貨運鐵路并置T梁結(jié)構(gòu)安全檢測及承載能力評定研究

高敏

（上海同濟檢測技術(shù)有限公司，上海市 200092）

0 引 言

某鐵路在長期運營中，木橋枕出現(xiàn)明顯磨損、開裂等嚴重劣化現(xiàn)象；同時為了配合線路升級改造，需要將一座典型重載鐵路橋梁上的木橋枕更換為混凝土橋枕，同時更換P60鋼軌，由此帶來橋梁結(jié)構(gòu)二期恒載的增加。鑒于該橋已開通運營30年，當前技術(shù)狀況及實際承載能力與成橋狀態(tài)相比有了一定的變化。為準確鑒定該橋當前的實際承載能力，通過對該橋的現(xiàn)場檢測，獲得主要混凝土構(gòu)件的表觀缺損、材質(zhì)特性、幾何形態(tài)參數(shù)、振動性能，并據(jù)此對該橋主要構(gòu)件進行劣化等級評定。同時根據(jù)該橋今后的實際荷載工況、當前材料特性，對其進行承載能力檢定，確定檢定承載系數(shù)K。

1 橋梁概況

該鐵路橋位于平原地區(qū)，正線全長72.274 km。線路為Ⅲ級支線。正線為單線，到發(fā)線有效長為850 m，有條件預留1 050 m。限制坡度為5‰，最小曲線半徑一般為600 m，困難地段400 m。采用43 kg/m、長25 m鋼軌，軌距為1.435 m。道床石碴厚20 cm，沙墊層厚20 cm。非滲水土壤路基寬6.2m。上部結(jié)構(gòu)采用32 m跨預應力混凝土T梁（標準圖：道碴橋面后張法預應力混凝土梁，叁標橋2019），圓端形橋墩（標準圖：道碴橋面鋼筋混凝土圓端形橋墩，叁橋4023），耳墻式橋臺（標準圖：道碴橋面鋼筋混凝土梁耳墻式橋臺，叁橋4024），沉井基礎(chǔ)（壹橋4203），設(shè)計荷載中-22級，百年一遇流量1 500 m3/s。1988年1月竣工通車（見圖1）。

圖1 橋梁側(cè)面及正面照

2 橋梁檢測結(jié)果

通過對該橋包含以下內(nèi)容的結(jié)構(gòu)檢測：外觀質(zhì)量檢測；T梁材質(zhì)無損檢測；橋梁幾何形態(tài)參數(shù)檢測；振動性能測試。

2.1 外觀質(zhì)量檢測

現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，上部結(jié)構(gòu)預應力混凝土T梁兩側(cè)翼緣板端部普遍存在鋼筋銹脹、混凝土剝落現(xiàn)象，個別T梁腹板局部有露筋現(xiàn)象。并置T梁通過橫隔梁連接，每孔共有9道橫隔梁，其中每道橫隔梁有上下兩根橫隔梁。T梁兩端1#、2#、8#、9#上橫隔梁普遍出現(xiàn)連接鋼板銹蝕、混凝土剝落，其中部分T梁的上橫隔梁呈現(xiàn)斷裂狀態(tài)，列車通過時，可見明顯錯位現(xiàn)象（見圖2～圖4）。

圖2 T梁翼緣板局部鋼筋銹脹

圖4 T梁橫隔梁斷裂

下部結(jié)構(gòu)中，墩臺整體狀況良好，個別墩臺局部有輕微鋼筋銹脹。橋梁采用搖軸支座，各支座表面普遍存在灰塵覆蓋。部分活動支座的防塵圍板銹蝕嚴重、固定螺栓銹蝕。橋梁兩側(cè)檢修道人行道板及橋墩檢修平臺混凝土板普遍銹脹嚴重，欄桿普遍銹蝕。橋面兩側(cè)的泄水管普遍銹蝕嚴重，伸出梁體翼緣板的部分大都銹蝕損壞。

通過外觀檢查結(jié)果可知該橋主要混凝土構(gòu)件工作狀況良好，僅并置T梁部分橫隔梁有缺損。根據(jù)研究表明[1]，當T梁9道橫隔梁中的1#、9#橫隔梁失效時，橫向頻率將下降14.7%；當T梁9道橫隔梁中的1#、2#、8#、9#橫隔梁失效時，橫向頻率將下降36.0%。可見T梁兩端橫向聯(lián)系的削弱將會導致并置T梁整體橫向抗彎及抗扭剛度的削弱，影響結(jié)構(gòu)的整體工作性能。

2.2 T梁材質(zhì)無損檢測

原設(shè)計中T梁采用500號混凝土（C48），為準確獲得T梁混凝土當前的實際強度，通過采用超聲回彈綜合法，測量超聲波在混凝土中的聲速及混凝土表面強度，綜合得到實際混凝土強度。抽檢4片T梁的混凝土強度，混凝土強度推定值均在50 MPa以上，滿足原設(shè)計強度的要求（見圖5）。

圖5 對T梁腹板采用超聲波對測

采用鋼筋掃描儀，抽檢4片T梁腹板側(cè)面豎向鋼筋的保護層厚度，所檢測的鋼筋保護層厚度平均值在23～33 mm，小于現(xiàn)行規(guī)范要求（35 mm）。但考慮到T梁腹板側(cè)面豎向鋼筋主要為箍筋，非主要受力鋼筋，且碳化深度測量結(jié)果表明腹板側(cè)面混凝土的碳化深度在0.5～2.0 mm，遠小于鋼筋保護層厚度，因此T梁結(jié)構(gòu)仍具有良好的耐久性。

2.3 橋梁幾何形態(tài)參數(shù)檢測

在對橋梁幾何形態(tài)參數(shù)檢測中，為獲悉預應力混凝土T梁在運營30年后梁體的預拱度狀況，使用Leica TS60全站儀的無棱鏡模式，測量了部分孔跨T梁的上拱度及個別橋墩墩帽底面的相對標高。上拱度抽檢結(jié)果表明，除個別T梁上拱度值略低外，其他梁的上拱度一般在23～44 mm，無T梁出現(xiàn)下?lián)蠣顩r。墩臺變位測量中，各抽檢墩帽底面測點間的最大偏差在19～41 mm。由于沒有竣工時的各測點的相對標高值，無法通過當前測量來反映橋墩的相對變位，但該測量結(jié)果可作為今后橋墩變位監(jiān)測的比對基準（見圖6）。

圖6 Leica TS60全站儀

2.4 振動性能測試

振動特性是鐵路橋梁重要的監(jiān)測指標，通過對結(jié)構(gòu)的自振特性測量及振動位移幅值測試，獲得該橋在當前狀態(tài)下列車實際運營工況下的振動參數(shù)。在上部結(jié)構(gòu)T梁沿縱向四分點、墩頂布設(shè)豎向及橫向振動位移傳感器，通過對12 h的振動監(jiān)測，包括橋梁在無外荷載下的自振及不同荷載列車通過下的激振測量，獲得橋梁的振動特性。

（1）測量結(jié)果表明，18號孔的豎向1階振型為對稱彎曲，對應自振頻率為5.15 Hz。2號孔和18號孔的橫向1階振型均為橫向?qū)ΨQ彎曲，對應自振頻率均為3.59 Hz。

（2）貨運列車過橋時，2號孔跨中實測最大豎向振動位移幅值為1.6 mm，18號孔跨中實測最大豎向振動位移幅值為1.9 mm。2號孔跨中實測最大橫向振動位移幅值為4.7 mm，18號孔跨中實測最大橫向振動位移幅值為4.5 mm。2號孔和18號孔在貨車過橋時跨中的實測最大橫向振動位移幅值均超過了規(guī)范規(guī)定的L/9 000（3.55 mm）安全限值。

（3）貨車過橋時，2號墩頂測得的最大縱橋向和橫橋向振動位移幅值為0.22 mm和0.15 mm，17號墩頂實測最大縱橋向和橫橋向振動位移幅值為0.20 mm和0.15 mm，均小于規(guī)范規(guī)定的安全限值[H/B+0.2=0.72（mm）]。

相關(guān)測試結(jié)果見表1、表2。

表1 2號孔主梁和2號墩頂振動位移幅值測試結(jié)果

3 劣化等級評定及承載能力檢定

根據(jù)橋梁外觀檢查和振動測試結(jié)果，橋梁排水設(shè)施的泄水管損壞嚴重，部分橫隔板斷裂、現(xiàn)澆混凝土脫落，梁體跨中橫向最大振動位移幅值超出《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運函〔2004〕120號）的安全限值：混凝土梁的劣化等級評定為A1級；支座的鋼部件銹蝕、劣化等級評定為C級；個別橋墩墩帽處鋼筋銹脹，墩臺基礎(chǔ)劣化等級被評定為C級。

表2 18號孔主梁和17號墩頂振動位移幅值測試結(jié)果

根據(jù)橋梁外觀檢查結(jié)果、材質(zhì)狀況檢測結(jié)果和幾何形態(tài)檢測結(jié)果按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運函〔2004〕120號）對橋梁進行承載能力檢定。T梁的原設(shè)計混凝土標號為500號，根據(jù)混凝土強度檢測結(jié)果，抽檢的結(jié)構(gòu)混凝土強度推定值均在50 MPa以上，從偏安全的角度考慮，仍按原設(shè)計混凝土強度（C48）對結(jié)構(gòu)進行檢算。

根據(jù)表3，跨中斷面容許換算均布活載：k=[（2×28 055.1）/（1.9×128）]×103-51.7×1=179.0（kN/m）＞ks=98.4 kN/m。其中k為容許換算均布活載，ks為中-活載的換算均布活載。橋梁檢定承載系數(shù)K=k/ks=179.0/98.4=1.82＞1.0，表明該橋上部結(jié)構(gòu)T梁承載能力能夠滿足要求。

表3 跨中正截面抗彎強度檢算

一般情況下，橋梁基礎(chǔ)承載能力會隨著橋梁運營時間增加、地基土體擠密而得到提高。在檢查中沒有發(fā)現(xiàn)橋梁墩臺有表明承載能力不足的沉降和變形，因此可認為橋梁下部墩臺及基礎(chǔ)承載能力能夠滿足原設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

（1）依據(jù)現(xiàn)場對該橋的各項檢測，劣化評定及承載能力檢算，可知在更換鋼筋混凝土橋枕及P60鋼軌的情況下，橋梁承載能力仍能夠滿足原設(shè)計的要求。但是列車過橋時，橋跨結(jié)構(gòu)橫向振動位移幅值有超過行車安全限值的情況，橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度不滿足要求，仍需采用有效加固方式，修復T梁橫向聯(lián)系，增強結(jié)構(gòu)整體性。

（2）該橋設(shè)計年限較早，在參考的原設(shè)計規(guī)范中，并未對T梁間的連接有硬性規(guī)定。但目前現(xiàn)行的《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（TB 10092—2017）已強制要求T梁結(jié)構(gòu)必須對橫隔梁施加預應力將T梁連為整體，必要時連接橋面，以保證橋梁上部結(jié)構(gòu)應有足夠的強度及豎向、橫向和抗扭剛度。

（3）既有T梁由于在原設(shè)計中未考慮施加橫向預應力的構(gòu)造，在后續(xù)加固中可通過在橫隔梁附近的T梁腹板上鉆孔，設(shè)置?25對拉精軋螺紋鋼筋的方式施加預應力，提高橫向、抗扭剛度及整體性，考慮到腹板局部受力影響，螺紋鋼筋錨固端須設(shè)置鋼墊板且張拉力應控制在橫隔梁混凝土軸向壓應力允許限值內(nèi)。