多跨連續(xù)鋼桁橋病害成因分析及加固整治方案研究

徐亞光

(中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司，四川成都 610031)

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸事業(yè)不斷發(fā)展，鐵路車輛的速度以及運(yùn)量持續(xù)增加，一些早期修建的鐵路鋼桁橋已經(jīng)出現(xiàn)不同程度病害。這些病害通常是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、材料加工工藝較差、施工架設(shè)技術(shù)不成熟以及后期缺乏養(yǎng)護(hù)維修，在日益繁忙的鐵路車輛荷載不斷作用下在一些局部區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂縫。一般而言，大多數(shù)病害對(duì)于橋梁的整體承重能力影響較小，但是由于裂縫會(huì)持續(xù)發(fā)展，因此需要針對(duì)其進(jìn)行加固維修。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)鋼橋疲勞裂縫以及加固維修做了大量研究工作[1-4]。本文結(jié)合已有研究針對(duì)滬昆線南山河大橋—主跨3×64 m鐵路鋼桁連續(xù)梁橋病害進(jìn)行分析研究。

1 橋梁概況及有限元模型建立

南山河大橋修建于1972年，橋梁全長(zhǎng)239.6 m，橋跨布置為(2×23.8+3×64) m，主跨為3×64 m鋼桁連續(xù)梁橋。橋梁橋跨布置如圖1所示，主橋部分為明橋面木枕，采用K型扣件。行車方向?yàn)橘F陽側(cè)至株洲側(cè)單線行車，在活動(dòng)端距鋼梁端部6～8 m處軌道上鋪設(shè)有鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。大橋主要通過普通客貨車，運(yùn)營(yíng)機(jī)車主要有SS3型及和諧號(hào)等機(jī)型。

圖1 南山河大橋橋跨布置示意

主橋桁式采用帶豎桿的華氏桁架，每跨8個(gè)節(jié)間，各節(jié)間長(zhǎng)度相等均為8 m，桁高8 m，主桁中心距均為5.75 m，縱梁中心距均為2 m，鋼梁采用輥軸支座，株洲端為活動(dòng)支座，貴陽端為固定支座。

運(yùn)營(yíng)多年，活動(dòng)端A1節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)了病害，主要包括：縱梁腹板與底板焊縫區(qū)域開裂、縱梁與橫梁間連接板開裂、橫梁上翼緣板上表面損傷、橫梁加勁肋與上翼緣板焊縫開裂，主要病害區(qū)域見圖2，A1節(jié)點(diǎn)處病害見圖3。

圖2 橋梁主要病害區(qū)域位置(單位:cm)

圖3 A1節(jié)點(diǎn)處病害示意

橋梁主要病害區(qū)域A1節(jié)點(diǎn)縱橫梁連接處是橋梁各個(gè)部件相互連接的地方，應(yīng)力分布較為復(fù)雜，為較為準(zhǔn)確的判斷病害出現(xiàn)的原因，借助通用有限元軟件ANSYS建立精細(xì)化的全橋有限元模型。同時(shí)為了減少計(jì)算量采用實(shí)體單元(Solid45)與梁?jiǎn)卧?Beam188)相結(jié)合的形式。橋梁活動(dòng)端第一跨梁、橫梁以及連接板采用實(shí)體單元建立模型；上弦桿、下弦桿、斜桿、上平縱聯(lián)、下平縱聯(lián)以及第二、三跨所有桿件都建立梁?jiǎn)卧Ｐ停瑢?shí)體單元與梁?jiǎn)卧B接處采用剛性區(qū)法建立連接，支座約束按照實(shí)際情況施加。實(shí)體單元與梁?jiǎn)卧倪B接，在連接處應(yīng)力分布可能跟實(shí)際情況有差異，但是連接點(diǎn)距離應(yīng)力主要分析區(qū)域較遠(yuǎn)，根據(jù)圣維南原理可知是合理的。

橋梁有限元模型所有尺寸均參考設(shè)計(jì)圖紙尺寸，模型共有306 288個(gè)實(shí)體單元，7 391個(gè)梁?jiǎn)卧?78 640個(gè)節(jié)點(diǎn)，全橋共2 871 840個(gè)自由度，全橋有限元模型及局部細(xì)節(jié)如圖4所示。重力加速度取9.8 m/s2，橋梁二期恒載近似采用1 000 kg/m。外荷載采用TB 10002-2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》“中活載”，動(dòng)力系數(shù)取1+μ=1+28/(40+L)。

(a)全橋有限元模型

(b)縱橫梁連接處局部有限元模型圖4 有限元模型

2 病害成因分析及維修加固

2.1 檢算應(yīng)力

在實(shí)際情況中橋梁鋼材處于三向應(yīng)力狀態(tài)，鋼梁強(qiáng)度檢驗(yàn)一般是根據(jù)第四強(qiáng)度理論(形狀改變能量強(qiáng)度理論)得到換算應(yīng)力，具體表達(dá)式見下式：

σmises=

南山河大橋主梁桿件材料為16Mnq鋼，根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(2004)第5.1.1條規(guī)定，16Mnq鋼相當(dāng)于Q345q鋼，軸向應(yīng)力的檢定容許軸向應(yīng)力為240 MPa。由于橋檢規(guī)中對(duì)于換算應(yīng)力沒有明確的限值規(guī)定，因此參考TB 10091-2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，鋼梁構(gòu)件的換算應(yīng)力限值為1.1[σ]，[σ]為容許軸向應(yīng)力。

2.2 計(jì)算結(jié)果及病害成因分析

為分析南山河大橋病害成因，針對(duì)大橋的病害出現(xiàn)區(qū)域主要計(jì)算了三種工況。第一種工況是使得主橋第一跨豎向撓度最大；第二種工況是使得A1節(jié)點(diǎn)處縱橫梁連接處縱梁產(chǎn)生最大負(fù)彎矩；第三種工況是荷載軸重作用于縱橫梁連接處正上方。

計(jì)算結(jié)果表明，第二種工況的A1節(jié)點(diǎn)縱橫梁連接處縱梁產(chǎn)生最大負(fù)彎矩時(shí)，病害區(qū)域的應(yīng)力水平最高。各個(gè)桿件具體應(yīng)力水平見圖5～圖7所示，從圖5可看出縱梁最大換算應(yīng)力出現(xiàn)在縱橫梁連接處，最大應(yīng)力為106 MPa，比容許值小很多，但是最大應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域與實(shí)際縱梁病害區(qū)域裂縫發(fā)展方向一致。圖6給出連接板的換算應(yīng)力云圖，連接板最大換算應(yīng)力出現(xiàn)在連接板與橫梁上翼緣板邊緣接觸的地方，跟連接板裂縫起始點(diǎn)基本吻合，最大換算應(yīng)力有205 MPa，比容許應(yīng)力值小，但是與容許應(yīng)力值較為接近。橫梁的破壞為橫梁上翼緣壓壞，加勁肋與橫梁上翼緣板焊縫脫落，因此主要給出了其豎向應(yīng)力(σz)云圖如圖7所示，從圖中可以看出加勁肋與橫梁上翼緣連接處主要為拉應(yīng)力，大小為205 MPa，其大小已經(jīng)接近規(guī)范限值；橫梁上翼緣最大壓應(yīng)力為620 MPa，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過限值。

圖5 縱梁換算應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖6 縱橫梁連接板換算應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖7 橫梁豎向應(yīng)力(σz)云圖(單位:Pa)

圖5～圖7中的應(yīng)力均是在簡(jiǎn)化模型下計(jì)算得到的，跟實(shí)際情況應(yīng)力值相比應(yīng)該有一定差距，特別是對(duì)于橫梁上翼緣壓應(yīng)力值，但根據(jù)計(jì)算得到的應(yīng)力分布可分析得到病害出現(xiàn)的原因。結(jié)合全橋目前的實(shí)際情況分析可知：

(1)在病害出現(xiàn)前，縱梁應(yīng)力分布水平較小，說明縱梁裂縫是在其他病害出現(xiàn)后應(yīng)力重分布產(chǎn)生的。

(2)連接板的最大換算應(yīng)力達(dá)到205 MPa，已經(jīng)接近規(guī)范限值，考慮連結(jié)板上的螺栓孔可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此連結(jié)板有可能是由于應(yīng)力水平過大而產(chǎn)生裂縫；在不考慮偏心荷載作用等特殊情況，橋梁上下游側(cè)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，下游側(cè)連接板沒有出現(xiàn)裂縫可知，連結(jié)板出現(xiàn)裂縫很可能是由于連結(jié)板本身有一些初始裂紋或缺陷。

(3)對(duì)于橫梁而言，計(jì)算出的豎向壓應(yīng)力已經(jīng)超過規(guī)范限值，說明橫梁與連接板連接處很可能有較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致橫梁被壓變形，在列車荷載長(zhǎng)期作用下而出現(xiàn)較大損傷。

(4)對(duì)于加勁肋與橫梁上翼緣的焊縫脫落，從計(jì)算結(jié)果可以看出，連接處的拉應(yīng)力較大且已經(jīng)接近規(guī)范的容許限值；結(jié)合橋梁的實(shí)際情況可知該問題在整個(gè)橋梁上多地出現(xiàn)；并且由于此處焊接時(shí)很可能是采用“仰焊”，焊接質(zhì)量可能也有缺陷。

2.3 主要加固措施

在分析完病害出現(xiàn)原因，利用已有的研究成果，并結(jié)合目前裂縫實(shí)際的發(fā)展情況，對(duì)病害區(qū)域采用了一系列加固措施。縱梁病害是在其他構(gòu)件病害發(fā)生后應(yīng)力重分布出現(xiàn)，但由于目前縱梁裂縫正在發(fā)展，因此需要維修加固。主要方案是將縱梁腹板與下翼緣開裂的焊縫清理后重新采用雙面焊，并且在縱梁腹板與底板連接處兩側(cè)分別用螺栓連接了兩塊角鋼；這一處理方法保證了裂縫不再延伸，并且加大了縱梁的局部承載能力。

連接板的破壞主要是由于連接板本身存在缺陷或初始裂縫，因此主要是將已有連接板換掉，并采用一塊尺寸更大的連接板，增強(qiáng)連接板與縱、橫梁的連接，這樣既增強(qiáng)了連接板的強(qiáng)度也減小了橫梁上翼緣的應(yīng)力集中程度。

橫梁上翼緣表面損傷主要是由于應(yīng)力集中，并且在變形后列車荷載長(zhǎng)期反復(fù)作用下而出現(xiàn)較大損傷，處理方式為采用新材料將壓壞的部位填平并打磨順滑，這樣處理可以防止橫梁上翼緣損傷對(duì)整個(gè)連接部位應(yīng)力分布的影響。

加勁肋與橫梁上翼緣的焊縫脫落問題則是將已有焊縫打磨，采用雙面焊重新焊接，并且在已有的加勁肋兩側(cè)各增加一塊加勁肋，既減少了橫梁上翼緣的應(yīng)力集中也減小加勁肋與橫梁上翼緣連接處的拉應(yīng)力。在維修加固過程中嚴(yán)格保證材料的質(zhì)量以及焊接施工質(zhì)量。病害區(qū)域在維修加固完成后如圖 8所示。

圖8 病害區(qū)域維修加固后現(xiàn)狀

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證加固方案是可行有效的，在加固前與加固后對(duì)病害區(qū)域及附近桿件動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，主要試驗(yàn)荷載為過路車—HDX1牽引的貨車車輛。首先為說明加固角鋼是有效的，在其上對(duì)稱布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖 9所示。其次，為保證加固方案對(duì)整個(gè)病害區(qū)域的應(yīng)力分布有利，在縱橫梁上共布置了28個(gè)測(cè)點(diǎn)：在縱梁Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ斷面每個(gè)工字梁的翼緣側(cè)面均布置有測(cè)點(diǎn)，共16個(gè)測(cè)點(diǎn)，工字梁翼緣四個(gè)測(cè)點(diǎn)布置位置如圖10所示；在橫梁Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ斷面工字梁翼緣側(cè)面共布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)。整個(gè)病害區(qū)域共布置有30個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖11)。

圖9 角鋼測(cè)試點(diǎn)布置

圖10 工字鋼測(cè)點(diǎn)布置示意

在過路貨車車輛作用下，A1節(jié)點(diǎn)附近縱橫梁在加固前后應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表1所示，從表中可以看出：

表1 加固前后應(yīng)力測(cè)試對(duì)比結(jié)果 MPa

(1)加固后A1節(jié)點(diǎn)處橫梁上游側(cè)(Ⅴ—Ⅴ斷面)、下游側(cè)(Ⅲ—Ⅲ斷面)、跨中(Ⅳ—Ⅳ斷面)最大壓應(yīng)力分別為-131.46 MPa、-73.71 MPa、-102.90 MPa。相比加固前，橫梁上游側(cè)頂板最大壓應(yīng)力減小53.54 MPa，表明加固后縱梁和橫梁有效連接，橫梁上翼緣局部應(yīng)力集中現(xiàn)象有所緩解，橫梁受力趨于均勻。

(2)加固后A0、A1節(jié)間上游側(cè)、下游側(cè)縱梁跨中斷面應(yīng)力水平相當(dāng)且分布規(guī)律相同，均是底板受拉、頂板受壓；加固后上游側(cè)、下游側(cè)縱梁端部頂板均受拉、底板均受壓，且應(yīng)力水平相當(dāng)。

(3)上游側(cè)縱梁加固角鋼所受最大壓應(yīng)力分別為-9.66 MPa、-13.65 MPa，表明其在縱梁端部起到一定作用。

圖11 主要測(cè)試點(diǎn)布置

4 結(jié)論

本文針對(duì)滬昆線南山河大橋多跨連續(xù)鋼桁橋主要病害問題，利用通用有限元軟件ANSYS建立了實(shí)體與梁?jiǎn)卧嘟Y(jié)合的精細(xì)化有限元模型對(duì)病害成因進(jìn)行了分析；根據(jù)病害成因以及鋼梁裂縫的實(shí)際發(fā)展情況提出了一套實(shí)際可行的加固方案；最后通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了加固方案的有效性。主要結(jié)論如下：

(1)南山河大橋四種主要病害出現(xiàn)的原因各不相同，分別為：縱梁腹板與底板焊縫開裂主要是在其他病害發(fā)生后，應(yīng)力發(fā)生重分布而導(dǎo)致的；連接板開裂的原因主要是因?yàn)檫B接板本身可能存在初始缺陷，并且在螺栓孔周圍有應(yīng)力集中現(xiàn)象；橫梁上翼緣損傷主要是因?yàn)閼?yīng)力集中導(dǎo)致，在列車荷載不斷作用下?lián)p傷面加大；橫梁加勁肋與橫梁頂板焊縫開裂可能是因?yàn)樵搮^(qū)域拉應(yīng)力較大并且焊接質(zhì)量不高。

(2)主要維修加固方案：縱梁腹板與底板焊縫開裂通過打磨清理重新焊接，并在底板與腹板位置處通過螺栓連接角鋼；連接板開裂則用一塊尺寸更大的連接板代替；采用新材料填補(bǔ)橫梁上翼緣損傷并打磨光滑；橫梁加勁肋與頂板焊縫開裂主要通過重新焊接，并在原加勁肋兩側(cè)各增加一塊加勁肋；在施工過程中嚴(yán)格控制材料與焊接質(zhì)量。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：加固后橫梁頂板應(yīng)力減小，應(yīng)力分布更為均勻；縱梁上游側(cè)與下游側(cè)應(yīng)力相當(dāng)且分布規(guī)律相同；加固角鋼應(yīng)力在10 MPa左右，表明其在縱梁端部起到一定作用。

(4)希望本文對(duì)日后同類型橋梁的維修加固有一定參考作用。