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1、文章编号:1003-4722(2006)S1-00143-03铁路钢桁梁桥状态评估潘志明(广州铁路集团公司工务检测所,广东 广州 510600)摘要:以京广上行线洣河大桥为例介绍铁路钢桁梁桥的状态评估方法,为维修加固和更新改造提供依据。关键词:铁路桥;钢桁梁;疲劳;状态评估中图分类号:U448.13;U446文献标识码:ACondition Assessmentof Railway Steel Truss Girder BridgesPAN Zhi-ming(Permanent W ay Inspection&Test Divisio n,Guangzhou Railway Group Co.
2、,L td.,Guangzhou 510600,China)Abstract:By way of example of M ihe River Bridge on the up line of Beijing-Guangzhou Rai-lway,the methods for condition assessment of railw ay steel truss girder bridges are illustratedtopro vide bases for maintenance,streng thening,upgrading and reconstructionof the ty
3、pe of thebridges.Key words:railw ay bridg e;steel truss girder,fatigue,conditio n assessment收稿日期:2006-03-30作者简介:潘志明(1964-),男,工程师,1986 年毕业于西南交通大学桥梁工程专业,工学学士。1前言既有线铁路桥梁由于历史原因或运营原因难免会出现一些病害,如战争年代钢梁腹板留下弹孔、桥梁振幅超限、支座位移超限、桥梁限界不足等。本文以京广上行线洣河大桥为例对既有线铁路钢桁梁桥检测进行介绍,为桥梁的维修加固和更新改造提供依据。2桥梁概况京广上行线洣河桥建于1935 年,全桥位于平坡
4、直线上。该桥由16 孔钢梁组成,其结构布置为1 19.00 m 上承式钢板梁+2 46.52 m 华伦式钢桁梁+1319.00 m 上承式钢板梁,桥梁全长397.40m。桁梁桁高9.208 m,主桁中心距5.514 m。洣河上行桥是一座建于解放前的铆接钢梁桥,已运营近 70 年,由于战争破坏、材料腐蚀等原因,该桥的梁体受到的损伤很多,1946 年,铁路局 对洣河桥进行修复,其第 3 孔由原第2、3 孔被炸毁后落入水中的钢材拼装而成。修复时为了连接炸断的杆件,增加了 5 处拼接点。但由于近年来京广铁路多次提速,列车过桥速度和运量不断增加,桥梁疲劳逐步成为突出问题。另外,该桥第3 孔桁梁在列车通过
5、时横向晃动明显,影响行车安全。3检测内容参照铁路桥梁检定规范(以下简称 检规)及其他规范相关规定,结合桥梁实际情况,主要进行了以下几项检测:桥梁结构振动试验、钢桁梁活动支座位移、钢桁梁列车荷载作用下动挠度监测、桥梁限界检查、桥梁外观调查、疲劳寿命评估。4检测仪器及设备各项检测所需仪器设备如下。桥梁振动:拾振 器、放大 器、INV306 型 数据采集与处理仪、雷达测速仪、微机。钢桁梁动挠度:桥梁状态监测系统。143铁路钢桁梁桥状态评估潘志明名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -支座位移:位移计、电桥盒、YD-28 动 态应变仪、数据采集与处理仪、微机。桥梁限界:
6、钢卷尺。桥梁外观调查:数码相机、钢卷尺。疲劳寿命评估:应变片、电桥盒、YD-28 动态应变仪、数据采集与处理仪、微机。5检测方法及数据分析5.1桥梁结构振动试验本次试验主要采集第2、3 孔下承华伦式桁梁在过往列车作用下产生的横向振动试验数据进行分析,以评估桁梁的技术状态。5.1.1试验目的及测点布置通过第 2、3 孔梁跨中横向振动幅值及自振频率的对比分析得出综合评判指标,与检规简支梁的通常值相比较来评估该桥的动力特征,判断该桥运营工作状 态是 否 正常。拾振器 布置 在 跨中(共 4个),布置情况见图1。图 1钢桁 梁拾振器和应力测试布置示意5.1.2试验数据分析自振频率是反映结构本身动态特性
7、的基本指标。当桥梁结构健全时,其频率特 性具有保持性。而当结构某些部位发生病害时,由于刚度降低,在谱图上反映为自振频率下降甚至出现幅值较大的低频分量。本试验通过测量用余振法确定结构的固有频率。其分析结果见表1。表 1桥梁结构自振频率(横向)分析第 2 孔桁梁第 3 孔桁梁实测自振频率/H z1.8551.953检规限值/H z2.1492.149实测值与 检规限值之比0.8630.909从实测结果可见,两孔钢桁梁自振频率均小于检规规定的横向最低自振频率参考限值,不符合检规要求。振动幅值的大小直接反映了结构抵抗外力作用下变形的综合能力,其值越小说明结构抵抗外力的能力越大;其值太大,会影响桥梁的稳
8、定性,危及桥梁结构的安全、线路的整体性、动态稳定性,进而影响行车安全。列车通过时各测点实际量测得到的横向最大振幅值结果见表2。表 2跨中横向最大振幅与 检规 规定值分析项目第 2 孔跨中第 3 孔跨中左下弦右下弦左下弦右下弦实测横向最大振幅 Amax/m m货车4.4684.4833.9573.784客车1.0010.9491.5341.453行快1.8171.9121.8711.705行包、客车最大测值与检规通常值之比1.441.521.491.35货车最大测值与检规通常值之比1.381.381.381.47注:客车 120 k m/h检规通常值 1.259 mm;货车 80 km/h检规通
9、常值 3.245 mm;检规安全 限 值6.66 mm;/左右侧 0是按面向线路里程增加方向左右侧为准。从实测结果可见,客货车通过时第2、3 孔桁梁的横向最大幅值均小于检规安全限值,但实测横向振幅有部分大于 检规通常值,第 2、3 孔货车振幅通常值超限率均为41%,第 2、3 孔客车振幅通常值超限率分别为1.6%和 23%,不满足 检规 要求。从实测时域波形图(见图 2)可以看出,在列车过后,第 3 孔所产生的余振持续的时间比第2孔长,说明第 3 孔桁梁的阻尼比第2 孔桁梁小,第 3 孔桁梁的联结刚度较第2孔桁梁为弱,应引起重视。图 2横向振动测点时域波形图本次试验对第3孔桁梁的跨中横向加速度
10、进行了测试,所 录得的最大值为0.856 m/s2,小 于检规所规定的横向加速度限值amax=1.4 m/s2,满足检规要求。5.2钢桁梁动挠度监测采用桥梁状态监测系统对第2 孔钢桁梁进行了动挠度测试,测试结果:重车作用产生的下挠度为17.5 mm,其挠跨比为1/2 660,小于限值1/1 500,即 31 mm,满足要求。图3 为重车作用下的挠度曲144桥梁建设2006 年增刊 1名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -线。一般下挠度最大值为重车作用,其次为机车作用,客车和空车作用的下挠度值为机车作用的 2/3和 1/3。图 3重车作用下的挠度曲线5.3钢桁梁
11、活动支座位移监测本桥钢桁梁固定支座位于南端,活动支座位于北端。本次试验采集了列车通过时两孔4 个活动支座的纵向位移量,位移量的范围见表3。表 3支座位移列车类型实测活动支座纵向位移/mm2 孔左侧2 孔右侧3 孔左侧3 孔右侧货车空车1.57 1.801.71 1.982.01 2.212.37 2.72空重混编3.01 3.713.12 3.813.12 3.904.15 4.83客车1.21 2.121.32 2.111.62 2.501.92 3.10支座纵向位移量与支座自身的工作状态、列车荷载、钢桁梁联结体系、线桥偏心等都有一定关系。从本次测试来看,两孔梁右侧的位移值要略大于左侧的位移
12、值。5.4钢桁梁限界检查该桥桁梁净空侵入限界,其劣化等级达A1 级,为不合格桥,具体数值见表4。表 4钢桁梁净空尺寸mm位置净距净距富余量上水侧下水侧上水侧下水侧第 2 跨南端2 445.52 437.55.5-2.5第 2 跨北端2 4382 456-216第 3 跨南端2 4522 42912-11第 3 跨北端2 455.52 424.515.5-15.55.5全桥病害调查根据铁路桥隧建筑物状态评定标准的规定,桥隧建筑 物 劣化 分为A、B、C 三级,A 级又 分 为AA、A1 两等。凡结构 物或 主要 构件 功能 严重 劣化,危及行车安全,评定为 A 级 AA 等(极严重);凡结构物或
13、主要构件功能严重劣化,进一步发展会危及行车安全,评定为 A 级 A1 等(严重);凡结构物或构件功能劣化,进一步发展将会升为A 级,评定为B 级(较重);凡结构物或构件劣化,对其使用功能和行车安全影响较少,评定为 C 级(较轻)。结构物或构件状态评定为A 级者,一般需采取限速、限载等措施,尔后再通过大修或更新改造进行整治;结构物或构件状态评定为B 级者,一般不需对建筑物进行限速或限载,只需要通过维修进行整治,但对于较大病害需要通过大修进行整治。洣河上行桥年代久远,又经过战争的洗礼,致使桥梁本身的病害较多,虽经过多次的加固整修,但仍有不少病害难以整治,其中:桁梁竖杆和斜杆部分需经过加固处理,纵、
14、横梁腹板普遍变形,最大变形矢度达 30 mm。劣 化等 级达 A1,支座 普遍 陷槽、流锈、不密贴,劣化等级达AA。5.6疲劳剩余寿命评估应力历程是对列车荷载作用的直观反映,通过对列车荷载进行比较,可以大致掌握疲劳应力特点。应力历程测试从2001 年 7 月 20 日 11:30 开始至 7 月 21 日 11:30 结束,历时 24 h。一昼夜间累计通过客车60 趟(速度 81 100 km/h),货车 39 趟(速度 34 64 km/h),行包快运5 趟(速度 71 86km/h),单机头 1 趟(速度 68 km/h)。根据京广线长台关桥疲劳测试的资料,按 M in-er 线性累计损伤
15、原理计算所造成的损伤度时,一昼夜与七昼夜的平均值相差小于1.5%,一昼夜之间损伤度最大相差小于3%1。这说明在相当近的时间内,每昼夜的运量是均衡的。所以测试的数据是足够的,可以用于统计分析。据现场检查及利用现场实测应力谱和历年运量资料,对钢桁梁疲劳剩余寿命进行评估,洣河桥的寿命由吊杆控制。客车作用下构件的应力历程见图4,吊杆应力谱见图5。总疲劳寿命大致为76 年,若保持目前现状,即可使用到2008 年左右 2。图 4客车作用下构件的应力历程图 5吊杆应力谱(下转第 149页)145铁路钢桁梁桥状态评估潘志明名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -5.2支座反力监
16、测要通过改变梁内扭矩分布状态,达到梁端不再翘曲的目的,就必须在现场整治工作中测试支座反力值,以便与理论计算进行对比,确保现场整治施工达到设计要求,同时也可为今后的桥梁运营监测提供数据,因此支座反力的测试工作是决定整治工作成败的又一关键点。5.2.1墩支座反力测试顶升过程中,中墩的反力通过油表读数可知,但要确保整治工作一次到位,就必须了解顶升后其变化情况如何,损失多少,为此在方案讨论时,曾考虑利用测力支座,但综合分析后,决定利用钢弦式传感器测试中墩反力。5.2.2边墩内侧支座反力测试对于原有支座的反力测试,目前尚无先例,但如果测试精度达不到要求,整治工作就将失败。为此,通过多次试验研究,决定采用
17、电子百分表等设备测试支座反力值。通过边墩支座反力的测试,为设计提供了大量的数据,对整治工作的成功起到了关键作用。6结语曲线梁桥的设计计算比较复杂,除承受弯矩、剪力外,还有较大扭矩和翘曲双力矩的作用,其温度效应、预应力效应、活载的影响面加载都不同于直线梁桥的计算。据有关报道,深圳市 40 座立交桥中,有 19 座立交桥存在大小不同的问题,如连续梁曲线内侧端支座脱空、曲线梁体向曲线外侧径向整体侧移、墩梁固结处在立柱顶部(与梁底衔接处)产生水平环形裂缝等,其他地区也出现同样的问题,这些现象的出现将危及桥梁的正常使用。目前本桥加固后已运营1 年多,通过对中墩支座反力的定期监测,表明加固整治工作已取得成
18、功。(上接第 145 页)6结论与建议综合频域、幅值的特征分析结果,钢桁梁的横向自振频率不符合 检规要求;第 2、3 孔桁梁的横向最大幅值均小于 检规安全限值,但实测横向振幅有部分大于检规通常值,不满足检规要求。经现场应力测试和疲劳计算分析认为,理论上洣河桥第 3 孔钢桁梁的总疲劳寿命大致为76 年,可使用到2008年左右。建议:空车或空重混编货车限速40 km/h。工务段结合此次检测,应对全桥支座进行全面整治。工务段结合轨检资料,应加强线路检查与整治,保证轨距与桁梁净空满足桥梁限界要求,防止线桥偏心,同时加强观测车速在40 km/h 以上的全列空车或空重混编货车通过桥梁时的振动状况,确保铁路
19、运输安全。对 该桥 存在 的劣 化 等级 达到AA 级及 A1 级的部位,应尽快落实整治方案,消除隐患。如果进行适时整修,减少桥梁振动,可使桥梁使用寿命得到较明显延长。其中最便捷的方法是对桁梁的各支座进行加固整修,以缓解桥梁的摇摆和振动,均衡 2 片主桁的应力。参考文献:1史永吉.铁 路钢 桥疲 劳 与剩 余寿 命评 估 J.铁道 建筑,1995,(增刊):44-77.2李亚东,祝兵,徐俊.京广 铁路衡阳 段洣河桥应 力测试与剩余疲劳寿命评估报告 R.成都:西南交通 大学,2002.149某预应力混凝土曲线箱梁桥的病害及加固黄志坚,曹传林名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -