浅述梁缝间落砟对铁路混凝土桥梁承载能力的影响

刘廷伟

（重庆市勘测院 重庆 401121）

1 概况

混凝土桥梁由于具有造价低、使用寿命长、维修工作量小等优点，在世界各国铁路、公路桥梁建造中得到广泛的应用。混凝土桥梁是铁路桥梁的主要形式，随着铁路新线建设铁路桥梁数量的不断增加及服役时间的增长、铁路运量、轴重、速度和密度不断增长，铁路桥梁的养护工作量也势必随之增加，铁路桥梁养护部门对铁路混凝土桥梁主要病害如梁体裂纹、混凝土劣化、钢筋锈蚀、预应力损失、线梁偏心等对梁体承载能力影响已经有了较多的认识。然而对铁路混凝土桥梁梁缝间落砟这一常见病害对桥梁承载能力的影响认识的比较少，国内也无相关文献和资料对于梁缝间道砟对梁体承载能力影响做过论述和分析。

图1 某桥桥台与梁端梁缝间掉落的道砟病害

梁缝间落砟这一常见病害经常发生在中小跨度的铁路混凝土桥梁，本身设计梁缝较小，再加上基础地质不良引发的墩台位移导致梁缝间距减小，使得在该处容易积聚桥面落砟，梁缝间的掉落过多道砟不仅改变梁端混凝土所处环境，容易积聚水和灰尘，降低该处混凝土的耐久性，而且也影响梁体在温度恒载作用下的正常自由伸缩及活载作用下的正常伸缩与转动，本文对铁路混凝土桥梁梁缝间落砟对梁体的影响进行理论算分析，并与8m板梁静载试验结果相结合进行分析叙述。以使铁路桥梁养护部门的对这一铁路桥梁常见病害引起足够的重视，图1中2张照片为某既有线上2座铁路混凝土桥梁梁缝间落砟病害。

2 理论分析

理论计算采用MIDAS桥梁结构分析软件，计算模型中采用桥梁为专桥（88）1024定型图中8m跨度板梁，桥梁支座采用弧形钢支座的板梁为计算对象，为方便分析，考虑如下：

（1）由于梁缝间道砟在梁截面中性轴高度以上时，在活载作用下对梁体底面弯曲伸长的约束很小，即道砟受力很小或不受力，对梁体约束很小，因此本文为计算方便，假设梁缝中道砟处于梁截面梁底高度位置。

（2）在活载作用下，梁缝间的道砟可以部分限制梁端转角，从而减小梁体跨中弯矩和增加梁端负弯矩，由于落砟对桥梁转角约束刚度较难取值，故对其转角进行约束后计算分析。

（3）在温度荷载作用下，梁体是全截面整体伸缩，故梁缝间的道砟所处位置对引起梁体的轴压力大小关系不大，产生弯矩大小与梁缝中道砟处于梁截面梁底高度位置有关，在中性轴以上会使梁截面产生负弯矩，在中性轴处梁截面不产生弯矩，在中性轴以上梁截面产生正弯矩。

图2 简化的理论计算模型

（4）假设单个道砟尺寸按5cm×5cm×5cm来计算，计算得到其弹性刚度为1.25×106kN/m。

图3 在中-活载作用下，正常约束梁弯矩图

梁缝间落砟对活载弯曲引起伸长约束采用在活动端施加弹性约束来模拟，分别计算在中-活载及温度荷载作用下梁缝间存在有1粒、5粒、10粒道砟对梁体梁端截面内力、跨中截面内力及挠度的影响。简化计算模型如图2所示，计算结果的弯矩图对比如图3～图6所示，表1、表2为梁缝间道砟对8m梁内力及挠度的影响分析计算结果。

图4 在中-活载作用下，活动端限制转角弯矩图

图5 在中-活载作用下，梁缝间存在道砟（1粒）弯矩图

图6 在中-活载作用下，梁缝间存在道砟（10粒）弯矩图

表1 在中-活载作用下，梁缝间道砟对8m梁内力及挠度的影响计算结果

表2 在温度荷载作用下，梁缝间道砟对8m梁内力影响计算结果

从以表1、表2中的理论计算结果可以看出：

（1）在中-活载作用下，由于梁缝间落砟可以部分限制梁体的转动和梁底截面的伸长，因此可以减小梁体跨中弯矩、挠度，但同时也增加梁体轴向压力和梁端的负弯矩，如表1中梁缝间存在10粒道砟将会使梁端产生281.2kN.m的负弯矩，然而在简支梁梁端附近截面通常只配置相对少量从底面弯起的钢筋，因此在如此大的负弯矩作用下，梁端附近一定范围内截面承载能力不满足要求，上翼缘出现过大拉应力而开裂，破坏桥面防水层及混凝土保护层，且由于截面配筋少，出现裂缝宽度也相对较大，因此对梁体整体性和耐久性产生非常不利的影响。

（2）在温度荷载作用下，梁缝间落砟会使梁体出现很大的轴压力和负弯矩，经计算梁缝间存在10粒道砟对梁体可产生2158kN轴向压力和863.2kN.m的负弯矩，2158kN轴向压力这相当于对混凝土产生了1.4MPa压应力，这对于那些承载能力由上翼缘顶面混凝土压应力控制且本身承载系数接近于1的梁体，如叁标桥1024、专桥1010等，梁体承载系数将会进一步降低，以至于出现承载能力不能满足设计要求的情况；梁端产生863.2kN.m的负弯矩，梁端附近截面承载能力不满足要求，对梁体整体性和耐久性产生极不利的影响。

3 实例分析

既有线某桥上部结构为2-8.0m低高度钢筋混凝土梁，图号：叁标桥1024，设计荷载采用中-活载。支座采用弧形钢支座，采用圆端形桥墩、T形桥台。混凝土回弹测试结果表明，梁体混凝土强度满足设计要求。我们对其进行了静载试验，测试跨中截面的应力和挠度，试验加载采用1台DF5D内燃机车，测试截面处弯矩加载效率系数为0.558。跨中截面挠度和应力测试结果如表3、表4所示。

表3 挠度测试结果

表4 梁底应力测试结果

从表3、表4中挠度和应力测试结果可以看出：

实测左右片梁跨中挠度分别为 2.00mm、2.10mm，明显小于同类型梁体测试结果，结构校验系数分别为0.31、0.32，较《桥检规》钢筋混凝土梁挠度结构校验系数0.55～0.65的通常值偏小；实测左右片梁梁底应力结构校验系数分别为0.44、0.39，较《桥检规》通常值0.55～0.65偏小。实测梁体跨中挠度及应力结构校验系数均较《桥检规》通常值偏小。以上可以说明理论计算的跨中弯矩和挠度值均偏小，实际桥梁边界条件与理论计算时正常简支梁模型存在差异，现场对该桥状态检查中发现测试桥孔与桥台活动端梁缝间存在一些落砟，这就改变了梁体正常的边界条件，对梁体在活载作用下的伸缩及转动进行了部分限制，这就导致了静载试验中跨中截面的应力和挠度测试值偏小。

4 结论

通过以上理论计算和荷载试验结果可知：

（1）在活载作用下，梁缝间道砟可以减小梁体跨中弯矩、挠度，有利于提高梁体的竖向刚度，然而同时也大大增加梁体轴向压力和梁端的负弯矩，梁端一定范围内出现的负弯矩对梁体受力及为不利，可使得梁端一定范围内上翼缘出现过大拉应力而开裂，破坏桥面防水层及混凝土保护层，对梁体整体性和耐久性产生非常不利的影响，长此以往，将会对铁路正常运营造成很大的安全隐患。

（2）在温度荷载作用下，梁缝间道砟会使梁体出现很大的轴压力和梁端负弯矩，轴压力对混凝土产生了约相当大的初始压应力，这对于那些承载能力由上翼缘顶面混凝土压应力控制且本身承载系数接近于1的梁体，如叁标桥1024、专桥1010等，梁体承载系数将会进一步降低，以至于出现承载能力不能满足设计要求的情况；梁端负弯矩出现使得梁端附近截面承载能力不满足要求，对梁体整体性和耐久性产生极不利的影响。

5 结语

梁缝间道砟对梁体承载能力的影响的理论分析是个比较复杂问题，包括道砟轴向约束刚度的取值，转角约束刚度道砟在梁缝高度分布影响等，本文对梁缝间道砟对梁体承载能力的影响程度尽可能多的进行考虑叙述，然而限于问题复杂、时间匆忙和本人知识有限，难免有许多不足之处，目的是使梁缝间落砟这一病害可以引起铁路桥梁养护部门的足够重视，在平时桥梁养护工作中，增加对梁缝间清洁的检查，及时清除梁缝间落砟。另外，也要在此特别指出，桥梁支座由于锈蚀等原因引起的活动性差或者不活动对铁路混凝土桥梁作用机理与梁缝间落砟对铁路混凝土桥梁作用机理类似，同样也会在梁端产生负弯矩。