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铁路钢桥常见病害与维修

  摘要:我国铁路钢桥历史悠久,建造年代各不相同,目前铁路上还有许多钢桥是在20世纪初期建造的。:桥梁经过年劣化将逐步降低其技能,影响桥梁结构的安全性。本文主要描述铁路钢桥常见病害,以及常用维修加固对策。

  关键词:钢桥,病害,维修

  Abstract: China's railway steel bridge has a long history, and built in various time. And there are many steel bridge built in the early 20th century. With time passing, the bridge gradually has reduced its functions, which affects the security of the bridge structure. This paper mainly describes the common diseases of railway steel bridge, as well as the common maintenance and reinforcement measures.

  Key words: bridge; diseases; repair

  中图分类号 :U448.36 文献标识码: A 文章编号:

  一、钢桥的现状

  钢桥具有悠久的历史,钢桥采用的钢材经历了从铸铁铸钢、精炼钢、沸腾钢、镇静钢、直到近代的低合金高强度钢、TMCP高强度性能钢。钢桥的连接经历了销钉连接、铆接、直到近代的栓焊连接或焊接。钢桥的设计经历了经验设计法、直到近代的容许应力设计法或极限状态设计法。

  基于以上特点,现有钢桥多为不同年代设计采用不同钢材和不同连接方法建造的桥梁,给钢桥的维修管理带来了一定的难度,甚至有些钢梁已失去当时设计、施工的原始资料。另一方面,由于钢材的高强度、高延性、易于通过加固恢复或提高其承载力,钢桥往往不被轻易报废。所以,归纳总结钢桥常见病害,研究其加固措施,对延长既有钢桥寿命、提高今后桥梁的维修养护质量具有重要的意义。

  二、钢桥的常见病害

  (一)主要病害

  铁路钢桥的病害类别,除了承载能力不足(指钢梁检定承载系数 )外,主要是杆件裂损及开焊,其中多数为疲劳裂纹和腐蚀。主要措施是减少或避免焊缝交叉,改善焊接几何条件等。这些措施大大改善了钢桥的疲劳受力状态,裂纹发生率迅速降低。

  (二)分析

  1、疲劳损伤基本概念

  钢材属于高疲劳程度周次疲劳问题,疲劳曲线方程主要特征是:

  (1)产生疲劳的主要因素:拉应力、拉应力循环、晶格间产生微错位;

  (2)疲劳裂纹扩展方向垂直于主力方向;

  (3)疲劳裂纹发展三阶段:萌生、稳定扩展、失稳扩展。

  前两个阶段很难通过观测结构的变形而被发现,第三阶段是脆性破坏,所以疲劳是危险很大的一种破坏。

  2、铁路钢桥疲劳损伤的主要原因

  (1)结构构造考虑不当。

  (2)在杆件相互连接部位产生挠度和位移错动。

  (3)梁跨周围发生变化二产生不利影响。

  (4)腐蚀而引起板材表面变形。

  (5)制造和加工不当。

  (6)焊接缺陷。

  3、疲劳裂纹的分类

  从受力分析状态疲劳裂纹可分为因主应力引起的疲劳和因次应力引起的疲劳,以及腐蚀疲劳。经过几十年的实践和经验的积累,铁路桥梁设计规定采用的疲劳验算方法,已经可以避免因主应力使疲劳裂纹发生的情况。需要关注的是次应力问题和腐蚀疲劳。本文描述的钢梁常见病害,多起源于次应力,也有腐蚀问题。

  (1)次应力

  产生次应力的条件有:

  ①腹板面外变形,在某小间隙处受到约束引起次应力;

  ②二相邻构件变形的差引起次应力,如上承式桁梁、纵梁与横梁连接处;

  ③局部振动在构件连接处引起较大的次应力,如桁架桥中的竖杆及平联、板梁中的桁式平联和横联。特别在高速行车时更易引起较大振幅;

  ④支座竖向转动或活动支座纵向唯一失灵引起次弯曲;

  ⑤早期铆接钢桥的纵梁上翼缘常常采用双角钢,因枕木弯曲变形及钩螺栓的强约束引起角钢水平肢的面外变形;

  ⑥其他不适当的构造设计和施工。

  次应力引起疲劳裂纹的特点是:

  ①设计中很难计算次应力,所以基本未做疲劳检验;

  ②在运营早期就会产生裂纹,最早在1~3个月即会出现;

  ③重现率高,同样部位出现数量多;

  ④初期某些裂纹尚未扩展至主构件(削弱主构件断面),暂不对主结构安全构成威胁。

  (2)腐蚀

  铁路桥梁属于永久性设施,运营繁忙,维护不易,因此对防腐蚀性能的要求很高。 钢桥中高强度螺栓的延迟断裂也不少见。所谓延迟断裂,是指在静荷载下(承受较高应力的状态),经过一定的时间,由缺口、疲劳裂纹、腐蚀坑等应力集中处产生裂纹,在不发生塑性变形情况下发生的突然脆断破坏现象。又称为静疲劳破坏,或氢脆疲劳。其原因是由于钢材中含氢,或环境含氢,或腐蚀反应产生的氢侵入钢材而造成的氢脆。外部原因是有应力集中,构件处于较高的应力水平。高强度螺栓延迟断裂中, 级的螺栓发生较多。

  4、钢梁焊缝与杆件损伤

  钢梁焊缝的检查和处理除桥梁制造时,严格焊缝检查外,还应在运营中特别注意焊缝及其附近母材的检查。①检查方法:目视法;铲除表面金属法;硝酸酒精侵蚀法;着色探伤法。②检查重点:对接焊缝;受拉或受反复应力杆件上焊缝及邻近焊缝热影响区的基材;杆件断面变化处焊缝;联结系节点处焊缝;加劲肋、横隔板入盖板处焊缝。③焊缝裂纹的处理:加强观测、监视,做好记录(位置、数量、大小及性质)直至采取必要的措施。根据裂纹严重程度,采取的临时措施有限制列车运行速度,限制过桥机型,限制大件运输等;整治措施有在裂纹的尖端钻孔防止裂纹发展,用高强度螺栓连接拼拉加固,抽换杆件或换梁等。裂纹一般不得补焊。

  杆件损伤如有裂纹、脱层、弯曲扭歪、缺口、孔洞等毛病,要及时研究,并进行修理。

  三、维护对策

  建立桥梁检测→诊断→修补加固的维护系统,是钢桥维修管理的重要环节。

  (一)钢桥的检查

  分日常检查、定期检查(详细检查)、特殊检查和检定试验四种。日常检查主要通过日常巡视,采用目视法,对桥梁主体结构和墩台进行检查。定期检查一般周期为4~5年,采用目视和简单仪器对基础、支座、易发生劣化和损伤的部位进行检查。当发生车辆船舶撞击、台风、地震、火灾等意外情况是,进行特殊检查。当上述三项检查结论认为必要时,进行静力和动力检定试验,全面测试结构机能(应力和变形)和动力性能。

  1、检查项点

  ①涂膜劣化及腐蚀状态;

  ②建筑界限。指下承式桥梁建筑限界有无富裕量,特别是大型货物通过时;

  ③列车通过时梁的振动状态。在桥上感觉是否有异常振动和声音;

  ④支座的异常及破损;

  ⑤铆钉和螺栓的变化(松动、断裂和脱落);

  ⑥焊缝和母材的变化(裂纹等);

  ⑦排水设备的状态;

  ⑧步行道及桥上附属设施的变化;

  ⑨修补和加固处的再变化;

  ⑩火灾、撞击和地震等引起的损伤。

  四、修补和加固

  (一)补修设计的基本注意事项

  桥梁结构出现病害并导致承载能力的降低,必须恢复其承载能力,要明确划分修补和加固之间的界限是很难的。补修设计必须考虑结构对象损伤的种类、损伤原因、损伤程度、施工方法和补修后的效果,难以用同意的模式规定补修合计是否恰当,但基本注意事项如下:

  ①注意强度是否满足要求。由于局部补强,使原结构体系、应力分布和应力传递途径发生变化,在计算上往往要从不同角度进行分析;

  ②注意是否带来其它新的问题。如更换局部构件,应考虑影响范围。局部加固将使重量增加,注意对下部结构、基础和对其它构件的影响,以及是否造成应力集中等;

  ③设计必须考虑施工方法。不中断交通进行补修作业时,需要在交通荷载作用下和振动状态下施工,设计时需进行充分的研究,如钢材现场焊接、构件切割等施工质量问题。此外,由于作业空间和作业时间制约,作业方式、加固构件大小等问题均需研究;

  ④注意是否经济;

  ⑤注意补修后的美观。

  (二)钢桥的修补及加固

  1、涂装维修

  涂装维修在钢桥维修中占有重要地位,这一方面是由于涂装费用在钢桥维修管理费中占很大比例,更因为钢材腐蚀将直接削弱构件断面,导致承载力降低,涂装还是钢桥影响外观的着装。

  正交异型钢桥面板由于具有结构合理、可减轻恒载、改善桥面的行车性能,因而在客运专线上钢桥桥面开始采用这种结构形式。铁科院与中铁二院合作研发了新的防护体系:SBD环氧富锌防锈底漆2道(厚度80~100μm),ZQFS2000聚脲弹性体涂层1道或2道(厚度1.5~2.0mm),现浇C40聚丙烯腈纤维或聚丙烯纤维网高性能混凝土保护层(厚度6cm)。对其中涉及的材料都规定了具体的技术指标。

  2、补强及加固

  通常有钢材腐蚀补强、疲劳裂纹补强和提高承载力的加固。根据不同病害部位设计相应补强方案。宜用高强度螺栓拼接加固,慎用现场焊接拼接、补焊加固。

  3、铆钉和高强度螺栓脱落

  在用高强度螺栓更换铆钉时,宜整节点全部更换,不宜部分更换。

  五、结语

  桥梁作为交通工程的重要组成部分,数量大,结构规模大,改造周期长,需要长期保持其机能。因此必须建立健全桥梁维修管理系统,对病害做到及时发现、跟踪、整治。随着桥梁建设技术的进步,常见病害也会不断“更新”,这将是一门不断发展的学科,随着经验的积累和加固技术的进步发展着。

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