肖 嘯

(中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司,江蘇 南京 210032)

鋼結(jié)構(gòu)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(yùn)輸能力的不斷加大，部分鋼結(jié)構(gòu)橋梁相繼出現(xiàn)了病害，例如支座破壞，橫向晃動(dòng)，預(yù)拱度下降，節(jié)點(diǎn)板螺栓折斷以及節(jié)點(diǎn)板開裂。其中，鋼桁架節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)期重載、振動(dòng)、疲勞等作用下出現(xiàn)了螺栓折斷以及節(jié)點(diǎn)板開裂[1]。但在現(xiàn)有的研究中由于螺栓折斷情況較多，針對(duì)螺栓折斷情況進(jìn)行了大量的研究[2-5]，對(duì)節(jié)點(diǎn)板開裂原因進(jìn)行深入分析的較少。本文以滬昆線某橋節(jié)點(diǎn)板開裂為工程背景，對(duì)開裂原因進(jìn)行分析，針對(duì)節(jié)點(diǎn)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(nèi)，橋梁全長(zhǎng)265 m，于1998年開工，1999年建成通車，見圖1。目前橋梁正常運(yùn)營(yíng)已經(jīng)近20年。主跨為2×60 m單線鐵路栓焊下承式鋼桁連續(xù)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(cè)端節(jié)間長(zhǎng)度為4 m，其余節(jié)間長(zhǎng)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(jié)點(diǎn)通長(zhǎng)，大節(jié)點(diǎn)拼接。兩側(cè)邊跨均為2×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)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(fā)現(xiàn)中支承E8節(jié)點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)板出現(xiàn)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(xù)梁及中墩(單位：m)

2 節(jié)點(diǎn)板裂縫

2.1 裂縫產(chǎn)生原因

為了分析節(jié)點(diǎn)板病害產(chǎn)生的原因，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行了檢查并對(duì)節(jié)點(diǎn)板面內(nèi)、面外變形情況進(jìn)行了測(cè)量,量測(cè)情況見表1(節(jié)點(diǎn)板左下角為xy坐標(biāo)原點(diǎn))，主桁E8節(jié)點(diǎn)板及相接桿件測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的形狀如圖3 所示。

通過病害量測(cè)現(xiàn)將橋梁病害詳細(xì)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(jié)點(diǎn)左下弦桿腹板單側(cè)變長(zhǎng)3 mm，另外一側(cè)減小1 mm。

表1 外側(cè)節(jié)點(diǎn)板面外z向變形數(shù)據(jù) mm

圖3 E8節(jié)點(diǎn)板及相接桿件測(cè)量數(shù)據(jù)(單位：mm)

對(duì)于節(jié)點(diǎn)板處發(fā)生的裂縫問題，可以確定為因桿件本身尺寸發(fā)生變化對(duì)節(jié)點(diǎn)板產(chǎn)生附加內(nèi)力，造成外側(cè)節(jié)點(diǎn)板開裂。

2.2 橋梁病害計(jì)算分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)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(fù))：

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(jié)點(diǎn)板產(chǎn)生病害的原因是否為結(jié)構(gòu)本身尺寸發(fā)生變化對(duì)節(jié)點(diǎn)板產(chǎn)生的附加內(nèi)力，采用大型通用有限元分析軟件MIDAS FEA對(duì)病害節(jié)點(diǎn)板建立局部有限元分析模型。

因桿件制造誤差，通過對(duì)該節(jié)點(diǎn)板施加強(qiáng)制位移來模擬實(shí)際情況。左斜腹桿強(qiáng)制位移為4 mm，豎桿強(qiáng)制位移為3 mm，右斜腹桿強(qiáng)制位移為1 mm。

在強(qiáng)制位移作用下，其應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 E8節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力云圖(單位：MPa)

根據(jù)規(guī)范要求[6-9]，該節(jié)點(diǎn)板的容許彎曲應(yīng)力為210 MPa。由圖4可知最大應(yīng)力為 2 747.8 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)板的容許應(yīng)力，此處節(jié)點(diǎn)板已經(jīng)屈服，應(yīng)力重分布。開裂位置為腹桿和下弦桿中間處節(jié)點(diǎn)板，此處位置與節(jié)點(diǎn)板實(shí)際裂縫較為統(tǒng)一，但是節(jié)點(diǎn)板仍然有4處潛在發(fā)生裂縫的位置，分布在節(jié)點(diǎn)板的大部分區(qū)域。

2.3 節(jié)點(diǎn)板整體更換

由于E8節(jié)點(diǎn)板已經(jīng)出現(xiàn)了裂縫，節(jié)點(diǎn)板內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力已經(jīng)發(fā)生了應(yīng)力重分布，應(yīng)力趨于均衡，但仍然不能確定裂縫是否會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。為了徹底解決該節(jié)點(diǎn)板可能存在的問題，須對(duì)該節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行整體更換。

整體更換節(jié)點(diǎn)板主要步驟如下：

第1步，列車停止運(yùn)營(yíng)，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(shí)節(jié)點(diǎn)板，將原主桁結(jié)構(gòu)連成整體，安裝好臨時(shí)節(jié)點(diǎn)板后，再拆除需要更換的節(jié)點(diǎn)板，待新節(jié)點(diǎn)板安裝完成后拆除臨時(shí)節(jié)點(diǎn)板，并對(duì)鉆孔位置填板和安裝補(bǔ)強(qiáng)板，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)恢復(fù)。節(jié)點(diǎn)板整體更換結(jié)構(gòu)與原節(jié)點(diǎn)板保持一致。臨時(shí)節(jié)點(diǎn)板板厚12 mm，補(bǔ)強(qiáng)用拼接板板厚12 mm，臨時(shí)節(jié)點(diǎn)板安裝如圖5所示。

圖5 臨時(shí)節(jié)點(diǎn)板安裝示意(單位：mm)

3 節(jié)點(diǎn)板整體更換效果評(píng)價(jià)

為確保節(jié)點(diǎn)板更換后達(dá)到設(shè)計(jì)要求以及列車運(yùn)行安全，對(duì)全橋進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，重點(diǎn)檢測(cè)E8節(jié)點(diǎn)板以及與其相連接的桿件應(yīng)力。靜載試驗(yàn)荷載采用貨物載重試驗(yàn)列車。經(jīng)計(jì)算分析，靜載試驗(yàn)列車編組采用2輛DF4機(jī)車+6輛C70滿載重車編組，DF4機(jī)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(xù)鋼梁上，第15#軸(相當(dāng)于第一輛C70重車的第3軸)位于E7位置。靜載試驗(yàn)加載輪位布置見圖6。靜載試驗(yàn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)見表2和表3。

圖6 靜載試驗(yàn)加載輪位布置(尺寸單位：m)

表2 靜載試驗(yàn)主桁相關(guān)桿件應(yīng)力

表3 靜載試驗(yàn)應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)應(yīng)力 MPa

由表2可知更換節(jié)點(diǎn)板的斜桿與未更換節(jié)點(diǎn)板下游斜桿應(yīng)力比較接近，校驗(yàn)系數(shù)均在規(guī)范通常值范圍內(nèi)。由表3可知上游側(cè)E8節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力較下游側(cè)未更換節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力大，原因是E8節(jié)點(diǎn)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(yīng)力，減少了制造誤差產(chǎn)生的次應(yīng)力，但與下游側(cè)無制作誤差的桿件節(jié)點(diǎn)應(yīng)力相比還是大一些，但均在設(shè)計(jì)規(guī)范范圍內(nèi)。靜載試驗(yàn)結(jié)果表明在對(duì)上游側(cè)E8號(hào)節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行更換后，經(jīng)過近1年時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，未見明顯的行車異常，節(jié)點(diǎn)板及桁架受力合理，說明更換后節(jié)點(diǎn)板參與結(jié)構(gòu)作用的效果明顯，能夠滿足列車正常運(yùn)營(yíng)的要求。

4 結(jié)論

1)與節(jié)點(diǎn)板連接的鋼桁梁桿件尺寸存在制作誤差，產(chǎn)生附加內(nèi)力，造成外側(cè)節(jié)點(diǎn)板開裂。

2)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)并利用有限元軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明裂縫位置與實(shí)際位置較為吻合，表明裂縫產(chǎn)生的原因是結(jié)構(gòu)制造誤差引起。

3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果知節(jié)點(diǎn)板仍有4處潛在裂縫，由此提出了更換節(jié)點(diǎn)板的方案，更換完成后對(duì)全橋進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)E8節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過近1年時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，未見明顯的行車異常，說明更換后節(jié)點(diǎn)板參與結(jié)構(gòu)作用的效果明顯，能夠滿足列車正常運(yùn)營(yíng)的要求。