔ)修后的效果，難以用同意的模式規(guī)定補(bǔ)修合計(jì)是否恰當(dāng)，但基本注意事項(xiàng)如下：注意強(qiáng)度是否滿足要求。由于局部

15、補(bǔ)強(qiáng)，使原結(jié)構(gòu)體系、應(yīng)力分布和應(yīng)力傳遞途徑發(fā)生變化，在計(jì)算上往往要從不同角度進(jìn)行分析；注意是否帶來(lái)其它新的問(wèn)題。如更換局部構(gòu)件，應(yīng)考慮影響范圍。局部加固將使重量增加，注意對(duì)下部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和對(duì)其它構(gòu)件的影響，以及是否造成應(yīng)力集中等；設(shè)計(jì)必須考慮施工方法。不中斷交通進(jìn)行補(bǔ)修作業(yè)時(shí)，需要在交通荷載作用下和振動(dòng)狀態(tài)下施工，設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行充分的研究，如鋼材現(xiàn)場(chǎng)焊接、構(gòu)件切割等施工質(zhì)量問(wèn)題。此外，由于作業(yè)空間和作業(yè)時(shí)間制約，作業(yè)方式、加固構(gòu)件大小等問(wèn)題均需研究；注意是否經(jīng)濟(jì)；注意補(bǔ)修后的美觀。（二）鋼橋的修補(bǔ)及加固1、涂裝維修涂裝維修在鋼橋維修中占有重要地位，這一方面是由于涂裝費(fèi)用在鋼橋維修管理費(fèi)中占很大比例，更因?yàn)殇摬母g將直接削弱構(gòu)件斷面，導(dǎo)致承載力降低，涂裝還是鋼橋影響外觀的著裝。更換涂裝的壽命周期和涂裝設(shè)計(jì)根據(jù)環(huán)境、橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件、涂料及其配套體系、涂裝工藝和涂料價(jià)格確定。鐵路鋼橋涂膜最易劣化部位是橋面系機(jī)車(chē)通過(guò)的上方構(gòu)件（尤其是縱梁上翼緣）、節(jié)點(diǎn)和支座處、板件棱角和螺栓處，這些部位的涂裝應(yīng)予特別關(guān)注，如縱梁上翼緣，因積水、受磨、及化學(xué)腐蝕，應(yīng)采用超厚膜涂裝體系：熱噴鋅+玻璃鱗片漆。2、補(bǔ)強(qiáng)及加