解析铁路预应力连续梁桥病害整治及荷载试验

张永宏

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116000）

0 引言

在大量人力、物力和政策的支持下，铁路设施建设空间得以有效优化，铁路预应力连续梁桥对于交通基础设施建设和交通系统完善具有重要意义，深入分析铁路预应力连续梁桥的主要病害，并进行针对性治理，有助于优化铁路建设环境，保障铁路工程施工质量和运营稳定性。

1 工程概况

铁路西环东湖桥位于某市西环线东湖左侧，桥梁全长150.1 m，为直线桥，设计速度为120 km/h，设计为4孔后张法预应力C50混凝土连续箱型二次抛物线曲面梁，全桥共有3个桥墩、2个桥台，墩基为Ф3.5 m独桩基础，墩身直径2.5 m，桩柱分别长19 m、19 m和21 m，T形桥台，群桩4根Ф1.25 m，长度10 m，预留铁路西环东湖连续梁桥立面布置如图1所示。工程分布于亚热带季风气候区，雨量充沛，四季分明，该地区平均气温、极端最高气温、极端最低气温分别为17 ℃、41.7 ℃和-18 ℃，年平均降水量、年最大降水量分别为1483 mm和2133.7 mm，降水集中在每年的4～6月，受台风影响，伴有暴雨。另外，该地区平均无霜期为200～243 d，东湖桥水流流向自西向东，源短流急，洪水涨落较快，持续时间较短，年内水位变化大，属山溪性河流区内地下水类型，主要有第四系全新统砂砾石孔隙潜水及基岩裂隙潜水。

2 铁路预应力连续梁桥主要病害

图1 预留铁路西环东湖连续梁桥立面布置

为保证铁路西环东湖桥的运行稳定性和工程质量，在工程竣工后一段时间内对工程进行质量检测，检验结果表明该连续梁桥存在梁桥支座倾斜、限位工字钢与支座垫石抵死、桥台抗挡块开裂、梁体偏移等病害，其中，桥梁支座倾斜病害表现为桥台盆式支座远离栏杆侧落空4～4.5 mm，靠近栏杆侧支座有压缩痕迹，支座变形1～2 mm，两体倾斜现象导致桥梁支座倾斜，目前该桥梁存在单点支撑现象，支座落空和支座左侧倾斜数量分别为1个和4个，倾斜角度（1～2）°。梁体倾斜导致的限位工字钢与支座垫石抵死现象对限位工字钢结构稳定性具有不良影响。为有效保证工程运营稳定型，需对限位工字钢的构件稳定性和螺栓嵌入性进行深度检验。桥台抗震挡块开裂病害来源于主梁与4#桥台左侧抗震挡块抵死，目前开裂长度约为1.2 m，对铁路西环东湖桥进行检验发现轨道中心与桥梁中心具有明显的偏位现象：在实际质量检验中分别对0#台、4#台和中间位置进行偏位检测，检测结果显示0#台处、中间位置和4#台处的偏差分别为+1、+1和+4，轨道中心与桥梁中心偏位如图2所示。

3 铁路预应力连续梁桥病害整治措施

深入分析病害规律可知工程施工问题、养护问题、收缩徐变影响都是造成铁路预应力连续梁桥病害的主要因素，为使铁路西环东湖桥具有较高的运行稳定性，需要按照质量要求进行病害整治，整治措施如下：

根据铁路西环东湖桥的主要病害情况及病害程度增加隔梁及横向联系，可在西环线及西环二线之间加设钢结构横隔梁，钢结构横隔梁能够通过连接西环线与西环二线使二者具有较高的整体性，加设8道钢结构横隔梁，能够有效降低铁路西环东湖桥桥面的应力，进而平衡桥梁支座的应力分布，避免出现桥梁支座倾斜现象。针对铁路西环东湖桥现已出现的桥梁支座倾斜问题，可在西环线与西环二线桥桥面挡渣墙处每隔2 m增设2根横向钢筋，钢筋间距和直径分别为200 mm和28 mm，提高桥梁整体的抗倾覆能力。另外，采取横向限位措施避免桥梁支座倾斜和桥梁梁体倾斜，可通过加设钢垫板，以在钢垫板上铺设橡胶垫的方式隔离墙台和挡块，橡胶支座可以减缓行车荷载对桥梁支座的冲击，避免限位工字钢与支座垫石抵死以及限位工字钢构件断裂、固定螺栓被拔出。

图2 轨道中心与桥梁中心偏位

4 铁路预应力连续梁桥荷载试验

4.1 机型参数及加载工况分析

针对铁路西环东湖桥进行的荷载实验主要为静载实验，可根据连续梁桥的力学特点进一步检验病害治理后工程的运行稳定性和工程的受力状态，对机型参数和加载工况进行如下分析：

铁路西环东湖桥梁静载实验主要采用Df4型机车作为实验对象，Df4型机车在铁路中的应用范围较广，主要参数包括装机功率、标称功率，分别为3300马力/2430 kW、2160马力/1920 kW，传动方式为交直传动，轴式为CO-CO，轴距和中心距分别为2×1800 mm和12 000 mm，整备质量、轴质量分别为128 t和23 t，该机车的转轴效率为32.7%，最高速度、持续速度分别为100 km/h和21.9 km/h，启动牵引力、持续牵引力分别为413.9 kN和302 kN。加载工况主要体现在4#台支座、3#墩支座、2#墩支座、1#墩支座、0#台支座最大支反力加载以及第4跨（边跨）、第3跨（中跨）、第2跨（中跨）、第1跨（中跨）的最大正弯距加载，加载特征分别为后车前轮组越过伸缩缝、两车对称加载到3#墩、两车对称加载到2#墩、两车对称加载到1#墩以及前后车轮组停在伸缩缝内侧、后车前轮组越过伸缩缝，两车对称加载到第3跨跨中加载、两车对称加载到第2跨跨中加载、前后车轮组停在伸缩缝内侧，以机型参数和加载工况为基础，在铁路预应力连续梁桥荷载实验中可完成支反力弯矩理论值及加载效率分析，支反力测试结果及截面挠度分析以及界面控制应力分析。

4.2 支反力、弯距理论值及加载效率分析

以4#台支座、3#、2#、2#墩支座和0#台支座为基础，试验荷载支反力分别为1035.4 kN、2760 kN、2760 kN、2760 kN和1035.4 kN，设计支反力分别为1233.4 kN、3113.5 kN、3251.2 kN、3113.5 kN和1233.4 kN，由此可知，加载效率分别为0.84、0.89、0.85、0.89和0.84，弯矩理论值及加载效率试验结果主要以第4跨距梁端12 m、第3跨跨中、第2跨跨中、第1跨距梁端12 m为控制断面，试验荷载弯矩分别为4386.0 kN·m、6579.4 kN·m、6579.4 kN·m、4386.0 kN·m，设计弯矩分别为6516.8 kN·m、6919.3 kN·m、6919.3 kN·m、6516.8 kN·m，由此可知，第4跨距梁端12 m、第3跨跨中、第2跨跨中、第1跨距梁端12 m的加载效率分别为0.67、0.95、0.95和0.67，针对铁路西线东湖桥采用的相关病害治理措施具有良好的治理效果，试验结果中的支反力、弯矩理论值及加载效率可满足质量要求[1]。

4.3 支反力测试结果及截面挠度分析

在静载实验中针对4#台支座、3#、2#、1#墩支座和0#台支座进行了支反力测试，测试结果表明墩台支座左侧加载沉降量分别为0.03 mm、0.23 mm、0.08 mm、0.29 mm和0.25 mm，墩台右侧加载沉降量为0.08 mm、0.31 mm、0.27 mm、0.15 mm和0.24 mm，试验效率分别为0.84、0.89、0.85、0.89和0.84，根据支反力测试结果可知各支座沉降量相对较小，所有偏差控制在（0.01～0.19）mm，表明支座与主梁的连接性较好，病害治理措施具有明显治理成效。为进一步校验连续梁桥的稳定性，在荷载实验中开展了截面挠度分析工作，在桥梁表面布设8个、4组测点，各组测点的挠度实测值分别为2.08 mm、2.14 mm、10.13 mm、10.51 mm、9.88 mm、10.87 mm、2.09 mm、2.3 mm，理论值分别为3.02 mm、3.02 mm、17.6 mm、17.60 mm、17.60 mm、17.60 mm、3.02 mm、3.02 mm，校验系数分别为0.69、0.70、0.58、0.60、0.56、0.62、0.69、0.67。由此可知，校验系数为0.56～0.17，各工况卸载归零情况良好，表明在实验荷载情况下，结构处于弹性工作状态，结构刚度能够满足该工程的建设要求和质量要求[2]。

4.4 截面控制应力分析

为保证工程病害治理效果，针对铁路西环东湖桥进行了控制截面应力实测值和计算值比较，以铁路西环东湖桥为基础，设定4组、8个控制截面应力测点，每组分别为底左侧点和底右侧点，实测应变值分别为21.1 με、18.7 με、66.9 με、65.4 με、92.1 με、90.5 με、59.0 με、61.3 με，理论值分别为72 με、72 με、145 με、145 με、145 με、145 με、72 με、72 με，校验系数分别为0.29、0.26、0.46、0.45、0.62、0.82、0.82和0.85，由此可知，各测试截面均具有较高的应力抵抗能力，铁路西环东湖桥在病害治理后的荷载作用下具有优良的弹性工作状态，能够满足长期运行需求[3]。

5 结束语

当前铁路预应力连续梁桥的合理施工和高质量建设能够有效满足应用需求，在铁路工程设计施工中设计和施工人员应根据工程的地质情况、水文情况和施工环境、应力要求，合理优化结构设计，降低铁路预应力连续梁桥病害的发生概率，保证工程的运营稳定性和使用安全。