淺述梁縫間落砟對(duì)鐵路混凝土橋梁承載能力的影響

劉廷偉

（重慶市勘測(cè)院 重慶 401121）

1 概況

混凝土橋梁由于具有造價(jià)低、使用壽命長(zhǎng)、維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，在世界各國(guó)鐵路、公路橋梁建造中得到廣泛的應(yīng)用?；炷翗蛄菏氰F路橋梁的主要形式，隨著鐵路新線建設(shè)鐵路橋梁數(shù)量的不斷增加及服役時(shí)間的增長(zhǎng)、鐵路運(yùn)量、軸重、速度和密度不斷增長(zhǎng)，鐵路橋梁的養(yǎng)護(hù)工作量也勢(shì)必隨之增加，鐵路橋梁養(yǎng)護(hù)部門(mén)對(duì)鐵路混凝土橋梁主要病害如梁體裂紋、混凝土劣化、鋼筋銹蝕、預(yù)應(yīng)力損失、線梁偏心等對(duì)梁體承載能力影響已經(jīng)有了較多的認(rèn)識(shí)。然而對(duì)鐵路混凝土橋梁梁縫間落砟這一常見(jiàn)病害對(duì)橋梁承載能力的影響認(rèn)識(shí)的比較少，國(guó)內(nèi)也無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)和資料對(duì)于梁縫間道砟對(duì)梁體承載能力影響做過(guò)論述和分析。

圖1 某橋橋臺(tái)與梁端梁縫間掉落的道砟病害

梁縫間落砟這一常見(jiàn)病害經(jīng)常發(fā)生在中小跨度的鐵路混凝土橋梁，本身設(shè)計(jì)梁縫較小，再加上基礎(chǔ)地質(zhì)不良引發(fā)的墩臺(tái)位移導(dǎo)致梁縫間距減小，使得在該處容易積聚橋面落砟，梁縫間的掉落過(guò)多道砟不僅改變梁端混凝土所處環(huán)境，容易積聚水和灰塵，降低該處混凝土的耐久性，而且也影響梁體在溫度恒載作用下的正常自由伸縮及活載作用下的正常伸縮與轉(zhuǎn)動(dòng)，本文對(duì)鐵路混凝土橋梁梁縫間落砟對(duì)梁體的影響進(jìn)行理論算分析，并與8m板梁靜載試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行分析敘述。以使鐵路橋梁養(yǎng)護(hù)部門(mén)的對(duì)這一鐵路橋梁常見(jiàn)病害引起足夠的重視，圖1中2張照片為某既有線上2座鐵路混凝土橋梁梁縫間落砟病害。

2 理論分析

理論計(jì)算采用MIDAS橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件，計(jì)算模型中采用橋梁為專(zhuān)橋（88）1024定型圖中8m跨度板梁，橋梁支座采用弧形鋼支座的板梁為計(jì)算對(duì)象，為方便分析，考慮如下：

（1）由于梁縫間道砟在梁截面中性軸高度以上時(shí)，在活載作用下對(duì)梁體底面彎曲伸長(zhǎng)的約束很小，即道砟受力很小或不受力，對(duì)梁體約束很小，因此本文為計(jì)算方便，假設(shè)梁縫中道砟處于梁截面梁底高度位置。

（2）在活載作用下，梁縫間的道砟可以部分限制梁端轉(zhuǎn)角，從而減小梁體跨中彎矩和增加梁端負(fù)彎矩，由于落砟對(duì)橋梁轉(zhuǎn)角約束剛度較難取值，故對(duì)其轉(zhuǎn)角進(jìn)行約束后計(jì)算分析。

（3）在溫度荷載作用下，梁體是全截面整體伸縮，故梁縫間的道砟所處位置對(duì)引起梁體的軸壓力大小關(guān)系不大，產(chǎn)生彎矩大小與梁縫中道砟處于梁截面梁底高度位置有關(guān)，在中性軸以上會(huì)使梁截面產(chǎn)生負(fù)彎矩，在中性軸處梁截面不產(chǎn)生彎矩，在中性軸以上梁截面產(chǎn)生正彎矩。

圖2 簡(jiǎn)化的理論計(jì)算模型

（4）假設(shè)單個(gè)道砟尺寸按5cm×5cm×5cm來(lái)計(jì)算，計(jì)算得到其彈性剛度為1.25×106kN/m。

圖3 在中-活載作用下，正常約束梁彎矩圖

梁縫間落砟對(duì)活載彎曲引起伸長(zhǎng)約束采用在活動(dòng)端施加彈性約束來(lái)模擬，分別計(jì)算在中-活載及溫度荷載作用下梁縫間存在有1粒、5粒、10粒道砟對(duì)梁體梁端截面內(nèi)力、跨中截面內(nèi)力及撓度的影響。簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖2所示，計(jì)算結(jié)果的彎矩圖對(duì)比如圖3～圖6所示，表1、表2為梁縫間道砟對(duì)8m梁內(nèi)力及撓度的影響分析計(jì)算結(jié)果。

圖4 在中-活載作用下，活動(dòng)端限制轉(zhuǎn)角彎矩圖

圖5 在中-活載作用下，梁縫間存在道砟（1粒）彎矩圖

圖6 在中-活載作用下，梁縫間存在道砟（10粒）彎矩圖

表1 在中-活載作用下，梁縫間道砟對(duì)8m梁內(nèi)力及撓度的影響計(jì)算結(jié)果

表2 在溫度荷載作用下，梁縫間道砟對(duì)8m梁內(nèi)力影響計(jì)算結(jié)果

從以表1、表2中的理論計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）在中-活載作用下，由于梁縫間落砟可以部分限制梁體的轉(zhuǎn)動(dòng)和梁底截面的伸長(zhǎng)，因此可以減小梁體跨中彎矩、撓度，但同時(shí)也增加梁體軸向壓力和梁端的負(fù)彎矩，如表1中梁縫間存在10粒道砟將會(huì)使梁端產(chǎn)生281.2kN.m的負(fù)彎矩，然而在簡(jiǎn)支梁梁端附近截面通常只配置相對(duì)少量從底面彎起的鋼筋，因此在如此大的負(fù)彎矩作用下，梁端附近一定范圍內(nèi)截面承載能力不滿足要求，上翼緣出現(xiàn)過(guò)大拉應(yīng)力而開(kāi)裂，破壞橋面防水層及混凝土保護(hù)層，且由于截面配筋少，出現(xiàn)裂縫寬度也相對(duì)較大，因此對(duì)梁體整體性和耐久性產(chǎn)生非常不利的影響。

（2）在溫度荷載作用下，梁縫間落砟會(huì)使梁體出現(xiàn)很大的軸壓力和負(fù)彎矩，經(jīng)計(jì)算梁縫間存在10粒道砟對(duì)梁體可產(chǎn)生2158kN軸向壓力和863.2kN.m的負(fù)彎矩，2158kN軸向壓力這相當(dāng)于對(duì)混凝土產(chǎn)生了1.4MPa壓應(yīng)力，這對(duì)于那些承載能力由上翼緣頂面混凝土壓應(yīng)力控制且本身承載系數(shù)接近于1的梁體，如叁標(biāo)橋1024、專(zhuān)橋1010等，梁體承載系數(shù)將會(huì)進(jìn)一步降低，以至于出現(xiàn)承載能力不能滿足設(shè)計(jì)要求的情況；梁端產(chǎn)生863.2kN.m的負(fù)彎矩，梁端附近截面承載能力不滿足要求，對(duì)梁體整體性和耐久性產(chǎn)生極不利的影響。

3 實(shí)例分析

既有線某橋上部結(jié)構(gòu)為2-8.0m低高度鋼筋混凝土梁，圖號(hào)：叁標(biāo)橋1024，設(shè)計(jì)荷載采用中-活載。支座采用弧形鋼支座，采用圓端形橋墩、T形橋臺(tái)。混凝土回彈測(cè)試結(jié)果表明，梁體混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。我們對(duì)其進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，測(cè)試跨中截面的應(yīng)力和撓度，試驗(yàn)加載采用1臺(tái)DF5D內(nèi)燃機(jī)車(chē)，測(cè)試截面處彎矩加載效率系數(shù)為0.558?？缰薪孛鎿隙群蛻?yīng)力測(cè)試結(jié)果如表3、表4所示。

表3 撓度測(cè)試結(jié)果

表4 梁底應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

從表3、表4中撓度和應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以看出：

實(shí)測(cè)左右片梁跨中撓度分別為 2.00mm、2.10mm，明顯小于同類(lèi)型梁體測(cè)試結(jié)果，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)分別為0.31、0.32，較《橋檢規(guī)》鋼筋混凝土梁撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)0.55～0.65的通常值偏??；實(shí)測(cè)左右片梁梁底應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)分別為0.44、0.39，較《橋檢規(guī)》通常值0.55～0.65偏小。實(shí)測(cè)梁體跨中撓度及應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均較《橋檢規(guī)》通常值偏小。以上可以說(shuō)明理論計(jì)算的跨中彎矩和撓度值均偏小，實(shí)際橋梁邊界條件與理論計(jì)算時(shí)正常簡(jiǎn)支梁模型存在差異，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該橋狀態(tài)檢查中發(fā)現(xiàn)測(cè)試橋孔與橋臺(tái)活動(dòng)端梁縫間存在一些落砟，這就改變了梁體正常的邊界條件，對(duì)梁體在活載作用下的伸縮及轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行了部分限制，這就導(dǎo)致了靜載試驗(yàn)中跨中截面的應(yīng)力和撓度測(cè)試值偏小。

4 結(jié)論

通過(guò)以上理論計(jì)算和荷載試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）在活載作用下，梁縫間道砟可以減小梁體跨中彎矩、撓度，有利于提高梁體的豎向剛度，然而同時(shí)也大大增加梁體軸向壓力和梁端的負(fù)彎矩，梁端一定范圍內(nèi)出現(xiàn)的負(fù)彎矩對(duì)梁體受力及為不利，可使得梁端一定范圍內(nèi)上翼緣出現(xiàn)過(guò)大拉應(yīng)力而開(kāi)裂，破壞橋面防水層及混凝土保護(hù)層，對(duì)梁體整體性和耐久性產(chǎn)生非常不利的影響，長(zhǎng)此以往，將會(huì)對(duì)鐵路正常運(yùn)營(yíng)造成很大的安全隱患。

（2）在溫度荷載作用下，梁縫間道砟會(huì)使梁體出現(xiàn)很大的軸壓力和梁端負(fù)彎矩，軸壓力對(duì)混凝土產(chǎn)生了約相當(dāng)大的初始?jí)簯?yīng)力，這對(duì)于那些承載能力由上翼緣頂面混凝土壓應(yīng)力控制且本身承載系數(shù)接近于1的梁體，如叁標(biāo)橋1024、專(zhuān)橋1010等，梁體承載系數(shù)將會(huì)進(jìn)一步降低，以至于出現(xiàn)承載能力不能滿足設(shè)計(jì)要求的情況；梁端負(fù)彎矩出現(xiàn)使得梁端附近截面承載能力不滿足要求，對(duì)梁體整體性和耐久性產(chǎn)生極不利的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

梁縫間道砟對(duì)梁體承載能力的影響的理論分析是個(gè)比較復(fù)雜問(wèn)題，包括道砟軸向約束剛度的取值，轉(zhuǎn)角約束剛度道砟在梁縫高度分布影響等，本文對(duì)梁縫間道砟對(duì)梁體承載能力的影響程度盡可能多的進(jìn)行考慮敘述，然而限于問(wèn)題復(fù)雜、時(shí)間匆忙和本人知識(shí)有限，難免有許多不足之處，目的是使梁縫間落砟這一病害可以引起鐵路橋梁養(yǎng)護(hù)部門(mén)的足夠重視，在平時(shí)橋梁養(yǎng)護(hù)工作中，增加對(duì)梁縫間清潔的檢查，及時(shí)清除梁縫間落砟。另外，也要在此特別指出，橋梁支座由于銹蝕等原因引起的活動(dòng)性差或者不活動(dòng)對(duì)鐵路混凝土橋梁作用機(jī)理與梁縫間落砟對(duì)鐵路混凝土橋梁作用機(jī)理類(lèi)似，同樣也會(huì)在梁端產(chǎn)生負(fù)彎矩。