崔鑫，田越，王麗，孫宏方，程永黎

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081；2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西原平034100）

既有鐵路鋼橋常見病害成因分析及強(qiáng)化對(duì)策研究

崔鑫1，田越1，王麗1，孫宏方2，程永黎2

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081；2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西原平034100）

我國(guó)鐵路橋梁中鋼橋占有一定的比重。由于既有鋼橋建設(shè)年代跨越范圍大，設(shè)計(jì)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)類型多樣，制造工藝和材質(zhì)也不盡相同，加之橋涵的服役狀態(tài)差異較大，以致在長(zhǎng)期列車荷載作用和環(huán)境、自然因素的影響下，部分鋼材出現(xiàn)了腐蝕、材質(zhì)劣化和疲勞累積損傷等缺陷。本文通過對(duì)多座鐵路鋼橋的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)病害產(chǎn)生部位及成因分析，對(duì)既有鋼橋常見病害進(jìn)行了梳理分類及相應(yīng)的強(qiáng)化對(duì)策研究，對(duì)日后既有鋼橋進(jìn)行科學(xué)的檢查和維修管理具有重要意義。

既有線；鐵路；鋼橋；病害及成因；維修加固

在我國(guó)鐵路橋梁中，既有鋼橋從結(jié)構(gòu)形式上而言基本以鋼板梁和鋼桁梁為主，即跨度40 m以下以鋼板梁為主，跨度40 m以上以鋼桁梁為主；且中小跨度鋼梁多按標(biāo)準(zhǔn)定型圖設(shè)計(jì)，大跨度鋼橋采用特殊設(shè)計(jì)。鐵路鋼橋的建設(shè)期可大體分為4個(gè)主要時(shí)段：①20世紀(jì)初至解放前，由英、德、日等國(guó)設(shè)計(jì)和制造的鉚接鋼橋；②新中國(guó)成立后至20世紀(jì)60年代，我國(guó)在重要的鐵路線上修建了一批跨度較大的鉚接鋼橋；③自20世紀(jì)60～80年代，以成昆線為代表的鐵路栓焊鋼橋的建設(shè)；④自20世紀(jì)80年代起至今，鋼橋結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造細(xì)節(jié)向多樣化、全焊化方向發(fā)展。這些橋梁因當(dāng)初的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、材質(zhì)、制造工藝及荷載等級(jí)的限制，加之長(zhǎng)時(shí)期運(yùn)營(yíng)引起的劣化，部分橋梁的附屬連接件部位出現(xiàn)了不同類型的病害，使得橋梁的健全度逐年降低。這些既有病害雖暫不對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用構(gòu)成威脅，但如果不及時(shí)針對(duì)病害部位采取有效的整治措施，必將惡化結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)能，影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。因此應(yīng)對(duì)已暴露出來的既有病害給予足夠的重視，并根據(jù)病害類別、成因判斷以及對(duì)結(jié)構(gòu)安全的危害程度，進(jìn)行有針對(duì)性的病害整治及強(qiáng)化對(duì)策研究，以便日后對(duì)老齡鋼橋進(jìn)行科學(xué)的評(píng)定及維修管理。

1　既有鋼橋常見病害

鋼橋結(jié)構(gòu)的既有病害多為疲勞導(dǎo)致的裂紋病害，裂紋病害大體分為2類：①主要構(gòu)件連接部位在主應(yīng)力循環(huán)作用下引起的疲勞裂紋；②構(gòu)造細(xì)節(jié)在小間隙處因受外荷載或振動(dòng)引起面外變形而導(dǎo)致的裂紋［1］。

1.1由主應(yīng)力引起的疲勞裂紋

由主應(yīng)力引起的常見疲勞裂紋有6種：①上承式鋼梁上平縱聯(lián)焊接T形連接板焊縫處裂紋；②肱板與橫梁上翼緣間焊縫處的裂紋；③桁梁梁端立柱翼緣與腹板焊縫處裂紋；④主桁與支座的連接角鋼裂紋；⑤支座處主梁下翼緣裂紋；⑥銹蝕引發(fā)的裂紋。各種病害形式外觀見圖1—圖6。

圖1　上承式鋼梁上平縱聯(lián)焊接T形連接板焊縫處裂紋

圖2　肱板與橫梁上翼緣間焊縫處裂紋

圖3　桁梁梁端立柱翼緣與腹板焊縫處裂紋

圖4　主桁與支座的連接角鋼裂紋

圖5　支座處主梁下翼緣裂紋

1.2由面外變形引起的疲勞裂紋

由小間隙處的面外變形引起的常見疲勞裂紋有3種：①主梁（縱梁）腹板豎向加勁肋焊縫端部水平裂紋；②桁梁不等高縱、橫梁連接處（牛腿位置）裂紋；③支座處平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板裂紋。這類病害形式外觀見圖7—圖9。

圖6　銹蝕引發(fā)的裂紋

圖7　主梁（縱梁）腹板豎向加勁肋焊縫端部水平裂紋

圖8　桁梁不等高縱、橫梁連接處裂紋

圖9　支座處平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板裂紋

2　病害成因分析及強(qiáng)化對(duì)策研究

根據(jù)鋼橋中個(gè)別構(gòu)件、連接部位或構(gòu)造細(xì)節(jié)出現(xiàn)的早期疲勞裂紋，產(chǎn)生原因大體為以下幾種：構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度較低；構(gòu)件連接位置小間隙處因面外變形引發(fā)疲勞裂紋；因支座病害引發(fā)局部受力改變；構(gòu)件因局部銹蝕產(chǎn)生缺陷誘發(fā)裂紋。

2.1構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度較低

疲勞強(qiáng)度較低的構(gòu)造細(xì)節(jié)主要指實(shí)橋中傳力的T形（或十字形）焊接接頭焊縫，其病害形式表現(xiàn)為2種：一種為上承式鋼梁上平縱聯(lián)焊接T形連接板焊縫處裂紋（圖1），一種為橫梁肱板與橫梁上翼緣間焊縫處的裂紋病害（圖2）。兩種病害均為主應(yīng)力引起的裂紋，且裂紋均發(fā)生于焊縫位置，走向與主應(yīng)力方向垂直。

2.1.1上平縱聯(lián)焊接T形連接板焊縫處裂紋

上平縱聯(lián)節(jié)點(diǎn)板連接焊縫細(xì)節(jié)為非熔透的T形焊接接頭（傳力型），關(guān)于該構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度，在我國(guó)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.1—2005）［2］未予規(guī)定，在《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函［2004］）［3］中規(guī)定十字形焊接接頭（傳力型）的200萬次疲勞強(qiáng)度為65 MPa，但是對(duì)其焊接形式未予明確說明，而事實(shí)上，焊接形式對(duì)其疲勞強(qiáng)度有一定的影響。歐洲規(guī)范《Eurocode3：Design of steel structures—Part 1-9：Fatigue》［4］中規(guī)定，對(duì)于該類構(gòu)造細(xì)節(jié)，當(dāng)焊接形式為熔透焊時(shí)，其200萬次疲勞強(qiáng)度隨板厚的不同，在40～80 MPa之間變化；當(dāng)不熔透時(shí)，200萬次疲勞強(qiáng)度僅為36 MPa?；诖?，為掌握該構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能進(jìn)行了室內(nèi)疲勞試驗(yàn)，得到的200萬次疲勞強(qiáng)度為40.7 MPa［5］，而該處的實(shí)際受力已接近于其疲勞強(qiáng)度，因此易引發(fā)疲勞裂紋。

病害整治建議方案：提高此處的疲勞強(qiáng)度，如將焊接的T形連接板替換為軋制的T形板，從根本上避免裂紋病害的再次發(fā)生。

2.1.2肱板與橫梁上翼緣連接焊縫處裂紋

肱板位于橫梁端部，由于橫梁與主桁剛接端部承受負(fù)彎矩，此處上翼緣由于承受負(fù)彎矩受拉，受力方向垂直于焊縫，構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度較低，易引發(fā)疲勞裂紋。

建議此處可采用疲勞強(qiáng)度較高的構(gòu)造，將焊接連接改為栓接連接。

2.2構(gòu)件連接位置小間隙處因面外變形引發(fā)疲勞裂紋

因面外變形引發(fā)的疲勞裂紋，比較典型的是主梁或縱梁加勁肋焊縫端部的裂紋病害。在鐵路鋼橋中，鋼板梁的主梁或桁梁明橋面系中的焊接縱梁腹板上通常設(shè)置有豎向加勁肋，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定豎向加勁肋與縱梁（或主梁）的翼緣采用磨光頂緊（不采用焊接連接），而在橋梁施工中難以保證完全頂緊，同時(shí)由于溫度場(chǎng)作用，會(huì)使得加勁肋底端與翼緣脫離，因此在豎向荷載及列車蛇行運(yùn)動(dòng)造成的橫向振動(dòng)的反復(fù)作用下，因腹板面外變形在加勁肋端部的小間隙處即豎向加勁肋焊縫端部產(chǎn)生水平裂紋（見圖10）。此種病害是我國(guó)既有鐵路焊接鋼橋上常見的裂紋形式。研究表明最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在加勁肋與腹板連接角焊縫端部的焊趾處，疲勞裂紋一般從加勁肋焊縫端部產(chǎn)生，并大致沿水平方向擴(kuò)展，起初不會(huì)對(duì)橋梁的安全造成嚴(yán)重影響，但當(dāng)裂紋尖端轉(zhuǎn)向垂直方向發(fā)展時(shí)，裂紋可能進(jìn)一步擴(kuò)展到翼緣，將會(huì)導(dǎo)致主梁?jiǎn)适С休d能力，應(yīng)及時(shí)予以修復(fù)。

圖10　主梁（縱梁）豎向加勁肋焊縫端部水平裂紋示意

可以采取的病害處理對(duì)策為：①放松小間隙處的約束（減小剛度，將構(gòu)件連接減弱，釋放變形），如鉆止裂孔，減小或釋放對(duì)腹板面外變形的約束，當(dāng)止裂孔無法阻止裂紋擴(kuò)展時(shí)，可配合以切割部分豎向加勁肋增大間隙長(zhǎng)度，減小面外變形產(chǎn)生的次應(yīng)力，但會(huì)減弱加勁肋的作用，應(yīng)綜合考慮；②加強(qiáng)加勁肋端部的約束，預(yù)防面外變形的發(fā)生；如采用角鋼將加勁肋與翼緣進(jìn)行連接或者采用T形加勁肋加勁腹板等方法進(jìn)行加固［5］。

2.3因支座病害引發(fā)局部受力改變

支座的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)營(yíng)中的養(yǎng)護(hù)應(yīng)確保在列車荷載作用下或溫度變化情況下，固定支座可以沿橋軸方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，活動(dòng)支座沿橋軸方向既能自由轉(zhuǎn)動(dòng)又能隨梁體自由伸縮，否則支座失靈將會(huì)產(chǎn)生傳力途徑的變化，引起局部次彎矩或應(yīng)力集中而引發(fā)病害。

支座處的裂紋病害有幾個(gè)共同點(diǎn)：①所有裂紋位置僅局限在支座上方鋼梁下翼緣范圍內(nèi)；②裂紋產(chǎn)生后，裂紋發(fā)展速度漸趨緩慢。病害形式大體分為3種：①主桁與支座的連接角鋼裂紋（圖4）；②支座處主梁下翼緣裂紋（圖5）；③支座處平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板裂紋（圖9）。

根據(jù)裂紋位置和原因分析可以判斷，這些裂紋并未削弱主梁斷面，也不影響主梁（或橫梁、縱梁）最大受力區(qū)域構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞抗力；雖暫不對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用構(gòu)成威脅，但如果置之不理，任其裂紋繼續(xù)增多或擴(kuò)展，必將惡化結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)能，尤其在日益繁重的運(yùn)輸條件下，終將影響結(jié)構(gòu)的耐久性。故應(yīng)對(duì)裂紋部位及時(shí)加固或替換，并調(diào)整支座至正常工作狀態(tài)。

2.4構(gòu)件因局部銹蝕產(chǎn)生缺陷誘發(fā)裂紋

銹蝕病害主要為鋼橋板件的銹蝕和鉚釘（螺栓）的銹蝕。銹蝕問題與梁體所處環(huán)境及日常養(yǎng)護(hù)維修密切相關(guān)，當(dāng)梁體位于河流上方、多煤水車通過時(shí)，如維護(hù)養(yǎng)護(hù)不及時(shí)或維修條件差，則極易產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕，從而影響到橋梁的正常使用，甚至危及結(jié)構(gòu)安全。

當(dāng)板件腐蝕較為嚴(yán)重，出現(xiàn)洞孔及斷面削弱時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取修補(bǔ)措施?？刹扇〉姆椒ㄓ校孩僭诙纯准案g嚴(yán)重處應(yīng)將邊緣修正整光，洞孔較大時(shí)，缺口處應(yīng)嵌以填板再加栓接補(bǔ)強(qiáng)板，其尺寸至少應(yīng)滿足每邊能夠排布2排高強(qiáng)度螺栓；②對(duì)于腐蝕嚴(yán)重?zé)o法修補(bǔ)者，可割去損壞部分以新料接續(xù)或直接更換。

3　結(jié)語

本文通過對(duì)既有鋼橋日常維修檢查中經(jīng)常出現(xiàn)的部分病害進(jìn)行了成因分析及強(qiáng)化對(duì)策研究，提出可用于既有橋的病害整治措施和建議。

研究還發(fā)現(xiàn)，如果在易發(fā)裂紋的焊縫位置進(jìn)行超聲波錘擊，可對(duì)裂紋發(fā)展有一定的延緩作用，應(yīng)根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)形成詳細(xì)的操作手冊(cè)，以確保通過錘擊能夠真正發(fā)揮作用。

鋼橋因銹蝕引發(fā)的病害不容忽視，因此防銹問題值得關(guān)注，如能在鋼橋的易銹蝕部位和支座部位引入具有防銹性能材料，將能大大減少鋼橋的日常養(yǎng)護(hù)維修工作量。

［1］崔鑫.京廣線既有鋼橋適應(yīng)大軸重重載運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)研究——分報(bào)告之五：京廣線既有鋼橋加固改造方法研究［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2015.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)函［2004］120號(hào)鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

［4］British Standards Institution.BS EN 1993-1-9Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1-9：Fatigue［S］.London：British Standards Institution，2005.

［5］王麗.京廣線既有鋼橋適應(yīng)大軸重重載運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)研究——分報(bào)告之四：京廣線既有鋼橋疲勞評(píng)估技術(shù)研究［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2015.

Cause Analysis of Common Defects in Existing Railway Steel Bridges and Corresponding Strengthening Measures

CUI Xin1，TIAN Yue1，WANG Li1，SUN Hongfang2，CHENG Yongli2
（1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.Yuanping Branch，Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Yuanping Shanxi 034100，China）

Steel bridges occupie a certain proportion in China railway bridges.T hese existing steel bridges were built in different years in accordance with different design and construction codes.Also，structural features，manufacturing technologies，material properties and service conditions were different.T he long-term train loading and environmental effects have resulted in steel corrosion，degradation and fatigue.Field investigations were conducted on numerous railway steel bridges.Common defects in existing railway steel bridges were categorized based on their positions and causes，and the corresponding strengthening measures were proposed.T hey are meaningful for future inspection，repair and management of existing steel bridges.

Existing railway line；Railway；Steel bridge；Defect and cause；Repair and Strengthening

U445.7+1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.03

1003-1995（2016）09-0010-04

（責(zé)任審編孟慶伶）

2016-06-02；

2016-07-20

崔鑫（1979—），女，副研究員，碩士。