重载铁路刚构桥箱梁顶板病害监测及分析

罗兴华

神华准能大准铁路公司 内蒙古鄂尔多斯 010300

重载铁路预应力钢筋混凝土连续刚构桥采用变截面箱梁作为承重构件，箱梁顶板宽度一般为4-6m，顶板厚度40cm-60cm之间，箱梁顶板既承受桥梁整体受力，又承受列车局部轮载直接作用。箱梁底板设计为抛物线曲线。墩柱附近由于受力较复杂，且为满足铁路桥梁横向刚度的需要，箱梁截面高度一般较大，腹板及底板厚度也较大，而桥梁中跨部位截面高度小，腹板及底板厚度也较小。箱梁预应力筋是主要的承力构件，为抵抗不同荷载作用，保证桥梁的受力要求，箱梁顶板、底板及腹板等部位布置了竖向、横向及纵向三向预应力体系。

重载单线铁路对于单线铁路，箱梁顶板预应力横向预应力是承受顶板受力的主要构件，顶板横向预应力筋一般采用等距布置，预应力一般为7φ15．2mm，预应力锚固端采用BM。由于桥面顶板纵、横向预应力束与顶板钢筋交叉布置，施工阶段顶板跨中等部位纵向及横向钢筋加密布置的影响，导致纵、横向预应力筋管道布置困难，锚点高度不足或管道破裂出现管道，管道堵塞导致预应力张拉应力不足等问题，横向预应力管道在施工期间出现移位、管道破裂及锚固端出现预应力损失等现场，造成箱梁顶板出现纵向贯通性裂缝[1]。

1 工程概况

某预应力混凝土连续刚构桥跨度为（96+132+96）m，梁体为单箱单室变截面箱梁结构，支点处梁高9．2m，高跨比为1：14．3；跨中和边跨端部梁高5．0m，高跨比为1：26．4。梁体下缘除中支点处12．0m、中跨中部10．0m和边跨端部35．7m梁段为等高段外，其余按二次抛物线变化。箱梁顶板宽8．1m，底板宽6．1m。除0#梁段和梁端附近区段外，顶板厚度为50cm，底板厚度从40cm按二次抛物线变化至90cm，腹板厚度从45cm按折线变化至90cm。梁体在支点及中跨跨中共设置了7道横隔板，端部横隔板厚度1．5m，刚臂墩处横隔板厚度1．2m，中跨中横隔板厚1．0m。刚臂墩采用矩形空心墩，纵向宽度6m，壁厚1．2m，横向采用变宽设计，顶宽7．3m，壁厚1．05m，外坡按20：1变化，内坡按80：1变化。

梁体为纵、横、竖三向预应力体系。箱梁顶、底板纵向采用19-7Φ5钢绞线，腹板采用12-7Φ5钢绞线，均为两端张拉。顶板横向采用5-7Φ5钢绞线，间距0．4m，交替单端张拉。腹板竖向采用Φ25mm预应力混凝土用螺纹钢筋，纵向间距0．4m。

桥梁线路等级为I级，设计客车行车速度为160km/h，货车为100km/h，全桥为单线，位于0．6%的纵坡，主桥位于直线段；采用有砟轨道60kg/m，预留无缝线路，轨底至梁顶65cm；主梁混凝土容重26．5kN/m3，二期恒载77．4kN/m，设计荷载为中—活载，验算荷载按照“长大货车列车”进行验算；人行道荷载4．0kN/m，设计时不与主梁列车活载同时考虑；列车活载的动力系数为1+μ=1+6×α/(30+L)，式中 α=4×(1-h)＜2．0。

2 理论分析

2.1 建立模型

采用midascivil2016建立桥梁整体模型与局部模型，采用ANSYS建立箱梁局部模型。局部模型横向预应力采用2束5-7φ5高强钢丝，预应力筋抗拉极限强度为1860MPa，锚下控制张拉力为1295MPa，采用单端张拉。

由于列车荷载通过桥梁轨道、枕木及道砟作用分配在桥梁顶板上，与列车轮重直接作用下顶板不同，轨道、枕木及道砟的分配范围与轨道型号、枕木间距及道砟厚度相关。为准确研究桥梁顶板受力，采用midas建立了桥梁轨道、枕木及道砟的整体模型，如图1所示，其中轨道采用75kg，枕木实际布置方式为1000m布置1666根，枕木间距为667mm，道砟厚度为60cm。模型边界条件为轨道与枕木之间采用刚性连接，道砟对枕木的支撑简化为竖向固定约束。

2.2 列车荷载分布

C80列车编组荷载轮对间距为1830m，定距为6730mm，按照C80B列车满载情况下的轮重，每对轮轴平均荷载为250kN，不考虑冲击荷载的影响下，轮轨作用力分别为125kN。桥梁顶板受力主要取决于荷载纵向布置和横向布置，其中荷载横向布置与枕木、道砟的横向分配有关，纵向布置与列车编组类型有关。

为研究枕木横向受力分布，抽取其中一节枕木进行研究。根据计算分析，见图2所示，单根枕木的横向受力分配与轨道间距有关，枕木中部受力较大，轨道之间受力为枕木横向受力的50%，基本作用下顶板最大受力位置，而枕木离轨道越远，枕木分配力也越小。

根据分析，C80列车编组荷载纵向受力分布轮对作用主要由相邻10根枕木承担，其他范围的枕木受力基本可以忽略。图3绘制了不同枕木的荷载分担比例图，轮对作用范围内的枕木受力较大，不考虑荷载动力系数的影响，最大枕木的作用力为轮重荷载的18%左右，其他枕木分配比例分别为1%-16%之间。

根据以上C80列车编组荷载作用下的轨道枕木横向荷载及纵向荷载分布分析，列车荷载最终通过道砟将荷载均匀分配在顶板上，列车荷载竖向分布最大值位于轮对作用范围之间，按照道砟厚度45°斜向范围进行均匀分布，取最不利断面的箱梁荷载作为桥梁顶板受力荷载，顶板作用的最不利横向分布荷载为：

Qmax-箱梁横向均布荷载。

2.3 预应力抗力分析

（1）预应力布置。黄河特大桥箱梁顶板宽度为8．1m，底板宽6．1m，顶板厚54．5cm，顶板设置2%的横坡，腹板厚度0．4-0．9m，箱梁内宽4．3-5．2m，两侧梗斜为1．2×0．4m。箱梁采用C50混凝土。

箱梁横向预应力筋采用抗拉强度标准值为1860MPa的高强度低松弛钢绞线，横向预应力管道采用内径90×19mm扁形塑料波纹管。横向预应力筋纵向设置间距为0．4m。横向预应力筋在箱梁上的设置在翼缘上，预应力筋锚固端距顶板翼缘高度0．1m，中部距顶板0．38m，中部直线段4．48m。边跨合龙口横向预应力筋布置宽度为2m，设置5根横向预应力筋。

合龙口设置劲性骨架，合龙口附近增加了劲性骨架和加密钢筋后，预应力筋管道和钢筋位置有部分交叉，对横向预应力筋的波纹管施工安装位置有一定影响。

（2）预应力分析。箱梁横向受力主要由横向预应力筋提供抗力。横向预应力筋采用5-7φ5高强度低松弛钢绞线，预应力筋抗拉极限强度为1860MPa，锚下控制张拉力为1295MPa，采用单端张拉。横向预应力布置间距分别为300-400mm，预应力筋锚固端位于顶板翼缘下100mm，中部局里顶板370mm，中部直线段4．48m。横向预应力管道采用内径90×19mm扁形塑料波纹管。边跨合龙口横向预应力筋布置宽度为2m，设置5根横向预应力筋。

根据局部分析结果，箱梁在列车荷载作用下，箱梁顶板局部受力主要为顶板下缘出现拉应力，主拉应力方向为横向，主拉应力最大为1．12MPa。最大应力出现在箱梁顶板下缘中部，主压应力最大为-0．9MPa，出现在箱梁顶板上缘中部。局部分析显示在列车荷载作用下箱梁顶板下缘应力主要为横向拉应力，横向拉应力最大为1．12MPa，纵向应力较小，纵向最大拉应力为0．4MPa。

分析还显示腹板梗斜区局部主要为压应力，最大压应力为 -1．14MPa。竖向剪应力为 0．1MPa，横向剪应力为 0．08MPa，纵向剪应力为0．29MPa。

取最不利断面顶板为分析断面，按照设计布置预应力，箱梁顶板下缘最大压应力为-4．2MPa，二期恒载作用下的应力为0．7MPa，列车横向荷载作用下的应力为0．9MPa。顶板横向压应力储备为2．6MPa。

若考虑一定的安装误差，预应力管道出现100mm的上浮，此时箱梁顶板预应力作用下的最大压应力为-2．9MPa，此时顶板应力储备 -1．3MPa。

3 病害监测

3.1 箱梁顶板病害

由于黄河特大桥箱梁顶板内部宽度为4．3m-5．2m，箱梁顶板隔板共设置7道，中部箱梁顶板纵横向长度比远大于2，因此在列车荷载作用下，将顶板认定为单向板受力。

根据黄河特大桥定期检查资料，箱梁顶板出现了纵向开裂等现象，顶板开裂范围主要位于边跨现浇段及中跨合龙段等位置，其中最长裂缝2m，裂缝最深140mm，裂缝数量超过20条。在病害主要部位，纵向裂缝主要出现在跨中部位，裂缝等间距布置，裂缝宽度两侧较小，中部较大，裂缝呈现不断向外延续的趋势[2]。

桥梁纵向裂缝出现的时间主要在近两年，根据对桥梁挠度的长期监测及分析，桥梁收缩徐变主要对桥梁整体影响，桥梁跨中竖向挠度变化量在6mm左右，因此认为桥梁收缩徐变对桥梁纵向裂缝等病害关系较小，桥梁纵向裂缝主要与桥梁顶板预应力损失及桥梁荷载有关。

3.2 传感器选型

为实现对桥梁裂缝的实时监测，并结合黄河特大桥桥梁的裂缝特点及荷载特点，考虑到由于预应力钢筋混凝土结构箱梁顶板裂缝出现及发展较缓慢，裂缝监测既要关注裂缝处的实时变化，也要对裂缝进行长期观测，避免由于温度及其他效应对监测效果的影响，对裂缝监测传感器选型要求较高。由于满足此要求的传感器既要采样频率较高，稳定性较好、温漂较小的单一类传感器难以满足要求，本项目在选型传感器时，考虑采用两类传感器进行监测：首先采用基于振弦原理的传感器，采用低频采样，并通过温度自补偿实现裂缝宽度长期监测，对裂缝长期宽度的变化对裂缝发展趋势进行评估；对裂缝实施监测采用高频采集的工具式应变计，对裂缝实时发展变化进行监测。通过两者结合，实现裂缝长期趋势监测评估及实时监测评估。

3.3 测点布置

9#-10#墩柱19#现浇段梁主要纵向裂缝传感器的布置设置，对其中裂缝分别布置了两种类型传感器，其中布置振弦裂缝传感器共4个，工具应变计6个，分别采用标贴式安装方式。通过裂缝采集系统将监测数据传输至监控中心服务器，对裂缝数据进行实时监测及存储。

4 数据分析

4.1 横向应力监测

黄河特大桥健康监测系统包含对桥梁整体效应监测，也对桥梁局部病害进行监测，通过在桥梁上布置传感器对关键断面的桥梁挠度、应变、振动等内容进行监测，也对其中病害进行监测，其中裂缝监测是其重要的监测内容之一。通过桥梁整体监测及桥梁局部病害监测对桥梁运营状态进行评估。

黄河特大桥箱梁结构出现的横向裂缝是其主要病害之一，为探寻裂缝发生的原因，对桥梁病害整治提供有效的依据，对关键断面布置了应力传感器，通过分析箱梁顶板的裂缝附近的扩展情况进行分析。为保证监测的有效性和正确性，对箱梁主要断面横向应力进行了监测。表1分别列出了8月12日-8月13日箱梁横向应力监测结果，分析显示横向应力均略小于理论值，大同侧边跨合龙段及边跨跨中与理论值比较接近，准格尔侧边跨跨中横向应力超过理论值。

表1 箱梁顶板横向应力监测表

4.2 裂缝监测

根据裂缝动应变监测成果，对裂缝变形进行监测，图5绘制了箱梁典型性裂缝在列车荷载作用下的时程图。由于箱梁开裂后，在列车荷载作用下，裂缝会发生扩展，由此引起的箱梁应变为换算应变。准格尔侧合龙段箱梁开裂处的换算应变分别为60με、75με、100με、85με，换算应力为2．07MPa、2．58MPa、3．45MPa、2．93MPa，远大于理论分析值 0．9MPa[3]。

箱梁裂缝在列车荷载作用下还呈现明显的应变幅变化较大的特点，应变幅接近或超过箱梁换算应变的50%，由此会导致箱梁裂缝扩展速度加快，裂缝深度不断增长等问题。

5 结语

通过对轨道、枕木及道砟对列车荷载分布的影响分析，结合箱梁横向应力及裂缝监测数据分析，为保证箱梁裂缝修补的效果，得到如下结论：

（1）轨道、枕木及道砟对列车荷载起到有效的减弱局部分布的效果，轮对作用范围内影响范围大致有10根枕木参与了受力，最大的混凝土枕木受力约为轮对荷载的18%左右，考虑最不利影响，考虑系数为0．2；

（2）根据受力分析及监测分析，箱梁横向拉应力实测值与理论值基本吻合，箱梁最不利的位置为准格尔侧合龙段，最大拉应力为 1．03MPa，略大于理论值 0．9MPa；

（3）根据箱梁裂缝监测数据分析，开裂处的换算应力最大为3．4MPa，远大于理论值，且裂缝处的应变幅变化较大，为避免裂缝的不断扩展，对裂缝进行处理十分必要；

（4）结合箱梁实际受力及监测分析，以及箱梁纵向裂缝开裂分布，箱梁开裂的主要原因是顶板横向抗裂性能不足，与横向预应力损失有直接关系，对裂缝开裂处或箱梁顶板横向补强措施应考虑增强顶板横向抗力为主。