多跨連續鋼桁橋病害成因分析及加固整治方案研究

徐亞光

(中國鐵路成都局集團有限公司，四川成都 610031)

隨著我國鐵路運輸事業不斷發展，鐵路車輛的速度以及運量持續增加，一些早期修建的鐵路鋼桁橋已經出現不同程度病害。這些病害通常是因為早期的設計標準較低、材料加工工藝較差、施工架設技術不成熟以及后期缺乏養護維修，在日益繁忙的鐵路車輛荷載不斷作用下在一些局部區域出現疲勞裂縫。一般而言，大多數病害對于橋梁的整體承重能力影響較小，但是由于裂縫會持續發展，因此需要針對其進行加固維修。

目前，國內外許多學者針對鋼橋疲勞裂縫以及加固維修做了大量研究工作[1-4]。本文結合已有研究針對滬昆線南山河大橋—主跨3×64 m鐵路鋼桁連續梁橋病害進行分析研究。

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239.6 m，橋跨布置為(2×23.8+3×64) m，主跨為3×64 m鋼桁連續梁橋。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。行車方向為貴陽側至株洲側單線行車，在活動端距鋼梁端部6～8 m處軌道上鋪設有鋼軌伸縮調節器。大橋主要通過普通客貨車，運營機車主要有SS3型及和諧號等機型。

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個節間，各節間長度相等均為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，株洲端為活動支座，貴陽端為固定支座。

運營多年，活動端A1節點處出現了病害，主要包括：縱梁腹板與底板焊縫區域開裂、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，主要病害區域見圖2，A1節點處病害見圖3。

圖2 橋梁主要病害區域位置(單位:cm)

圖3 A1節點處病害示意

橋梁主要病害區域A1節點縱橫梁連接處是橋梁各個部件相互連接的地方，應力分布較為復雜，為較為準確的判斷病害出現的原因，借助通用有限元軟件ANSYS建立精細化的全橋有限元模型。同時為了減少計算量采用實體單元(Solid45)與梁單元(Beam188)相結合的形式。橋梁活動端第一跨梁、橫梁以及連接板采用實體單元建立模型；上弦桿、下弦桿、斜桿、上平縱聯、下平縱聯以及第二、三跨所有桿件都建立梁單元模型，實體單元與梁單元連接處采用剛性區法建立連接，支座約束按照實際情況施加。實體單元與梁單元的連接，在連接處應力分布可能跟實際情況有差異，但是連接點距離應力主要分析區域較遠，根據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計圖紙尺寸，模型共有306 288個實體單元，7 391個梁單元，478 640個節點，全橋共2 871 840個自由度，全橋有限元模型及局部細節如圖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《鐵路橋涵設計規范》“中活載”，動力系數取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 檢算應力

在實際情況中橋梁鋼材處于三向應力狀態，鋼梁強度檢驗一般是根據第四強度理論(形狀改變能量強度理論)得到換算應力，具體表達式見下式：

σmises=

南山河大橋主梁桿件材料為16Mnq鋼，根據《鐵路橋梁檢定規范》(2004)第5.1.1條規定，16Mnq鋼相當于Q345q鋼，軸向應力的檢定容許軸向應力為240 MPa。由于橋檢規中對于換算應力沒有明確的限值規定，因此參考TB 10091-2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》，鋼梁構件的換算應力限值為1.1[σ]，[σ]為容許軸向應力。

2.2 計算結果及病害成因分析

為分析南山河大橋病害成因，針對大橋的病害出現區域主要計算了三種工況。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節點處縱橫梁連接處縱梁產生最大負彎矩；第三種工況是荷載軸重作用于縱橫梁連接處正上方。

計算結果表明，第二種工況的A1節點縱橫梁連接處縱梁產生最大負彎矩時，病害區域的應力水平最高。各個桿件具體應力水平見圖5～圖7所示，從圖5可看出縱梁最大換算應力出現在縱橫梁連接處，最大應力為106 MPa，比容許值小很多，但是最大應力出現區域與實際縱梁病害區域裂縫發展方向一致。圖6給出連接板的換算應力云圖，連接板最大換算應力出現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基本吻合，最大換算應力有205 MPa，比容許應力值小，但是與容許應力值較為接近。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力，大小為205 MPa，其大小已經接近規范限值；橫梁上翼緣最大壓應力為620 MPa，已經遠遠超過限值。

圖5 縱梁換算應力云圖(單位:Pa)

圖6 縱橫梁連接板換算應力云圖(單位:Pa)

圖7 橫梁豎向應力(σz)云圖(單位:Pa)

圖5～圖7中的應力均是在簡化模型下計算得到的，跟實際情況應力值相比應該有一定差距，特別是對于橫梁上翼緣壓應力值，但根據計算得到的應力分布可分析得到病害出現的原因。結合全橋目前的實際情況分析可知：

(1)在病害出現前，縱梁應力分布水平較小，說明縱梁裂縫是在其他病害出現后應力重分布產生的。

(2)連接板的最大換算應力達到205 MPa，已經接近規范限值，考慮連結板上的螺栓孔可能導致應力集中，因此連結板有可能是由于應力水平過大而產生裂縫；在不考慮偏心荷載作用等特殊情況，橋梁上下游側是對稱結構，下游側連接板沒有出現裂縫可知，連結板出現裂縫很可能是由于連結板本身有一些初始裂紋或缺陷。

(3)對于橫梁而言，計算出的豎向壓應力已經超過規范限值，說明橫梁與連接板連接處很可能有較大的應力集中，導致橫梁被壓變形，在列車荷載長期作用下而出現較大損傷。

(4)對于加勁肋與橫梁上翼緣的焊縫脫落，從計算結果可以看出，連接處的拉應力較大且已經接近規范的容許限值；結合橋梁的實際情況可知該問題在整個橋梁上多地出現；并且由于此處焊接時很可能是采用“仰焊”，焊接質量可能也有缺陷。

2.3 主要加固措施

在分析完病害出現原因，利用已有的研究成果，并結合目前裂縫實際的發展情況，對病害區域采用了一系列加固措施。縱梁病害是在其他構件病害發生后應力重分布出現，但由于目前縱梁裂縫正在發展，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，增強連接板與縱、橫梁的連接，這樣既增強了連接板的強度也減小了橫梁上翼緣的應力集中程度。

橫梁上翼緣表面損傷主要是由于應力集中，并且在變形后列車荷載長期反復作用下而出現較大損傷，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整個連接部位應力分布的影響。

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各增加一塊加勁肋，既減少了橫梁上翼緣的應力集中也減小加勁肋與橫梁上翼緣連接處的拉應力。在維修加固過程中嚴格保證材料的質量以及焊接施工質量。病害區域在維修加固完成后如圖 8所示。

圖8 病害區域維修加固后現狀

3 現場試驗

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

圖9 角鋼測試點布置

圖10 工字鋼測點布置示意

在過路貨車車輛作用下，A1節點附近縱橫梁在加固前后應力測試結果如表1所示，從表中可以看出：

表1 加固前后應力測試對比結果 MPa

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

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

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

圖11 主要測試點布置

4 結論

本文針對滬昆線南山河大橋多跨連續鋼桁橋主要病害問題，利用通用有限元軟件ANSYS建立了實體與梁單元相結合的精細化有限元模型對病害成因進行了分析；根據病害成因以及鋼梁裂縫的實際發展情況提出了一套實際可行的加固方案；最后通過現場試驗證明了加固方案的有效性。主要結論如下：

(1)南山河大橋四種主要病害出現的原因各不相同，分別為：縱梁腹板與底板焊縫開裂主要是在其他病害發生后，應力發生重分布而導致的；連接板開裂的原因主要是因為連接板本身可能存在初始缺陷，并且在螺栓孔周圍有應力集中現象；橫梁上翼緣損傷主要是因為應力集中導致，在列車荷載不斷作用下損傷面加大；橫梁加勁肋與橫梁頂板焊縫開裂可能是因為該區域拉應力較大并且焊接質量不高。

(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，并在原加勁肋兩側各增加一塊加勁肋；在施工過程中嚴格控制材料與焊接質量。

(3)現場試驗表明：加固后橫梁頂板應力減小，應力分布更為均勻；縱梁上游側與下游側應力相當且分布規律相同；加固角鋼應力在10 MPa左右，表明其在縱梁端部起到一定作用。

(4)希望本文對日后同類型橋梁的維修加固有一定參考作用。