李彬洋 向琪芪 蘇永華 賀勝權(quán) 李瑞峰

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 3.中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司， 成都 610082； 4.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司， 北京 100081

由縱橫梁組合形成的明橋面結(jié)構(gòu)在我國(guó)常用跨度鐵路鋼橋中十分常見(jiàn)［1-2］。近年來(lái)國(guó)家能源需求增大，為滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的運(yùn)輸需求，部分鐵路貨運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)車(chē)輛類(lèi)型由C64、C70提升至C80［3-4］。因列車(chē)軸重增大，以及運(yùn)量大幅度增加，原有設(shè)計(jì)安全裕量降低，部分鋼梁出現(xiàn)病害［5-7］。在列車(chē)活載作用下傳統(tǒng)鋼桁梁的縱梁反復(fù)發(fā)生微小的扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致縱梁上平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板出現(xiàn)裂紋［8-10］。

本文針對(duì)一座重載鐵路貨運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)64 m 單線(xiàn)簡(jiǎn)支下承式鋼桁梁中縱梁上平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板的開(kāi)裂病害進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)，并根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果提出建議。

1 工程概況

64 m 栓焊下承式鋼桁梁（圖號(hào)：專(zhuān)橋0146）設(shè)計(jì)荷載為中-活載。主桁分為8個(gè)節(jié)間，每個(gè)節(jié)間長(zhǎng)8.0 m，總長(zhǎng)65.1 m；主桁高度11 m，主桁中心距5.75 m（圖1）。主桁桿件均采用H 形截面。橋面系的縱、橫梁均為焊接工字形構(gòu)件，縱梁高1 290 mm，上、下翼緣板尺寸為240 mm（寬） × 16 mm（厚）；橫梁為不對(duì)稱(chēng)截面，上翼緣板尺寸為240 mm（寬） × 24 mm（厚），下翼緣板尺寸為240 mm（寬） × 32 mm（厚）?？v梁設(shè)置有橫聯(lián)和三角形上平聯(lián)。鋼桁梁材質(zhì)為16Mnq 鋼，采用10.9S 級(jí)M22高強(qiáng)度螺栓連接。

圖1 鋼桁梁結(jié)構(gòu)（單位：mm）

橋上為無(wú)縫軌道，平坡、直線(xiàn)。線(xiàn)路主軌為75 kg/m鋼軌，護(hù)軌為60 kg/m 鋼軌。橋上原設(shè)木橋枕及其配套K 形分開(kāi)式扣件，2019 年更換為復(fù)合材料橋枕及其配套MQ-1型扣件。

2020 年起，先后發(fā)現(xiàn)兩處縱梁上平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板位置開(kāi)裂（圖2）。位置一位于第四節(jié)間（自小里程向大里程方向）縱梁跨中聯(lián)結(jié)系節(jié)點(diǎn)板，裂紋長(zhǎng)190 mm、寬0.15 mm；位置二位于第六節(jié)間第七節(jié)點(diǎn)縱橫梁交界處，裂紋長(zhǎng)190 mm、寬0.15 mm。

圖2 開(kāi)裂節(jié)點(diǎn)板

2 測(cè)試方案

針對(duì)縱梁上平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板病害，在開(kāi)裂節(jié)點(diǎn)板的裂紋端點(diǎn)及裂紋中部布置應(yīng)變花，見(jiàn)圖3。為明確連接板受力情況，對(duì)病害節(jié)點(diǎn)板最近位置橋枕及主要受力的節(jié)點(diǎn)連接角鋼上布置應(yīng)變片。試驗(yàn)荷載為正常通過(guò)的列車(chē)。在為期2 d的測(cè)試期間，共測(cè)量了139趟列車(chē)通過(guò)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)。

圖3 節(jié)點(diǎn)板開(kāi)裂處及其附近測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

列車(chē)速度24 ～ 90 km/h，車(chē)型及編組包括：C64（5 000 t 編組）、C70（5 000、10 000 t 編組）及C80（5 000、10 000 t 編組）。其中，C64 軸重約21 t，均布荷載約61 kN/m；C70 軸重約23.5 t，均布荷載約66 kN/m；C80軸重約25 t，均布荷載約82 kN/m。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 應(yīng)變花數(shù)據(jù)處理

應(yīng)變花數(shù)據(jù)采用平面應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行處理［11］，計(jì)算全時(shí)程主應(yīng)力，計(jì)算式為

式中：σ1、σ2分別為主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力；ε為測(cè)量應(yīng)變（下標(biāo)x、y分別為0°、90°應(yīng)變角度，45°為應(yīng)變角度）；E、ν分別為鋼材彈性模量和泊松比。

3.2 病害處應(yīng)力分析

試驗(yàn)過(guò)程中2 號(hào)應(yīng)變花0°方向應(yīng)變片損壞，故無(wú)法計(jì)算應(yīng)變花2號(hào)位置主應(yīng)變大小及對(duì)應(yīng)角度。根據(jù)基本受力情況可判斷應(yīng)變花2 號(hào)位置主拉應(yīng)變應(yīng)與90°方向相近，故采用90°方向應(yīng)變片最大拉應(yīng)變代替主拉應(yīng)變幅值。

分別提取C64、C70 及C80 型列車(chē)作用下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變-時(shí)程曲線(xiàn)，并根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算得到對(duì)應(yīng)主拉應(yīng)力。典型車(chē)型節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力特征值見(jiàn)表1。可知，位置一裂紋邊部（1 號(hào)應(yīng)變花）及位置二的應(yīng)力水平較低，位置一裂紋中部（2 號(hào)應(yīng)變花）位置應(yīng)力水平較高，且隨列車(chē)軸重變化明顯。C64、C70 和C80 的軸重比值約1∶1.12∶1.19，均布活載比值約1∶1.08∶1.34，而應(yīng)變花2處應(yīng)力幅比值約為1∶1.25∶1.69，可見(jiàn)節(jié)點(diǎn)板處應(yīng)力幅比值已明顯大于對(duì)應(yīng)活載比值。隨著活載的增加，節(jié)點(diǎn)板應(yīng)變呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

表1 典型車(chē)型作用下節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力特征值MPa

3.3 病害附近連接角鋼及橋枕應(yīng)力分析

為明確兩處病害節(jié)點(diǎn)板受力情況，對(duì)最近位置連接角鋼及復(fù)合材料橋枕進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)量。典型車(chē)型作用下橋枕及連接角鋼應(yīng)力特征值見(jiàn)表2。

表2 典型車(chē)型作用下橋枕及連接角鋼應(yīng)力特征值 MPa

由表2可知，連接角鋼應(yīng)力較小，且角鋼截面面積較小，計(jì)算得到桿件軸力約為20 kN，換算為節(jié)點(diǎn)板名義應(yīng)力約為4.0 MPa。由于應(yīng)力較低，可認(rèn)為角鋼拉力并非節(jié)點(diǎn)板開(kāi)裂主要原因。另外，病害附近位置橋枕上、下表面應(yīng)力相近（表3），橋枕所受荷載為純彎荷載，軸力作用很小。綜上，節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力并非由連接角鋼及橋枕引起。

表3 典型車(chē)型橋枕上下表面應(yīng)力平均值MPa

4 開(kāi)裂節(jié)點(diǎn)板金相分析

試驗(yàn)完成后橋梁管理單位對(duì)開(kāi)裂節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行了更換，對(duì)更換下來(lái)的節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行了斷口宏觀(guān)分析（圖4）及金相分析（圖5）。由圖4可知：鋼材組織主要為鐵素體，未發(fā)現(xiàn)脫碳和其他異常組織，金相組織正常；裂紋呈多源萌生，分為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)，為典型的疲勞裂紋斷面。由圖5 可知：鋼材本身并無(wú)雜質(zhì)等材質(zhì)問(wèn)題，裂紋為典型疲勞裂紋，開(kāi)裂本身并非由偶發(fā)因素導(dǎo)致。

圖4 節(jié)點(diǎn)板開(kāi)裂斷口宏觀(guān)分析

圖5 病害節(jié)點(diǎn)板裂紋起源處金相照片

5 結(jié)語(yǔ)

隨著列車(chē)軸重的增加，節(jié)點(diǎn)板開(kāi)裂處應(yīng)力與軸重呈非線(xiàn)性變化。節(jié)點(diǎn)板鋼材金相組織正常，裂紋屬典型疲勞裂紋。建議類(lèi)似重載鐵路鋼梁管理單位增加橋梁巡檢工作，及時(shí)替換病害節(jié)點(diǎn)板。若更換節(jié)點(diǎn)板仍有裂紋萌生應(yīng)對(duì)橋面系薄弱位置進(jìn)行加固，增加縱橫梁剛度。