鐵路鋼橋維修加固構(gòu)想
2011-09-20 來(lái)源:中國(guó)百科網(wǎng)
一、鋼橋的現(xiàn)狀

    鋼橋具有悠久的歷史,我國(guó)鐵路線(xiàn)上仍有許多20世紀(jì)初期建造的鋼橋仍在服役,歐美地區(qū)還有19世紀(jì)末建造的鋼橋在服役中。

    鋼橋采用的鋼材經(jīng)歷了從鑄鐵鑄鋼、精煉鋼、沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、直到近代的低合金高強(qiáng)度鋼、TMCP高強(qiáng)度性能鋼。鋼橋的連接經(jīng)歷了銷(xiāo)釘連接、鉚接、直到近代的栓焊連接或焊接。鋼橋的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、直到近代的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法或極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

    基于以上特點(diǎn),現(xiàn)有鋼橋多為不同年代設(shè)計(jì)采用不同鋼材和不同連接方法建造的橋梁,給鋼橋的維修管理帶來(lái)了一定的難度,甚至有些鋼梁已失去當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工的原始資料。另一方面,由于鋼材的高強(qiáng)度、高延性、易于通過(guò)加固恢復(fù)或提高其承載力,鋼橋往往不被輕易報(bào)廢。所以,歸納總結(jié)鋼橋常見(jiàn)病害,研究其加固措施,對(duì)延長(zhǎng)既有鋼橋壽命、提高今后橋梁的維修養(yǎng)護(hù)質(zhì)量具有重要的意義。

    二、鋼橋的主要病害及分析

    (一)主要病害

    鐵路鋼橋的病害類(lèi)別,除了承載能力不足(指鋼梁檢定承載系數(shù))外,主要是桿件裂損及開(kāi)焊,其中多數(shù)為疲勞裂紋和腐蝕。1982年由鐵道部科學(xué)研究院、專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)院、大橋工程局、山海關(guān)及寶雞橋梁廠(chǎng)組成“焊接鋼梁裂紋調(diào)查研究小組”,曾對(duì)八條運(yùn)量繁忙的主要干線(xiàn)進(jìn)行調(diào)查研究,針對(duì)所發(fā)現(xiàn)的不良焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)(疲勞裂紋易發(fā)生的細(xì)節(jié))找出對(duì)策,進(jìn)行了全面修復(fù),并研究制定了新的鋼橋制造工藝,主要措施是減少或避免焊縫交叉,改善焊接幾何條件等。這些措施大大改善了鋼橋的疲勞受力狀態(tài),裂紋發(fā)生率迅速降低。這里列舉的是此次修復(fù)之后發(fā)生的鋼梁主要桿件裂損及開(kāi)焊(指主要桿件及節(jié)點(diǎn)鋼料裂紋及彎曲損傷超過(guò)允許限度,因受力而有發(fā)展的未處理或加固的開(kāi)焊)部位(最低出現(xiàn)次數(shù)為一次)。

    1、上承鋼板梁上翼緣角鋼裂紋;

    2、上承鋼板梁支座上方下翼緣鋼板斷裂;

    3、上承鋼板梁下翼緣沿支座附近的裂紋;

    4、上承鋼板梁上蓋板(中心)開(kāi)裂;

    5、上承鋼板梁上蓋板銹穿;

    6、上承鋼板梁下翼緣角鋼裂紋;

    7、上承鋼板梁加勁角鋼處下翼緣兩側(cè)對(duì)稱(chēng)裂紋;

    8、上承鋼板梁上水平斜拉桿斷裂;

    9、上承鋼板梁下翼緣聯(lián)結(jié)板裂紋;

    10、上承鋼板梁端頭上蓋板外側(cè)掉塊;

    11、上承鋼板梁上翼緣裂紋;

    12、上承鋼桁梁支座與下翼緣連接鉚釘孔周邊裂紋;

    13、下承鋼板梁支座上縱梁頂彎;

    14、下承鋼板梁節(jié)點(diǎn)兩側(cè)裂紋;

    15、下承鋼板梁加勁角鋼上部裂紋;

    16、下承鋼板梁聯(lián)結(jié)桿與縱梁聯(lián)結(jié)板裂紋;

    17、下承鋼板梁下翼緣水平裂紋;

    18、下承鋼板梁支座連接板處裂紋;

    19、下承鋼桁梁支座上方橫梁下部裂紋;

    20、鉚焊下承鋼板梁上下水平聯(lián)結(jié)角鋼處裂紋;

    21、半穿式桁梁橫梁底彎曲;

    22、槽形板梁上蓋板油漆失效;

    分析上述出現(xiàn)裂紋部位,主要原因是疲勞損傷。這里做一重點(diǎn)概要分析。

    (二)分析

    1、疲勞損傷基本概念

    鋼材屬于高疲勞程度周次疲勞問(wèn)題,疲勞曲線(xiàn)方程為

     (1)

    或  (2)

    其主要特征是:

    (1)產(chǎn)生疲勞的主要因素:拉應(yīng)力、拉應(yīng)力循環(huán)、晶格間產(chǎn)生微錯(cuò)位;

    (2)疲勞裂紋擴(kuò)展方向垂直于主力方向;

    (3)疲勞裂紋發(fā)展三階段:萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展。

    前兩個(gè)階段很難通過(guò)觀(guān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變形而被發(fā)現(xiàn),第三階段是脆性破壞,所以疲勞是危險(xiǎn)很大的一種破壞。

    影響焊接鋼橋疲勞性能的主要因素是:循環(huán)應(yīng)力幅度 ,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n,結(jié)構(gòu)和連接的形狀、焊接缺陷、殘余應(yīng)力等。疲勞檢算是根據(jù)疲勞曲線(xiàn),針對(duì)被檢查的接頭,使所發(fā)生的應(yīng)力及設(shè)計(jì)中預(yù)定的循環(huán)次數(shù)應(yīng)低于疲勞曲線(xiàn)。見(jiàn)圖1.

    (3)

    2、疲勞裂紋的分類(lèi)

    從受力分析狀態(tài)疲勞裂紋可分為因主應(yīng)力引起的疲勞和因次應(yīng)力引起的疲勞,以及腐蝕疲勞。經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的積累,鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)定采用的疲勞驗(yàn)算方法,已經(jīng)可以避免因主應(yīng)力使疲勞裂紋發(fā)生的情況。需要關(guān)注的是次應(yīng)力問(wèn)題和腐蝕疲勞。本文描述的鋼梁常見(jiàn)病害,多起源于次應(yīng)力,也有腐蝕問(wèn)題。

    (1)次應(yīng)力

    產(chǎn)生次應(yīng)力的條件有:

    ①腹板面外變形,在某小間隙處受到約束引起次應(yīng)力;

    ②二相鄰構(gòu)件變形的差引起次應(yīng)力,如上承式桁梁、縱梁與橫梁連接處;

    ③局部振動(dòng)在構(gòu)件連接處引起較大的次應(yīng)力,如桁架橋中的豎桿及平聯(lián)、板梁中的桁式平聯(lián)和橫聯(lián)。特別在高速行車(chē)時(shí)更易引起較大振幅;

    ④支座豎向轉(zhuǎn)動(dòng)或活動(dòng)支座縱向唯一失靈引起次彎曲;

    ⑤早期鉚接鋼橋的縱梁上翼緣常常采用雙角鋼,因枕木彎曲變形及鉤螺栓的強(qiáng)約束引起角鋼水平肢的面外變形;

    ⑥其他不適當(dāng)?shù)臉?gòu)造設(shè)計(jì)和施工。

    次應(yīng)力引起疲勞裂紋的特點(diǎn)是:

    ①設(shè)計(jì)中很難計(jì)算次應(yīng)力,所以基本未做疲勞檢驗(yàn);

    ②在運(yùn)營(yíng)早期就會(huì)產(chǎn)生裂紋,最早在1~3個(gè)月即會(huì)出現(xiàn);

    ③重現(xiàn)率高,同樣部位出現(xiàn)數(shù)量多;

    ④初期某些裂紋尚未擴(kuò)展至主構(gòu)件(削弱主構(gòu)件斷面),暫不對(duì)主結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。

    (2)腐蝕

    在鋼橋中高強(qiáng)度螺栓的延遲斷裂也不少見(jiàn)。所謂延遲斷裂,是指在靜荷載下(承受較高應(yīng)力的狀態(tài)),經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間,由缺口、疲勞裂紋、腐蝕坑等應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋,在不發(fā)生塑性變形情況下發(fā)生的突然脆斷破壞現(xiàn)象。又稱(chēng)為靜疲勞破壞,或氫脆疲勞。其原因是由于鋼材中含氫,或環(huán)境含氫,或腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生的氫侵入鋼材而造成的氫脆。外部原因是有應(yīng)力集中,構(gòu)件處于較高的應(yīng)力水平。高強(qiáng)度螺栓延遲斷裂中,級(jí)的螺栓發(fā)生較多。

    三、維護(hù)對(duì)策

    建立橋梁檢測(cè)→診斷→修補(bǔ)加固的維護(hù)系統(tǒng),是鋼橋維修管理的重要環(huán)節(jié)。

    (一)鋼橋的檢查

    分日常檢查、定期檢查(詳細(xì)檢查)、特殊檢查和檢定試驗(yàn)四種。日常檢查主要通過(guò)日常巡視,采用目視法,對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)進(jìn)行檢查。定期檢查一般周期為4~5年,采用目視和簡(jiǎn)單儀器對(duì)基礎(chǔ)、支座、易發(fā)生劣化和損傷的部位進(jìn)行檢查。當(dāng)發(fā)生車(chē)輛船舶撞擊、臺(tái)風(fēng)、地震、火災(zāi)等意外情況是,進(jìn)行特殊檢查。當(dāng)上述三項(xiàng)檢查結(jié)論認(rèn)為必要時(shí),進(jìn)行靜力和動(dòng)力檢定試驗(yàn),全面測(cè)試結(jié)構(gòu)機(jī)能(應(yīng)力和變形)和動(dòng)力性能。

    1、檢查項(xiàng)點(diǎn)

    ①涂膜劣化及腐蝕狀態(tài);

    ②建筑界限。指下承式橋梁建筑限界有無(wú)富裕量,特別是大型貨物通過(guò)時(shí);

    ③列車(chē)通過(guò)時(shí)梁的振動(dòng)狀態(tài)。在橋上感覺(jué)是否有異常振動(dòng)和聲音;

    ④支座的異常及破損;

    ⑤鉚釘和螺栓的變化(松動(dòng)、斷裂和脫落);

    ⑥焊縫和母材的變化(裂紋等);

    ⑦排水設(shè)備的狀態(tài);

    ⑧步行道及橋上附屬設(shè)施的變化;

    ⑨修補(bǔ)和加固處的再變化;

    ⑩火災(zāi)、撞擊和地震等引起的損傷。

    2、鋼橋性能的測(cè)試及評(píng)定

    進(jìn)行檢定試驗(yàn)時(shí),需要測(cè)定的主要內(nèi)容:

    (1)列車(chē)荷載測(cè)定

    ①目的:推算耐久性評(píng)定的荷載,推算換算撓度計(jì)算的軸重,計(jì)算現(xiàn)有承載力時(shí)的實(shí)測(cè)荷載;

    ②測(cè)定內(nèi)容:在鋼軌(枕木之間)軌腰上布置應(yīng)變計(jì)測(cè)軸重,在一定測(cè)定距離內(nèi)(貨車(chē)大于40m,客車(chē)大于60m)測(cè)試列車(chē)速度;

    ③根據(jù)實(shí)測(cè)的列車(chē)活載(軸重和軸距),計(jì)算最大應(yīng)力(用實(shí)測(cè)斷面計(jì)算),進(jìn)而用下式評(píng)定現(xiàn)有的應(yīng)力比:

    (2)主梁的承載力和耐久性

    ①目的:評(píng)定構(gòu)件的承載力,評(píng)定危險(xiǎn)構(gòu)件細(xì)節(jié)的疲勞累積損傷度和剩余壽命;

    ②測(cè)定內(nèi)容:主梁(或主桁架)、橫梁和縱梁的最大應(yīng)力和撓度,被評(píng)定細(xì)節(jié)的應(yīng)力譜;

    ③用現(xiàn)有應(yīng)力比評(píng)定承載力:

    ④采用專(zhuān)用程序統(tǒng)計(jì)被評(píng)定細(xì)節(jié)的應(yīng)力譜并計(jì)算疲勞累積損傷度,進(jìn)行耐久性評(píng)定:

    (3)主梁撓度

    ①目的:評(píng)定列車(chē)走行安全性和乘員的舒適性,求算主梁健全性的剛度指標(biāo);

    ②測(cè)定內(nèi)容:主梁跨中最大撓度,縱橫交點(diǎn)處最大撓度,斜梁的主梁端部左右鋼軌位置的撓度差;

    ③根據(jù)表1~表3進(jìn)行列車(chē)走行性評(píng)定。
    主梁撓度臨界值  表1

    縱橫梁交點(diǎn)處撓度臨界值 表2

    

    斜梁中主梁端部左右鋼軌位置撓度差限值 表3

    

    

    (4)主梁橫向變位及振動(dòng)

    ①目的:評(píng)定列車(chē)走行安全性和乘員的舒適性;

    ②測(cè)定內(nèi)容:在主梁或縱梁跨中下翼緣,垂直于橋軸的水平方向設(shè)置加速度儀,測(cè)定列車(chē)通過(guò)時(shí)的加速度,由加速度波形計(jì)算橫向振動(dòng)頻率及振幅;

    ③根據(jù)式(10)對(duì)橫向振幅臨界值進(jìn)行評(píng)定。

    (5)支座與梁、支座與墩臺(tái)之間的錯(cuò)位變位

    ①目的:考察橋梁各構(gòu)件是否正常移動(dòng);

    ②測(cè)定內(nèi)容:列車(chē)通過(guò)時(shí),測(cè)試支座與主梁之間的縱向滑動(dòng)變位,支座與墩臺(tái)之間的縱向錯(cuò)位和橫向錯(cuò)位;

    ③評(píng)定支座位置錯(cuò)動(dòng),即支座與梁之間的位移實(shí)測(cè)值應(yīng)小于(11)式的計(jì)算值:

    (11)

    式中: -跨長(zhǎng)(m)。

    ④評(píng)定支座的活動(dòng)機(jī)能,通過(guò)支座與墩臺(tái)之間的錯(cuò)位、支座前后與墩臺(tái)之間的垂直變位(傾斜)的實(shí)測(cè)值評(píng)定。

    (6)測(cè)定主梁恒載狀態(tài)

    ①目的:測(cè)定梁在恒載時(shí)的固有頻率,可推算恒載的大小和恒載撓度,維修時(shí)千斤頂?shù)捻斄Α⒘旱墓岸鹊龋?br />
    ②測(cè)定內(nèi)容:用加速度儀于跨中測(cè)得梁的固有振動(dòng)頻率,計(jì)算得到恒載的大小和恒載撓度。梁非加載時(shí)的固有振動(dòng)頻率由列車(chē)通過(guò)后殘留的自由振動(dòng)波形通過(guò)頻譜分析求得;

    ③由(12)式進(jìn)行恒載大小的估算:

    四、修補(bǔ)和加固

    (一)補(bǔ)修設(shè)計(jì)的基本注意事項(xiàng)

    橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害并導(dǎo)致承載能力的降低,必須恢復(fù)其承載能力,要明確劃分修補(bǔ)和加固之間的界限是很難的。補(bǔ)修設(shè)計(jì)必須考慮結(jié)構(gòu)對(duì)象損傷的種類(lèi)、損傷原因、損傷程度、施工方法和補(bǔ)修后的效果,難以用同意的模式規(guī)定補(bǔ)修合計(jì)是否恰當(dāng),但基本注意事項(xiàng)如下:

    ①注意強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求。由于局部補(bǔ)強(qiáng),使原結(jié)構(gòu)體系、應(yīng)力分布和應(yīng)力傳遞途徑發(fā)生變化,在計(jì)算上往往要從不同角度進(jìn)行分析;

    ②注意是否帶來(lái)其它新的問(wèn)題。如更換局部構(gòu)件,應(yīng)考慮影響范圍。局部加固將使重量增加,注意對(duì)下部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和對(duì)其它構(gòu)件的影響,以及是否造成應(yīng)力集中等;

    ③設(shè)計(jì)必須考慮施工方法。不中斷交通進(jìn)行補(bǔ)修作業(yè)時(shí),需要在交通荷載作用下和振動(dòng)狀態(tài)下施工,設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行充分的研究,如鋼材現(xiàn)場(chǎng)焊接、構(gòu)件切割等施工質(zhì)量問(wèn)題。此外,由于作業(yè)空間和作業(yè)時(shí)間制約,作業(yè)方式、加固構(gòu)件大小等問(wèn)題均需研究;

    ④注意是否經(jīng)濟(jì);

    ⑤注意補(bǔ)修后的美觀(guān)。

    (二)鋼橋的修補(bǔ)及加固

    1、涂裝維修

    涂裝維修在鋼橋維修中占有重要地位,這一方面是由于涂裝費(fèi)用在鋼橋維修管理費(fèi)中占很大比例,更因?yàn)殇摬母g將直接削弱構(gòu)件斷面,導(dǎo)致承載力降低,涂裝還是鋼橋影響外觀(guān)的著裝。

    更換涂裝的壽命周期和涂裝設(shè)計(jì)根據(jù)環(huán)境、橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件、涂料及其配套體系、涂裝工藝和涂料價(jià)格確定。鐵路鋼橋涂膜最易劣化部位是橋面系機(jī)車(chē)通過(guò)的上方構(gòu)件(尤其是縱梁上翼緣)、節(jié)點(diǎn)和支座處、板件棱角和螺栓處,這些部位的涂裝應(yīng)予特別關(guān)注,如縱梁上翼緣,因積水、受磨、及化學(xué)腐蝕,應(yīng)采用超厚膜涂裝體系:熱噴鋅+玻璃鱗片漆。

    2、補(bǔ)強(qiáng)及加固

    通常有鋼材腐蝕補(bǔ)強(qiáng)、疲勞裂紋補(bǔ)強(qiáng)和提高承載力的加固。根據(jù)不同病害部位設(shè)計(jì)相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)方案。宜用高強(qiáng)度螺栓拼接加固,慎用現(xiàn)場(chǎng)焊接拼接、補(bǔ)焊加固。

    3、鉚釘和高強(qiáng)度螺栓脫落

    在用高強(qiáng)度螺栓更換鉚釘時(shí),宜整節(jié)點(diǎn)全部更換,不宜部分更換。

    五、結(jié)語(yǔ)

    橋梁作為交通工程的重要組成部分,數(shù)量大,結(jié)構(gòu)規(guī)模大,改造周期長(zhǎng),需要長(zhǎng)期保持其機(jī)能。因此必須建立健全橋梁維修管理系統(tǒng),對(duì)病害做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、跟蹤、整治。隨著橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步,常見(jiàn)病害也會(huì)不斷“更新”,這將是一門(mén)不斷發(fā)展的學(xué)科,隨著經(jīng)驗(yàn)的積累和加固技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展著。
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