孔令宗

(中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 臨沂工務(wù)段，山東 臨沂 276000)

1 工程概況

中國國電集團(tuán)公司費(fèi)縣電廠鐵路專用線DK1+394.4上跨327國道，設(shè)計(jì)為2孔12 m低高度混凝土梁+1孔48 m下承栓焊鋼桁梁橋，跨度組合(12+48+12)m，全長87.3 m。48 m下承栓焊鋼桁梁跨327國道，橋下凈空為5.09 m，位于單線平坡直線段上。該橋采用鑄鋼型搖軸支座，分別為固定與滑動(dòng)鉸支座。橋上線路為有縫線路，60 kg/m鋼軌，木枕。主桁采用三角桁式，桁高11 m，主桁中心距5.75 m。該橋由6個(gè)節(jié)間構(gòu)成，節(jié)間長度均為8.0 m。主桁桿件截面為H形，所有主桁桿件寬均為460 mm，上下弦翼緣高460 mm，斜桿翼緣除端斜桿外高度均為440 mm，豎桿翼緣高260 mm。橋面系采用縱橫梁體系，縱橫梁高度為1.29 m，縱梁間距為2.0 m。鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)

鋼桁梁下弦桿被橋下過往車輛撞傷，造成桁架下弦桿和節(jié)點(diǎn)板局部損傷。需要通過必要的檢測(cè)工作，掌握48 m鋼桁梁受損的程度，并對(duì)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)做出判斷，為后續(xù)維修加固提供決策依據(jù)。

2 實(shí)橋檢測(cè)

實(shí)橋檢測(cè)主要包括以下幾方面：

1)表觀缺陷檢測(cè)。對(duì)結(jié)構(gòu)受撞擊后的影響范圍進(jìn)行檢查，確定受損位置、程度、螺栓受影響情況等。

2)拱度測(cè)量。測(cè)量主桁上下游節(jié)點(diǎn)處的相對(duì)高程，把握主桁拱度情況。

3)線橋偏心測(cè)量。測(cè)量48 m鋼桁梁范圍內(nèi)線橋偏心情況,判斷線橋偏心是否滿足規(guī)范要求。

4)支座狀態(tài)檢查。對(duì)該鋼桁梁橋跨的支座進(jìn)行檢查，判斷車輛撞擊是否對(duì)支座狀態(tài)造成影響，并重點(diǎn)檢測(cè)支座是否出現(xiàn)異常的橫向變位。

5)結(jié)構(gòu)檢算。建立有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)進(jìn)行檢算。

從檢測(cè)情況看，結(jié)構(gòu)損傷集中在下弦桿被撞擊部位(桿件的翼緣下部)，損傷限于局部。受撞擊桿件(E0E2)整體未發(fā)生彎曲，焊縫未出現(xiàn)異常，支座狀態(tài)正常，線橋偏心在規(guī)定范圍之內(nèi)，梁體拱度左右側(cè)基本一致。但結(jié)構(gòu)帶病工作對(duì)列車運(yùn)營安全不利，應(yīng)盡快安排對(duì)受損部位進(jìn)行修復(fù)加固處理，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的正常工作狀態(tài)。

3 加固方法

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果和有限元分析數(shù)據(jù)，并依據(jù)橋梁受撞擊后加固的根本原則[1-3]，即橋梁安全系數(shù)不降低、耐久性加強(qiáng)、保持一定的整體美觀性等，提出如下方案：

1)受損部位加固維修。主桁加固桿件為下弦E0E2及另一片主桁對(duì)稱桿件，加固方法為在H形鋼桿件翼緣內(nèi)側(cè)增設(shè)4塊鋼板，長度范圍內(nèi)劃分2段；相應(yīng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)拼接板加厚。加固桿件位置示意如圖2。鋼材材質(zhì)與原結(jié)構(gòu)相同，為Q345qD，現(xiàn)場(chǎng)連接采用M22高強(qiáng)度螺栓。

2)修復(fù)檢修小車導(dǎo)軌。

3)所有加固部位進(jìn)行涂裝。

4)安排全橋的涂裝和檢修。

5)安裝主動(dòng)式橋梁防撞及預(yù)報(bào)警裝置。

6)修復(fù)限高架受損部位。

圖2 加固方案詳圖(單位：mm)

4 靜載試驗(yàn)評(píng)定方法

通過靜載試驗(yàn)，確定橋梁維修加固后的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)及使用要求，確保運(yùn)營時(shí)的安全[4-6]。

4.1 荷載效率

荷載效率是體現(xiàn)試驗(yàn)荷載下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)的關(guān)系。根據(jù)鐵運(yùn)函[2004]120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[7]，靜載試驗(yàn)荷載加載效率η應(yīng)在0.8～1.0，有困難時(shí)可稍予降低，但不得小于現(xiàn)行最大運(yùn)行荷載。η計(jì)算公式為

式中：Sst為試驗(yàn)荷載作用下某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)值；S為設(shè)計(jì)荷載作用下同一控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計(jì)算值；1+μ為設(shè)計(jì)荷載配套的動(dòng)力系數(shù)。

4.2 結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)

結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或變形實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值之比稱為結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)ζ，是評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力與工作狀況的重要指標(biāo)之一，反映了結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。

式中：Se為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力(或彈性變形)的實(shí)測(cè)值；Sc為測(cè)點(diǎn)應(yīng)力(或彈性變形)的理論計(jì)算值。

結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)ζ>1說明結(jié)構(gòu)承載能力不足,ζ小于1過多說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于偏安全。

5 試驗(yàn)方案

5.1 試驗(yàn)編組

本次靜載試驗(yàn)共分為3個(gè)輪位，試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)列車停于預(yù)定加載位置，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力、靜撓度等測(cè)試[8-12]?？紤]到加載效率的原因，本次試驗(yàn)采用各鐵路局常用的DF4機(jī)車、C70貨車進(jìn)行靜載試驗(yàn)。具體編組為：DF4機(jī)車1輛+C70重車3輛。

DF4機(jī)車軸重、軸距見圖3(a)，C70車輛軸重、軸距見圖3(b)。

圖3 加載車軸重、軸距(單位：mm)

5.2 試驗(yàn)輪位及測(cè)點(diǎn)(圖4)

受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件限制，本次靜載試驗(yàn)共分為3個(gè)輪位，其中輪位1為跨中節(jié)點(diǎn)E3最大撓度加載輪位，輪位2為縱梁1′-0′跨中最不利加載，輪位3為端橫梁0′跨中最不利加載。具體輪位見圖4(c)。每個(gè)輪位至少加載2次，若2次加載的測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性較差時(shí)，進(jìn)行第3次加載。輪位偏差宜在±10 cm內(nèi)。

圖4 靜載試驗(yàn)加載輪位及測(cè)點(diǎn)截面選擇(單位：m)

下承式簡支栓焊鋼桁梁橋應(yīng)力測(cè)試截面主要分布在跨中上下弦桿A3A2′,E3E2′、豎桿A3E3與端斜腹桿A1E0,A1′E0′,見圖4(a)。各桿件應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在翼緣板端部與腹板中部。撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖4(b),標(biāo)號(hào)①～⑥。由于本橋橋下為國道，試驗(yàn)時(shí)僅封半幅道路，受國道交通的影響，在滿足跨中撓度測(cè)試的前提下，撓度測(cè)點(diǎn)左右桁采用非對(duì)稱布置。

5.3 試驗(yàn)荷載效率

桿件的靜荷載效率(不考慮設(shè)計(jì)荷載的動(dòng)力系數(shù))在0.62～0.78，動(dòng)荷載效率(考慮設(shè)計(jì)荷載的動(dòng)力系數(shù))在0.39～0.56，基本滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的規(guī)定。

5.4 有限元計(jì)算

為了與加固后的鋼桁梁橋靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，在加固后靜載試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立有限元模型，計(jì)算鋼桁梁橋各測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力值與撓度值。

靜載試驗(yàn)有限元計(jì)算采用平面桁架模型，利用橋梁專業(yè)計(jì)算軟件MIDAS建立鋼桁梁橋的有限元模型，平面桁架模型共174個(gè)節(jié)點(diǎn)，183個(gè)單元。

5.5 結(jié)果分析

5.5.1 應(yīng)力測(cè)試及計(jì)算結(jié)果

主桁桿件的實(shí)測(cè)平均值為測(cè)試桿件截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的平均值，縱、橫梁實(shí)測(cè)值為跨中截面面內(nèi)豎向彎曲應(yīng)力；主桁桿件應(yīng)力有限元計(jì)算值采用平面桁架計(jì)算，縱、橫梁應(yīng)力有限元計(jì)算值按影響范圍內(nèi)的簡支梁計(jì)算。

各測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均小于1，主桁桿件的平均校驗(yàn)系數(shù)為0.72～0.93，縱橫梁結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)為0.61～0.89。主桁上弦、下弦、端斜桿、豎桿等各桿件應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均滿足或低于規(guī)范通常值的要求，符合《鐵路橋梁檢定規(guī)范》要求。說明橋梁主桁桿件滿足設(shè)計(jì)及使用要求，且下弦桿有較大的安全富余。

5.5.2 撓度測(cè)試及計(jì)算結(jié)果

輪位1為跨中最大撓度加載輪位。簡支鋼桁梁橋在加載輪位1作用下的跨中撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.81，基本滿足規(guī)范規(guī)定的撓度校驗(yàn)系數(shù)通常值(0.70～0.80)?？缰袚隙葥Q算至中-活載時(shí)的撓跨比為1/2 101，小于撓跨比通常值 1/1 500，橋梁豎向剛度滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

5.5.3 活動(dòng)支座縱向位移測(cè)試及計(jì)算結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)加載時(shí)，測(cè)試在跨中最大撓度即輪位1作用下的支座縱向位移，沿橋梁縱向中心線分為線左和線右2個(gè)活動(dòng)支座。在加載輪位1作用下，活動(dòng)支座縱向最大位移為0.747 cm。線左和線右活動(dòng)支座縱向位移量基本相當(dāng)，整體工作狀態(tài)良好?；顒?dòng)支座實(shí)測(cè)最大位移量均值是有限元計(jì)算值的74%，表明活動(dòng)支座能夠滿足梁端自由轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮的要求，工作狀態(tài)正常。

6 結(jié)論

通過對(duì)該橋的加固以及檢測(cè)試驗(yàn)研究，得到如下主要結(jié)論：

1)在試驗(yàn)靜荷載滿足要求的條件下，各主桁桿件以及縱橫梁應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均在通常值范圍內(nèi)，且低于有限元計(jì)算值，說明橋梁各桿件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2)橋梁跨中撓度校驗(yàn)系數(shù)基本滿足規(guī)范通常值的要求?？缰袚隙葥Q算至中-活載時(shí)的撓跨比為 1/2 101，小于撓跨比通常值 1/1 500，說明橋梁豎向剛度滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

3)線左和線右活動(dòng)支座縱向位移量基本相當(dāng)，最大位移在有限元計(jì)算值的74%左右，能夠滿足梁端自由轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮的要求，工作狀態(tài)正常。

4)本次靜載試驗(yàn)表明，該48 m下承式簡支鋼桁梁橋撞傷部位經(jīng)加固維修后在強(qiáng)度、剛度及橫向整體穩(wěn)定性方面均能滿足設(shè)計(jì)及使用要求，橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)良好。