既有铁路钢桥常见病害成因分析及强化对策研究

崔鑫，田越，王丽，孙宏方，程永黎

（1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081；2.朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平034100）

既有铁路钢桥常见病害成因分析及强化对策研究

崔鑫1，田越1，王丽1，孙宏方2，程永黎2

（1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081；2.朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平034100）

我国铁路桥梁中钢桥占有一定的比重。由于既有钢桥建设年代跨越范围大，设计、建设标准不统一，结构类型多样，制造工艺和材质也不尽相同，加之桥涵的服役状态差异较大，以致在长期列车荷载作用和环境、自然因素的影响下，部分钢材出现了腐蚀、材质劣化和疲劳累积损伤等缺陷。本文通过对多座铁路钢桥的现场调研，根据病害产生部位及成因分析，对既有钢桥常见病害进行了梳理分类及相应的强化对策研究，对日后既有钢桥进行科学的检查和维修管理具有重要意义。

既有线；铁路；钢桥；病害及成因；维修加固

在我国铁路桥梁中，既有钢桥从结构形式上而言基本以钢板梁和钢桁梁为主，即跨度40 m以下以钢板梁为主，跨度40 m以上以钢桁梁为主；且中小跨度钢梁多按标准定型图设计，大跨度钢桥采用特殊设计。铁路钢桥的建设期可大体分为4个主要时段：①20世纪初至解放前，由英、德、日等国设计和制造的铆接钢桥；②新中国成立后至20世纪60年代，我国在重要的铁路线上修建了一批跨度较大的铆接钢桥；③自20世纪60～80年代，以成昆线为代表的铁路栓焊钢桥的建设；④自20世纪80年代起至今，钢桥结构形式和构造细节向多样化、全焊化方向发展。这些桥梁因当初的设计标准、材质、制造工艺及荷载等级的限制，加之长时期运营引起的劣化，部分桥梁的附属连接件部位出现了不同类型的病害，使得桥梁的健全度逐年降低。这些既有病害虽暂不对结构的安全使用构成威胁，但如果不及时针对病害部位采取有效的整治措施，必将恶化结构的传力机能，影响结构的耐久性和安全性。因此应对已暴露出来的既有病害给予足够的重视，并根据病害类别、成因判断以及对结构安全的危害程度，进行有针对性的病害整治及强化对策研究，以便日后对老龄钢桥进行科学的评定及维修管理。

1　既有钢桥常见病害

钢桥结构的既有病害多为疲劳导致的裂纹病害，裂纹病害大体分为2类：①主要构件连接部位在主应力循环作用下引起的疲劳裂纹；②构造细节在小间隙处因受外荷载或振动引起面外变形而导致的裂纹［1］。

1.1由主应力引起的疲劳裂纹

由主应力引起的常见疲劳裂纹有6种：①上承式钢梁上平纵联焊接T形连接板焊缝处裂纹；②肱板与横梁上翼缘间焊缝处的裂纹；③桁梁梁端立柱翼缘与腹板焊缝处裂纹；④主桁与支座的连接角钢裂纹；⑤支座处主梁下翼缘裂纹；⑥锈蚀引发的裂纹。各种病害形式外观见图1—图6。

图1　上承式钢梁上平纵联焊接T形连接板焊缝处裂纹

图2　肱板与横梁上翼缘间焊缝处裂纹

图3　桁梁梁端立柱翼缘与腹板焊缝处裂纹

图4　主桁与支座的连接角钢裂纹

图5　支座处主梁下翼缘裂纹

1.2由面外变形引起的疲劳裂纹

由小间隙处的面外变形引起的常见疲劳裂纹有3种：①主梁（纵梁）腹板竖向加劲肋焊缝端部水平裂纹；②桁梁不等高纵、横梁连接处（牛腿位置）裂纹；③支座处平联节点板裂纹。这类病害形式外观见图7—图9。

图6　锈蚀引发的裂纹

图7　主梁（纵梁）腹板竖向加劲肋焊缝端部水平裂纹

图8　桁梁不等高纵、横梁连接处裂纹

图9　支座处平联节点板裂纹

2　病害成因分析及强化对策研究

根据钢桥中个别构件、连接部位或构造细节出现的早期疲劳裂纹，产生原因大体为以下几种：构造细节的疲劳强度较低；构件连接位置小间隙处因面外变形引发疲劳裂纹；因支座病害引发局部受力改变；构件因局部锈蚀产生缺陷诱发裂纹。

2.1构造细节的疲劳强度较低

疲劳强度较低的构造细节主要指实桥中传力的T形（或十字形）焊接接头焊缝，其病害形式表现为2种：一种为上承式钢梁上平纵联焊接T形连接板焊缝处裂纹（图1），一种为横梁肱板与横梁上翼缘间焊缝处的裂纹病害（图2）。两种病害均为主应力引起的裂纹，且裂纹均发生于焊缝位置，走向与主应力方向垂直。

2.1.1上平纵联焊接T形连接板焊缝处裂纹

上平纵联节点板连接焊缝细节为非熔透的T形焊接接头（传力型），关于该构造细节的疲劳强度，在我国《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10002.1—2005）［2］未予规定，在《铁路桥梁检定规范》（铁运函［2004］）［3］中规定十字形焊接接头（传力型）的200万次疲劳强度为65 MPa，但是对其焊接形式未予明确说明，而事实上，焊接形式对其疲劳强度有一定的影响。欧洲规范《Eurocode3：Design of steel structures—Part 1-9：Fatigue》［4］中规定，对于该类构造细节，当焊接形式为熔透焊时，其200万次疲劳强度随板厚的不同，在40～80 MPa之间变化；当不熔透时，200万次疲劳强度仅为36 MPa。基于此，为掌握该构造细节疲劳性能进行了室内疲劳试验，得到的200万次疲劳强度为40.7 MPa［5］，而该处的实际受力已接近于其疲劳强度，因此易引发疲劳裂纹。

病害整治建议方案：提高此处的疲劳强度，如将焊接的T形连接板替换为轧制的T形板，从根本上避免裂纹病害的再次发生。

2.1.2肱板与横梁上翼缘连接焊缝处裂纹

肱板位于横梁端部，由于横梁与主桁刚接端部承受负弯矩，此处上翼缘由于承受负弯矩受拉，受力方向垂直于焊缝，构造细节疲劳强度较低，易引发疲劳裂纹。

建议此处可采用疲劳强度较高的构造，将焊接连接改为栓接连接。

2.2构件连接位置小间隙处因面外变形引发疲劳裂纹

因面外变形引发的疲劳裂纹，比较典型的是主梁或纵梁加劲肋焊缝端部的裂纹病害。在铁路钢桥中，钢板梁的主梁或桁梁明桥面系中的焊接纵梁腹板上通常设置有竖向加劲肋，设计规范规定竖向加劲肋与纵梁（或主梁）的翼缘采用磨光顶紧（不采用焊接连接），而在桥梁施工中难以保证完全顶紧，同时由于温度场作用，会使得加劲肋底端与翼缘脱离，因此在竖向荷载及列车蛇行运动造成的横向振动的反复作用下，因腹板面外变形在加劲肋端部的小间隙处即竖向加劲肋焊缝端部产生水平裂纹（见图10）。此种病害是我国既有铁路焊接钢桥上常见的裂纹形式。研究表明最大弯曲应力发生在加劲肋与腹板连接角焊缝端部的焊趾处，疲劳裂纹一般从加劲肋焊缝端部产生，并大致沿水平方向扩展，起初不会对桥梁的安全造成严重影响，但当裂纹尖端转向垂直方向发展时，裂纹可能进一步扩展到翼缘，将会导致主梁丧失承载能力，应及时予以修复。

图10　主梁（纵梁）竖向加劲肋焊缝端部水平裂纹示意

可以采取的病害处理对策为：①放松小间隙处的约束（减小刚度，将构件连接减弱，释放变形），如钻止裂孔，减小或释放对腹板面外变形的约束，当止裂孔无法阻止裂纹扩展时，可配合以切割部分竖向加劲肋增大间隙长度，减小面外变形产生的次应力，但会减弱加劲肋的作用，应综合考虑；②加强加劲肋端部的约束，预防面外变形的发生；如采用角钢将加劲肋与翼缘进行连接或者采用T形加劲肋加劲腹板等方法进行加固［5］。

2.3因支座病害引发局部受力改变

支座的设计、安装和运营中的养护应确保在列车荷载作用下或温度变化情况下，固定支座可以沿桥轴方向自由转动，活动支座沿桥轴方向既能自由转动又能随梁体自由伸缩，否则支座失灵将会产生传力途径的变化，引起局部次弯矩或应力集中而引发病害。

支座处的裂纹病害有几个共同点：①所有裂纹位置仅局限在支座上方钢梁下翼缘范围内；②裂纹产生后，裂纹发展速度渐趋缓慢。病害形式大体分为3种：①主桁与支座的连接角钢裂纹（图4）；②支座处主梁下翼缘裂纹（图5）；③支座处平联节点板裂纹（图9）。

根据裂纹位置和原因分析可以判断，这些裂纹并未削弱主梁断面，也不影响主梁（或横梁、纵梁）最大受力区域构造细节的疲劳抗力；虽暂不对结构的安全使用构成威胁，但如果置之不理，任其裂纹继续增多或扩展，必将恶化结构的传力机能，尤其在日益繁重的运输条件下，终将影响结构的耐久性。故应对裂纹部位及时加固或替换，并调整支座至正常工作状态。

2.4构件因局部锈蚀产生缺陷诱发裂纹

锈蚀病害主要为钢桥板件的锈蚀和铆钉（螺栓）的锈蚀。锈蚀问题与梁体所处环境及日常养护维修密切相关，当梁体位于河流上方、多煤水车通过时，如维护养护不及时或维修条件差，则极易产生严重锈蚀，从而影响到桥梁的正常使用，甚至危及结构安全。

当板件腐蚀较为严重，出现洞孔及断面削弱时，应及时采取修补措施。可采取的方法有：①在洞孔及腐蚀严重处应将边缘修正整光，洞孔较大时，缺口处应嵌以填板再加栓接补强板，其尺寸至少应满足每边能够排布2排高强度螺栓；②对于腐蚀严重无法修补者，可割去损坏部分以新料接续或直接更换。

3　结语

本文通过对既有钢桥日常维修检查中经常出现的部分病害进行了成因分析及强化对策研究，提出可用于既有桥的病害整治措施和建议。

研究还发现，如果在易发裂纹的焊缝位置进行超声波锤击，可对裂纹发展有一定的延缓作用，应根据大量的试验数据及工程实践经验形成详细的操作手册，以确保通过锤击能够真正发挥作用。

钢桥因锈蚀引发的病害不容忽视，因此防锈问题值得关注，如能在钢桥的易锈蚀部位和支座部位引入具有防锈性能材料，将能大大减少钢桥的日常养护维修工作量。

［1］崔鑫.京广线既有钢桥适应大轴重重载运输的关键技术研究——分报告之五：京广线既有钢桥加固改造方法研究［R］.北京：中国铁道科学研究院，2015.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2012.

［3］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号铁路桥梁检定规范［S］.北京：中国铁道出版社，2011.

［4］British Standards Institution.BS EN 1993-1-9Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1-9：Fatigue［S］.London：British Standards Institution，2005.

［5］王丽.京广线既有钢桥适应大轴重重载运输的关键技术研究——分报告之四：京广线既有钢桥疲劳评估技术研究［R］.北京：中国铁道科学研究院，2015.

Cause Analysis of Common Defects in Existing Railway Steel Bridges and Corresponding Strengthening Measures

CUI Xin1，TIAN Yue1，WANG Li1，SUN Hongfang2，CHENG Yongli2
（1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.Yuanping Branch，Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Yuanping Shanxi 034100，China）

Steel bridges occupie a certain proportion in China railway bridges.T hese existing steel bridges were built in different years in accordance with different design and construction codes.Also，structural features，manufacturing technologies，material properties and service conditions were different.T he long-term train loading and environmental effects have resulted in steel corrosion，degradation and fatigue.Field investigations were conducted on numerous railway steel bridges.Common defects in existing railway steel bridges were categorized based on their positions and causes，and the corresponding strengthening measures were proposed.T hey are meaningful for future inspection，repair and management of existing steel bridges.

Existing railway line；Railway；Steel bridge；Defect and cause；Repair and Strengthening

U445.7+1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.03

1003-1995（2016）09-0010-04

（责任审编孟庆伶）

2016-06-02；

2016-07-20

崔鑫（1979—），女，副研究员，硕士。