淺述梁縫間落砟對鐵路混凝土橋梁承載能力的影響

劉廷偉

（重慶市勘測院 重慶 401121）

1 概況

混凝土橋梁由于具有造價低、使用壽命長、維修工作量小等優點，在世界各國鐵路、公路橋梁建造中得到廣泛的應用。混凝土橋梁是鐵路橋梁的主要形式，隨著鐵路新線建設鐵路橋梁數量的不斷增加及服役時間的增長、鐵路運量、軸重、速度和密度不斷增長，鐵路橋梁的養護工作量也勢必隨之增加，鐵路橋梁養護部門對鐵路混凝土橋梁主要病害如梁體裂紋、混凝土劣化、鋼筋銹蝕、預應力損失、線梁偏心等對梁體承載能力影響已經有了較多的認識。然而對鐵路混凝土橋梁梁縫間落砟這一常見病害對橋梁承載能力的影響認識的比較少，國內也無相關文獻和資料對于梁縫間道砟對梁體承載能力影響做過論述和分析。

圖1 某橋橋臺與梁端梁縫間掉落的道砟病害

梁縫間落砟這一常見病害經常發生在中小跨度的鐵路混凝土橋梁，本身設計梁縫較小，再加上基礎地質不良引發的墩臺位移導致梁縫間距減小，使得在該處容易積聚橋面落砟，梁縫間的掉落過多道砟不僅改變梁端混凝土所處環境，容易積聚水和灰塵，降低該處混凝土的耐久性，而且也影響梁體在溫度恒載作用下的正常自由伸縮及活載作用下的正常伸縮與轉動，本文對鐵路混凝土橋梁梁縫間落砟對梁體的影響進行理論算分析，并與8m板梁靜載試驗結果相結合進行分析敘述。以使鐵路橋梁養護部門的對這一鐵路橋梁常見病害引起足夠的重視，圖1中2張照片為某既有線上2座鐵路混凝土橋梁梁縫間落砟病害。

2 理論分析

理論計算采用MIDAS橋梁結構分析軟件，計算模型中采用橋梁為專橋（88）1024定型圖中8m跨度板梁，橋梁支座采用弧形鋼支座的板梁為計算對象，為方便分析，考慮如下：

（1）由于梁縫間道砟在梁截面中性軸高度以上時，在活載作用下對梁體底面彎曲伸長的約束很小，即道砟受力很小或不受力，對梁體約束很小，因此本文為計算方便，假設梁縫中道砟處于梁截面梁底高度位置。

（2）在活載作用下，梁縫間的道砟可以部分限制梁端轉角，從而減小梁體跨中彎矩和增加梁端負彎矩，由于落砟對橋梁轉角約束剛度較難取值，故對其轉角進行約束后計算分析。

（3）在溫度荷載作用下，梁體是全截面整體伸縮，故梁縫間的道砟所處位置對引起梁體的軸壓力大小關系不大，產生彎矩大小與梁縫中道砟處于梁截面梁底高度位置有關，在中性軸以上會使梁截面產生負彎矩，在中性軸處梁截面不產生彎矩，在中性軸以上梁截面產生正彎矩。

圖2 簡化的理論計算模型

（4）假設單個道砟尺寸按5cm×5cm×5cm來計算，計算得到其彈性剛度為1.25×106kN/m。

圖3 在中-活載作用下，正常約束梁彎矩圖

梁縫間落砟對活載彎曲引起伸長約束采用在活動端施加彈性約束來模擬，分別計算在中-活載及溫度荷載作用下梁縫間存在有1粒、5粒、10粒道砟對梁體梁端截面內力、跨中截面內力及撓度的影響。簡化計算模型如圖2所示，計算結果的彎矩圖對比如圖3～圖6所示，表1、表2為梁縫間道砟對8m梁內力及撓度的影響分析計算結果。

圖4 在中-活載作用下，活動端限制轉角彎矩圖

圖5 在中-活載作用下，梁縫間存在道砟（1粒）彎矩圖

圖6 在中-活載作用下，梁縫間存在道砟（10粒）彎矩圖

表1 在中-活載作用下，梁縫間道砟對8m梁內力及撓度的影響計算結果

表2 在溫度荷載作用下，梁縫間道砟對8m梁內力影響計算結果

從以表1、表2中的理論計算結果可以看出：

（1）在中-活載作用下，由于梁縫間落砟可以部分限制梁體的轉動和梁底截面的伸長，因此可以減小梁體跨中彎矩、撓度，但同時也增加梁體軸向壓力和梁端的負彎矩，如表1中梁縫間存在10粒道砟將會使梁端產生281.2kN.m的負彎矩，然而在簡支梁梁端附近截面通常只配置相對少量從底面彎起的鋼筋，因此在如此大的負彎矩作用下，梁端附近一定范圍內截面承載能力不滿足要求，上翼緣出現過大拉應力而開裂，破壞橋面防水層及混凝土保護層，且由于截面配筋少，出現裂縫寬度也相對較大，因此對梁體整體性和耐久性產生非常不利的影響。

（2）在溫度荷載作用下，梁縫間落砟會使梁體出現很大的軸壓力和負彎矩，經計算梁縫間存在10粒道砟對梁體可產生2158kN軸向壓力和863.2kN.m的負彎矩，2158kN軸向壓力這相當于對混凝土產生了1.4MPa壓應力，這對于那些承載能力由上翼緣頂面混凝土壓應力控制且本身承載系數接近于1的梁體，如叁標橋1024、專橋1010等，梁體承載系數將會進一步降低，以至于出現承載能力不能滿足設計要求的情況；梁端產生863.2kN.m的負彎矩，梁端附近截面承載能力不滿足要求，對梁體整體性和耐久性產生極不利的影響。

3 實例分析

既有線某橋上部結構為2-8.0m低高度鋼筋混凝土梁，圖號：叁標橋1024，設計荷載采用中-活載。支座采用弧形鋼支座，采用圓端形橋墩、T形橋臺。混凝土回彈測試結果表明，梁體混凝土強度滿足設計要求。我們對其進行了靜載試驗，測試跨中截面的應力和撓度，試驗加載采用1臺DF5D內燃機車，測試截面處彎矩加載效率系數為0.558。跨中截面撓度和應力測試結果如表3、表4所示。

表3 撓度測試結果

表4 梁底應力測試結果

從表3、表4中撓度和應力測試結果可以看出：

實測左右片梁跨中撓度分別為 2.00mm、2.10mm，明顯小于同類型梁體測試結果，結構校驗系數分別為0.31、0.32，較《橋檢規》鋼筋混凝土梁撓度結構校驗系數0.55～0.65的通常值偏小；實測左右片梁梁底應力結構校驗系數分別為0.44、0.39，較《橋檢規》通常值0.55～0.65偏小。實測梁體跨中撓度及應力結構校驗系數均較《橋檢規》通常值偏小。以上可以說明理論計算的跨中彎矩和撓度值均偏小，實際橋梁邊界條件與理論計算時正常簡支梁模型存在差異，現場對該橋狀態檢查中發現測試橋孔與橋臺活動端梁縫間存在一些落砟，這就改變了梁體正常的邊界條件，對梁體在活載作用下的伸縮及轉動進行了部分限制，這就導致了靜載試驗中跨中截面的應力和撓度測試值偏小。

4 結論

通過以上理論計算和荷載試驗結果可知：

（1）在活載作用下，梁縫間道砟可以減小梁體跨中彎矩、撓度，有利于提高梁體的豎向剛度，然而同時也大大增加梁體軸向壓力和梁端的負彎矩，梁端一定范圍內出現的負彎矩對梁體受力及為不利，可使得梁端一定范圍內上翼緣出現過大拉應力而開裂，破壞橋面防水層及混凝土保護層，對梁體整體性和耐久性產生非常不利的影響，長此以往，將會對鐵路正常運營造成很大的安全隱患。

（2）在溫度荷載作用下，梁縫間道砟會使梁體出現很大的軸壓力和梁端負彎矩，軸壓力對混凝土產生了約相當大的初始壓應力，這對于那些承載能力由上翼緣頂面混凝土壓應力控制且本身承載系數接近于1的梁體，如叁標橋1024、專橋1010等，梁體承載系數將會進一步降低，以至于出現承載能力不能滿足設計要求的情況；梁端負彎矩出現使得梁端附近截面承載能力不滿足要求，對梁體整體性和耐久性產生極不利的影響。

5 結語

梁縫間道砟對梁體承載能力的影響的理論分析是個比較復雜問題，包括道砟軸向約束剛度的取值，轉角約束剛度道砟在梁縫高度分布影響等，本文對梁縫間道砟對梁體承載能力的影響程度盡可能多的進行考慮敘述，然而限于問題復雜、時間匆忙和本人知識有限，難免有許多不足之處，目的是使梁縫間落砟這一病害可以引起鐵路橋梁養護部門的足夠重視，在平時橋梁養護工作中，增加對梁縫間清潔的檢查，及時清除梁縫間落砟。另外，也要在此特別指出，橋梁支座由于銹蝕等原因引起的活動性差或者不活動對鐵路混凝土橋梁作用機理與梁縫間落砟對鐵路混凝土橋梁作用機理類似，同樣也會在梁端產生負彎矩。