連續鋼桁梁橋節點板更換效果評價

肖 嘯

(中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司,江蘇 南京 210032)

鋼結構橋梁由于其良好的跨越能力以及使用功能，在鐵路橋梁上被廣泛使用。伴隨著鐵路運輸能力的不斷加大，部分鋼結構橋梁相繼出現了病害，例如支座破壞，橫向晃動，預拱度下降，節點板螺栓折斷以及節點板開裂。其中，鋼桁架節點在長期重載、振動、疲勞等作用下出現了螺栓折斷以及節點板開裂[1]。但在現有的研究中由于螺栓折斷情況較多，針對螺栓折斷情況進行了大量的研究[2-5]，對節點板開裂原因進行深入分析的較少。本文以滬昆線某橋節點板開裂為工程背景，對開裂原因進行分析，針對節點板病害情況提出了更換方案，為其他橋梁類似病害整治提供參考。

1 工程概況

滬昆線某橋位于湖南省婁底市境內，橋梁全長265 m，于1998年開工，1999年建成通車，見圖1。目前橋梁正常運營已經近20年。主跨為2×60 m單線鐵路栓焊下承式鋼桁連續梁。主桁采用帶豎桿的三角形桁式，桁高11 m，主桁中心距5.75 m，縱向兩側端節間長度為4 m，其余節間長8 m。主桁桿件均采用H形截面，桿件寬460 mm，最大板厚20 mm。弦桿小節點通長，大節點拼接。兩側邊跨均為2×32 m預應力混凝土簡支梁。

圖1 橋梁立面布置(單位：m)

2016年4月，在每日例行檢查中，檢查人員發現中支承E8節點處節點板出現裂縫，如圖2所示，管理人員立即在裂紋端部位置鉆了止裂孔。

圖2 連續梁及中墩(單位：m)

2 節點板裂縫

2.1 裂縫產生原因

為了分析節點板病害產生的原因，對現場節點板進行了檢查并對節點板面內、面外變形情況進行了測量,量測情況見表1(節點板左下角為xy坐標原點)，主桁E8節點板及相接桿件測量數據對應的形狀如圖3 所示。

通過病害量測現將橋梁病害詳細描述如下：①主桁腹桿A7E8因制造誤差，下弦端寬度增加4 mm；②主 桁豎桿A8E8因制造誤差，下弦端寬度增加3 mm；③主桁腹桿A7′E8因制造誤差，下弦端寬度增加1 mm；④主桁E8節點左下弦桿腹板單側變長3 mm，另外一側減小1 mm。

表1 外側節點板面外z向變形數據 mm

圖3 E8節點板及相接桿件測量數據(單位：mm)

對于節點板處發生的裂縫問題，可以確定為因桿件本身尺寸發生變化對節點板產生附加內力，造成外側節點板開裂。

2.2 橋梁病害計算分析

根據計算結果，E7E8,E7′E8主桁桿件在不同荷載組合下的軸力為(拉力為正，壓力為負)：

1)恒載組合下，軸力為-273.5 kN;

2)活載最小組合，軸力為-1 060.8 kN;

3)恒載+活載最小組合下軸力為-1 334.3 kN。

為分析節點板產生病害的原因是否為結構本身尺寸發生變化對節點板產生的附加內力，采用大型通用有限元分析軟件MIDAS FEA對病害節點板建立局部有限元分析模型。

因桿件制造誤差，通過對該節點板施加強制位移來模擬實際情況。左斜腹桿強制位移為4 mm，豎桿強制位移為3 mm，右斜腹桿強制位移為1 mm。

在強制位移作用下，其應力云圖如圖4所示。

圖4 E8節點板應力云圖(單位：MPa)

根據規范要求[6-9]，該節點板的容許彎曲應力為210 MPa。由圖4可知最大應力為 2 747.8 MPa，遠遠大于節點板的容許應力，此處節點板已經屈服，應力重分布。開裂位置為腹桿和下弦桿中間處節點板，此處位置與節點板實際裂縫較為統一，但是節點板仍然有4處潛在發生裂縫的位置，分布在節點板的大部分區域。

2.3 節點板整體更換

由于E8節點板已經出現了裂縫，節點板內的內應力已經發生了應力重分布，應力趨于均衡，但仍然不能確定裂縫是否會繼續擴展。為了徹底解決該節點板可能存在的問題，須對該節點板進行整體更換。

整體更換節點板主要步驟如下：

第1步，列車停止運營，利用千斤頂頂升E8中支承，直至支座脫空；第2步，在主桁腹桿腹板端部開槽，以減小主桁腹桿的剛度，降低桿件制造誤差帶來的影響；第3步，安裝臨時節點板，將原主桁結構連成整體，安裝好臨時節點板后，再拆除需要更換的節點板，待新節點板安裝完成后拆除臨時節點板，并對鉆孔位置填板和安裝補強板，進行補強恢復。節點板整體更換結構與原節點板保持一致。臨時節點板板厚12 mm，補強用拼接板板厚12 mm，臨時節點板安裝如圖5所示。

圖5 臨時節點板安裝示意(單位：mm)

3 節點板整體更換效果評價

為確保節點板更換后達到設計要求以及列車運行安全，對全橋進行了靜載試驗，重點檢測E8節點板以及與其相連接的桿件應力。靜載試驗荷載采用貨物載重試驗列車。經計算分析，靜載試驗列車編組采用2輛DF4機車+6輛C70滿載重車編組，DF4機車6軸，軸重23 t；C70滿載重車4軸,軸重23 t。編組列車滿布在2跨連續鋼梁上，第15#軸(相當于第一輛C70重車的第3軸)位于E7位置。靜載試驗加載輪位布置見圖6。靜載試驗的關鍵數據見表2和表3。

圖6 靜載試驗加載輪位布置(尺寸單位：m)

表2 靜載試驗主桁相關桿件應力

表3 靜載試驗應變花測點應力 MPa

由表2可知更換節點板的斜桿與未更換節點板下游斜桿應力比較接近，校驗系數均在規范通常值范圍內。由表3可知上游側E8節點板應力較下游側未更換節點板的應力大，原因是E8節點板處連接鋼桁梁存在制作誤差，雖在更換過程中釋放了部分應力，減少了制造誤差產生的次應力，但與下游側無制作誤差的桿件節點應力相比還是大一些，但均在設計規范范圍內。靜載試驗結果表明在對上游側E8號節點板進行更換后，經過近1年時間的運營，未見明顯的行車異常，節點板及桁架受力合理，說明更換后節點板參與結構作用的效果明顯，能夠滿足列車正常運營的要求。

4 結論

1)與節點板連接的鋼桁梁桿件尺寸存在制作誤差，產生附加內力，造成外側節點板開裂。

2)根據測量數據并利用有限元軟件對節點板進行了計算分析，結果表明裂縫位置與實際位置較為吻合，表明裂縫產生的原因是結構制造誤差引起。

3)根據計算結果知節點板仍有4處潛在裂縫，由此提出了更換節點板的方案，更換完成后對全橋進行了靜載試驗，重點對E8節點板進行了監測。試驗結果表明經過近1年時間的運營，未見明顯的行車異常，說明更換后節點板參與結構作用的效果明顯，能夠滿足列車正常運營的要求。