大準鐵路橋梁病害調查及損傷影響分析

劉宇飛，王宏宇，龐 博，程愛君

（1.準能集團公司科學技術研究院，內蒙古鄂爾多斯 010300；2.準能集團大準鐵路公司，內蒙古鄂爾多斯 010300；3.中國礦業大學（北京），北京 100083；4.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

橋梁工程在當今國際上被稱為“生命線工程”，它在水利、鐵路、公路、礦山等諸多部門被廣為應用。大準鐵路正線全長265 km，是已形成的“西煤東運”大通道—大秦線的向西延伸，屬一級單線電氣化鐵路。全線共有橋梁163 座，其中既有線橋梁112 座（增二線施工廢棄6 座），增二線新增橋梁57 座。大準鐵路設計年運輸能力1 500 萬t，2005 年完成擴建改造后運輸能力已達到4 800 萬t。2013 年大準鐵路計劃煤炭發運量8 300 萬t，隨著運輸需求量的增加，大準鐵路的運輸壓力逐漸加大，橋梁病害也逐漸增多，檢修時間和工作量也越來越大。

近年來國內外專家學者對橋梁病害進行了深入研究并取得了大批科研成果。文獻［1］利用層次分析法安全評價模型和模糊綜合評價法安全評價模型，分析得出鐵路橋梁和隧道病害對比，建立安全評價指標體系及綜合評價模型，為運營部門提供了安全評價和管養的有效手段。文獻［2］使用徑向基函數神經網絡替代傳統的BP 神經網絡，優化學習速度和適用范圍，結合自適應模糊推理，建立基于自適應神經網絡-模糊推理的橋梁安全性評估系統。文獻［3］提出了基于XFEM（擴展有限單元法）并考慮鋼筋-混凝土界面間斷性的黏結滑移模型，在MATLAB 平臺上編制了有限元程序，用于模擬計算鋼筋混凝土結構裂縫萌生、擴展及其極限承載力。文獻［4］利用數值模擬方法，對大準鐵路沿線蓋板涵開裂病害的發生機理進行了研究，得出涵洞在自重應力作用下發生的變形極小，涵洞開裂的主要誘因是列車通行時施加的均布載荷。文獻［5］對大準鐵路黃河特大橋鋼桁梁進行了靜載試驗，對鋼桁梁的安全承載能力和使用條件作出了判斷。文獻［6］以鋼筋混凝土剛架拱橋為背景，利用有限元軟件ANSYS 對原剛架拱橋、5 mm 鋼箱加固和10 mm 鋼箱加固3 種工況下拱橋跨中實腹段和主拱腿的撓度、應力進行了對比分析。文獻［7］對2 片8 m 跨度鋼筋混凝土空心板梁進行了2 點對稱加載破壞試驗，基于混凝土損傷塑性模型且考慮了混凝土膨脹角、黏性參數，建立了試驗梁非線性有限元模型，計算得到的梁體撓度、混凝土和鋼筋應變與試驗結果吻合良好。文獻［8］通過群樁基礎縮尺比例模型，采用擬靜力試驗研究樁基礎的破壞機制、承載能力、變形性能以及滯回特性，并提出水平荷載作用下群樁基礎的非線性靜力計算模型。文獻［9-10］提出了一種基于貝葉斯網絡理論的安全性評價方法和有限元模型修正方法，為橋梁的安全狀態評估提供了依據，縮小了橋梁有限元模型與實際結構靜動力特性的誤差。然而，由于橋梁的規模和結構差異性較大，針對具體橋梁的損傷影響分析，例如裂縫對梁體撓度和應變影響方面的研究成果還比較少，還須做進一步研究，以明晰裂縫在不同荷載工況下對橋梁損傷的影響機理。

為此，本文以大準鐵路沿線橋梁為背景，在廣泛調查橋梁病害類型的基礎上，選取代表工點和典型病害，運用FLAC 3D 數值模擬方法對橋梁的損傷影響進行研究，可為大準鐵路橋梁的災害防治提供理論依據，也為類似地質條件下橋梁病害調查及損傷影響分析提供借鑒和參考。

1 工程地質概況

1.1 地形地貌

大準鐵路沿線地貌類型多樣，以沖洪積平原盆地、中低土石山區、河谷階地、黃土丘陵為主，平均海拔高度在1 200～1 500 m。沿線水土流失現象普遍存在，水蝕、風蝕、重力侵蝕等類型共存。

1.2 地層巖性

大準鐵路沿線的地層主要為石炭系砂巖、奧陶、寒武系灰巖、白云質灰巖，斜坡表覆第四系全新統沖風積層新黃土。巖性特點是硬質巖為主，中部夾軟巖。

1.3 地質構造

區域主要構造運動方式為升降運動，水平運動次之，受地質構造影響較弱，無控制線路方案的斷裂帶。在區域地震構造上，大準鐵路屬于我國華北地震區，其基本烈度為Ⅵ～Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.10g～0.25g。

1.4 氣候與水文地質條件

大準鐵路通過地區屬中溫帶亞干旱氣候區，大陸性氣候明顯，溫差變化大。降雨量多集中在七、八月份，年平均降雨量410.7 mm。土壤最大凍結深度1.41 m。沿線各河溝均為季節性河流，河水暴漲暴落，歷時短，攜沙量大，造成上游沖蝕、下游淤積的河流特點。地下水對鋼筋混凝土結構不具侵蝕性。

2 病害的調查及類型

本次是針對大準鐵路沿線112座橋梁進行的大范圍普查，重點對梁體、墩臺、支座存在的典型病害，橋墩加固情況等進行調查分析。調查結果表明大準鐵路橋梁整體運行情況較好，極少數橋梁出現的病害為：橋面系主要為極少數人行板缺失、砂漿開裂及橋面排水不暢；梁體主要為極少數裂縫、麻面脫落及梁體橫隔板斷裂；支座主要為極少數錯位、銹蝕；墩臺及基礎主要為極少數缺損開裂、混凝土脫落、麻面以及部分橫向振幅超限。

3 損傷影響分析

本文以大準鐵路中心里程為K15+392 的橋梁為例，對危害嚴重的梁體裂縫損傷影響進行數值模擬研究。此橋建成于1994 年7 月，是大準鐵路沿線重要的橋梁建筑，為低高度預應力混凝土梁，跨徑為8 m，見圖1。全橋采用板式橡膠支座，橋墩為圓端形實體，耳墻式橋臺，擴大基礎。

圖1 橋梁現場

3.1 分析模型

采用數值模擬軟件FLAC 3D 建模，由底向上進行三維實體建模。計算分析目的是了解下緣開裂對橋梁跨中各點撓度和應變的影響，據以判斷橋梁結構在靜載作用下的實際工作狀態、結構的安全承載能力和使用條件。梁的截面形式見圖2，計算網格模型見圖3。

圖2 橋梁截面（單位：cm）

圖3 計算網格模型（單位：m）

3.2 計算方案

邊界采用梁兩端簡支約束，以保證模型與實際工程約束條件相接近，并在各種損傷工況下對梁跨中施加216 kPa 的均布荷載（2 輛SS4+6 輛C80A 重車）。設置3 種不同損傷工況A，B，C：工況A 對應裂縫損傷位置在梁的2/8 跨，工況B 對應損傷位置在梁的3/8 跨，工況C 對應損傷位置在梁的4/8 跨。設置3 種裂縫深度，用f表示，分別為20，30，40 cm。對簡支混凝土T梁在3種工況下梁底撓度差值和應變差值的變化情況展開討論，確定梁底裂縫深度和位置與梁底撓度差值和應變差值之間的關系。

3.3 計算參數

計算參數參照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中混凝土的材料參數進行取值。簡支混凝土T 梁橋采用C40 混凝土，按照線彈性材料模擬，其材料參數為：彈性模量3.25×1010Pa，泊松比0.2，密度2 440 kg/m3。

3.4 計算結果分析

3.4.1 裂縫對梁體撓度差值影響分析

根據數值計算結果，提取出相同外荷載作用下梁撓度，并對提取結果進行差值處理，即將無裂縫條件下的梁體撓度減去開裂情形下的梁體撓度，以觀察裂縫存在對梁體撓度的影響。計算結果如圖4 所示，其中縱坐標梁體撓度差值用n表示，橫坐標測點距離梁端的位置用x表示。

圖4 裂縫對梁體撓度差值影響

由圖4 可以看出，在相同裂縫深度f、不同損傷工況條件下，梁體撓度差值n的變化規律基本一致，最大n值出在裂縫位置，且距離裂縫位置越近，n值越大。在不同f條件下，f越大對n值的影響就越大，n值隨著f的增大而增大。n值均在梁跨的中部即損傷工況 C 時達到最大。其中當f= 20，30，40 cm 時，對應的n值分別為-19.3×10-6，-77.5×10-6，-274.4×10-6m。

3.4.2 裂縫對梁底應變區域影響分析

根據數值計算結果，提取出相同外荷載作用下梁底中心線各單元軸向應變的數值，并對提取結果進行差值處理，即將無裂縫梁底應變減去開裂情形下的梁底應變，以觀察應變在不同工況和不同裂縫深度時的變化規律。計算結果如圖5 所示，其中縱坐標梁底應變差值用y表示，橫坐標測點距離梁端的位置用x表示，裂縫深度用f表示，圖中Δ為應變影響區域。

圖5 裂縫對梁底應變區域影響

由圖5可以看出不同裂縫深度f得到的應變差值y的大小沿著軸線方向基本遵循相同的規律：在同一損傷工況下，y隨著f增大而增大。同一f時，y在裂縫位置處最大，且與裂縫位置距離越遠，y越小。不同損傷工況下，f應變影響區域Δ均大致為裂縫兩側1.3 m 左右，與損傷位置關系不大。由于受到梁體端部支撐條件的影響，損傷工況距離跨中位置越遠，y越小，反之，損傷工況距離跨中位置越近，y越大，且均在f=40 cm時達到最大。其3種損傷工況A，B，C對應的應變差值y分別為9.21×10-6，20.53×10-6，23.93×10-6。

4 結論

1）對大準鐵路112 座橋梁病害調查結果表明，大準鐵路橋梁整體運行情況較好，病害較少。橋面系病害主要為極少數橋面人行板缺失、砂漿開裂及橋面排水不暢；梁體病害的主要類型為極少數裂縫、麻面脫落及梁體橫隔板斷裂；支座病害的主要類型為極少數錯位、銹蝕；墩臺及基礎病害的主要類型為極少數缺損開裂、混凝土脫落、麻面以及部分橫向振幅超限。

2）梁體損傷開裂對撓度的影響研究表明，在相同裂縫深度條件下，最大撓度差值出現在裂縫位置處，且距離裂縫位置越近，撓度差值越大；在不同裂縫深度條件下，裂縫深度越大對梁體撓度的影響越大，其對應的撓度差值均在梁跨的中部達到最大。

3）對梁體損傷開裂應變影響區域的研究表明，在同一個損傷位置，且荷載工況相同的條件下，梁底應變差值隨著裂縫深度增大而增大；同一裂縫深度時，梁體在裂縫位置的應變差值最大，與裂縫位置距離越遠，應變差值越小。梁底裂縫的應變影響區域隨裂縫深度增大而增大，大致為兩側1.3 m 左右，且與損傷位置關系不大。