解析鐵路預應力連續梁橋病害整治及荷載試驗

張永宏

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

在大量人力、物力和政策的支持下，鐵路設施建設空間得以有效優化，鐵路預應力連續梁橋對于交通基礎設施建設和交通系統完善具有重要意義，深入分析鐵路預應力連續梁橋的主要病害，并進行針對性治理，有助于優化鐵路建設環境，保障鐵路工程施工質量和運營穩定性。

1 工程概況

鐵路西環東湖橋位于某市西環線東湖左側，橋梁全長150.1 m，為直線橋，設計速度為120 km/h，設計為4孔后張法預應力C50混凝土連續箱型二次拋物線曲面梁，全橋共有3個橋墩、2個橋臺，墩基為Ф3.5 m獨樁基礎，墩身直徑2.5 m，樁柱分別長19 m、19 m和21 m，T形橋臺，群樁4根Ф1.25 m，長度10 m，預留鐵路西環東湖連續梁橋立面布置如圖1所示。工程分布于亞熱帶季風氣候區，雨量充沛，四季分明，該地區平均氣溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫分別為17 ℃、41.7 ℃和-18 ℃，年平均降水量、年最大降水量分別為1483 mm和2133.7 mm，降水集中在每年的4～6月，受臺風影響，伴有暴雨。另外，該地區平均無霜期為200～243 d，東湖橋水流流向自西向東，源短流急，洪水漲落較快，持續時間較短，年內水位變化大，屬山溪性河流區內地下水類型，主要有第四系全新統砂礫石孔隙潛水及基巖裂隙潛水。

2 鐵路預應力連續梁橋主要病害

圖1 預留鐵路西環東湖連續梁橋立面布置

為保證鐵路西環東湖橋的運行穩定性和工程質量，在工程竣工后一段時間內對工程進行質量檢測，檢驗結果表明該連續梁橋存在梁橋支座傾斜、限位工字鋼與支座墊石抵死、橋臺抗擋塊開裂、梁體偏移等病害，其中，橋梁支座傾斜病害表現為橋臺盆式支座遠離欄桿側落空4～4.5 mm，靠近欄桿側支座有壓縮痕跡，支座變形1～2 mm，兩體傾斜現象導致橋梁支座傾斜，目前該橋梁存在單點支撐現象，支座落空和支座左側傾斜數量分別為1個和4個，傾斜角度（1～2）°。梁體傾斜導致的限位工字鋼與支座墊石抵死現象對限位工字鋼結構穩定性具有不良影響。為有效保證工程運營穩定型，需對限位工字鋼的構件穩定性和螺栓嵌入性進行深度檢驗。橋臺抗震擋塊開裂病害來源于主梁與4#橋臺左側抗震擋塊抵死，目前開裂長度約為1.2 m，對鐵路西環東湖橋進行檢驗發現軌道中心與橋梁中心具有明顯的偏位現象：在實際質量檢驗中分別對0#臺、4#臺和中間位置進行偏位檢測，檢測結果顯示0#臺處、中間位置和4#臺處的偏差分別為+1、+1和+4，軌道中心與橋梁中心偏位如圖2所示。

3 鐵路預應力連續梁橋病害整治措施

深入分析病害規律可知工程施工問題、養護問題、收縮徐變影響都是造成鐵路預應力連續梁橋病害的主要因素，為使鐵路西環東湖橋具有較高的運行穩定性，需要按照質量要求進行病害整治，整治措施如下：

根據鐵路西環東湖橋的主要病害情況及病害程度增加隔梁及橫向聯系，可在西環線及西環二線之間加設鋼結構橫隔梁，鋼結構橫隔梁能夠通過連接西環線與西環二線使二者具有較高的整體性，加設8道鋼結構橫隔梁，能夠有效降低鐵路西環東湖橋橋面的應力，進而平衡橋梁支座的應力分布，避免出現橋梁支座傾斜現象。針對鐵路西環東湖橋現已出現的橋梁支座傾斜問題，可在西環線與西環二線橋橋面擋渣墻處每隔2 m增設2根橫向鋼筋，鋼筋間距和直徑分別為200 mm和28 mm，提高橋梁整體的抗傾覆能力。另外，采取橫向限位措施避免橋梁支座傾斜和橋梁梁體傾斜，可通過加設鋼墊板，以在鋼墊板上鋪設橡膠墊的方式隔離墻臺和擋塊，橡膠支座可以減緩行車荷載對橋梁支座的沖擊，避免限位工字鋼與支座墊石抵死以及限位工字鋼構件斷裂、固定螺栓被拔出。

圖2 軌道中心與橋梁中心偏位

4 鐵路預應力連續梁橋荷載試驗

4.1 機型參數及加載工況分析

針對鐵路西環東湖橋進行的荷載實驗主要為靜載實驗，可根據連續梁橋的力學特點進一步檢驗病害治理后工程的運行穩定性和工程的受力狀態，對機型參數和加載工況進行如下分析：

鐵路西環東湖橋梁靜載實驗主要采用Df4型機車作為實驗對象，Df4型機車在鐵路中的應用范圍較廣，主要參數包括裝機功率、標稱功率，分別為3300馬力/2430 kW、2160馬力/1920 kW，傳動方式為交直傳動，軸式為CO-CO，軸距和中心距分別為2×1800 mm和12 000 mm，整備質量、軸質量分別為128 t和23 t，該機車的轉軸效率為32.7%，最高速度、持續速度分別為100 km/h和21.9 km/h，啟動牽引力、持續牽引力分別為413.9 kN和302 kN。加載工況主要體現在4#臺支座、3#墩支座、2#墩支座、1#墩支座、0#臺支座最大支反力加載以及第4跨（邊跨）、第3跨（中跨）、第2跨（中跨）、第1跨（中跨）的最大正彎距加載，加載特征分別為后車前輪組越過伸縮縫、兩車對稱加載到3#墩、兩車對稱加載到2#墩、兩車對稱加載到1#墩以及前后車輪組停在伸縮縫內側、后車前輪組越過伸縮縫，兩車對稱加載到第3跨跨中加載、兩車對稱加載到第2跨跨中加載、前后車輪組停在伸縮縫內側，以機型參數和加載工況為基礎，在鐵路預應力連續梁橋荷載實驗中可完成支反力彎矩理論值及加載效率分析，支反力測試結果及截面撓度分析以及界面控制應力分析。

4.2 支反力、彎距理論值及加載效率分析

以4#臺支座、3#、2#、2#墩支座和0#臺支座為基礎，試驗荷載支反力分別為1035.4 kN、2760 kN、2760 kN、2760 kN和1035.4 kN，設計支反力分別為1233.4 kN、3113.5 kN、3251.2 kN、3113.5 kN和1233.4 kN，由此可知，加載效率分別為0.84、0.89、0.85、0.89和0.84，彎矩理論值及加載效率試驗結果主要以第4跨距梁端12 m、第3跨跨中、第2跨跨中、第1跨距梁端12 m為控制斷面，試驗荷載彎矩分別為4386.0 kN·m、6579.4 kN·m、6579.4 kN·m、4386.0 kN·m，設計彎矩分別為6516.8 kN·m、6919.3 kN·m、6919.3 kN·m、6516.8 kN·m，由此可知，第4跨距梁端12 m、第3跨跨中、第2跨跨中、第1跨距梁端12 m的加載效率分別為0.67、0.95、0.95和0.67，針對鐵路西線東湖橋采用的相關病害治理措施具有良好的治理效果，試驗結果中的支反力、彎矩理論值及加載效率可滿足質量要求[1]。

4.3 支反力測試結果及截面撓度分析

在靜載實驗中針對4#臺支座、3#、2#、1#墩支座和0#臺支座進行了支反力測試，測試結果表明墩臺支座左側加載沉降量分別為0.03 mm、0.23 mm、0.08 mm、0.29 mm和0.25 mm，墩臺右側加載沉降量為0.08 mm、0.31 mm、0.27 mm、0.15 mm和0.24 mm，試驗效率分別為0.84、0.89、0.85、0.89和0.84，根據支反力測試結果可知各支座沉降量相對較小，所有偏差控制在（0.01～0.19）mm，表明支座與主梁的連接性較好，病害治理措施具有明顯治理成效。為進一步校驗連續梁橋的穩定性，在荷載實驗中開展了截面撓度分析工作，在橋梁表面布設8個、4組測點，各組測點的撓度實測值分別為2.08 mm、2.14 mm、10.13 mm、10.51 mm、9.88 mm、10.87 mm、2.09 mm、2.3 mm，理論值分別為3.02 mm、3.02 mm、17.6 mm、17.60 mm、17.60 mm、17.60 mm、3.02 mm、3.02 mm，校驗系數分別為0.69、0.70、0.58、0.60、0.56、0.62、0.69、0.67。由此可知，校驗系數為0.56～0.17，各工況卸載歸零情況良好，表明在實驗荷載情況下，結構處于彈性工作狀態，結構剛度能夠滿足該工程的建設要求和質量要求[2]。

4.4 截面控制應力分析

為保證工程病害治理效果，針對鐵路西環東湖橋進行了控制截面應力實測值和計算值比較，以鐵路西環東湖橋為基礎，設定4組、8個控制截面應力測點，每組分別為底左側點和底右側點，實測應變值分別為21.1 με、18.7 με、66.9 με、65.4 με、92.1 με、90.5 με、59.0 με、61.3 με，理論值分別為72 με、72 με、145 με、145 με、145 με、145 με、72 με、72 με，校驗系數分別為0.29、0.26、0.46、0.45、0.62、0.82、0.82和0.85，由此可知，各測試截面均具有較高的應力抵抗能力，鐵路西環東湖橋在病害治理后的荷載作用下具有優良的彈性工作狀態，能夠滿足長期運行需求[3]。

5 結束語

當前鐵路預應力連續梁橋的合理施工和高質量建設能夠有效滿足應用需求，在鐵路工程設計施工中設計和施工人員應根據工程的地質情況、水文情況和施工環境、應力要求，合理優化結構設計，降低鐵路預應力連續梁橋病害的發生概率，保證工程的運營穩定性和使用安全。