貨運(yùn)鐵路并置T梁結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)及承載能力評(píng)定研究

高敏

（上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海市 200092）

0 引 言

某鐵路在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中，木橋枕出現(xiàn)明顯磨損、開裂等嚴(yán)重劣化現(xiàn)象；同時(shí)為了配合線路升級(jí)改造，需要將一座典型重載鐵路橋梁上的木橋枕更換為混凝土橋枕，同時(shí)更換P60鋼軌，由此帶來橋梁結(jié)構(gòu)二期恒載的增加。鑒于該橋已開通運(yùn)營(yíng)30年，當(dāng)前技術(shù)狀況及實(shí)際承載能力與成橋狀態(tài)相比有了一定的變化。為準(zhǔn)確鑒定該橋當(dāng)前的實(shí)際承載能力，通過對(duì)該橋的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，獲得主要混凝土構(gòu)件的表觀缺損、材質(zhì)特性、幾何形態(tài)參數(shù)、振動(dòng)性能，并據(jù)此對(duì)該橋主要構(gòu)件進(jìn)行劣化等級(jí)評(píng)定。同時(shí)根據(jù)該橋今后的實(shí)際荷載工況、當(dāng)前材料特性，對(duì)其進(jìn)行承載能力檢定，確定檢定承載系數(shù)K。

1 橋梁概況

該鐵路橋位于平原地區(qū)，正線全長(zhǎng)72.274 km。線路為Ⅲ級(jí)支線。正線為單線，到發(fā)線有效長(zhǎng)為850 m，有條件預(yù)留1 050 m。限制坡度為5‰，最小曲線半徑一般為600 m，困難地段400 m。采用43 kg/m、長(zhǎng)25 m鋼軌，軌距為1.435 m。道床石碴厚20 cm，沙墊層厚20 cm。非滲水土壤路基寬6.2m。上部結(jié)構(gòu)采用32 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土T梁（標(biāo)準(zhǔn)圖：道碴橋面后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁，叁標(biāo)橋2019），圓端形橋墩（標(biāo)準(zhǔn)圖：道碴橋面鋼筋混凝土圓端形橋墩，叁橋4023），耳墻式橋臺(tái)（標(biāo)準(zhǔn)圖：道碴橋面鋼筋混凝土梁耳墻式橋臺(tái)，叁橋4024），沉井基礎(chǔ)（壹橋4203），設(shè)計(jì)荷載中-22級(jí)，百年一遇流量1 500 m3/s。1988年1月竣工通車（見圖1）。

圖1 橋梁側(cè)面及正面照

2 橋梁檢測(cè)結(jié)果

通過對(duì)該橋包含以下內(nèi)容的結(jié)構(gòu)檢測(cè)：外觀質(zhì)量檢測(cè)；T梁材質(zhì)無損檢測(cè)；橋梁幾何形態(tài)參數(shù)檢測(cè)；振動(dòng)性能測(cè)試。

2.1 外觀質(zhì)量檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁兩側(cè)翼緣板端部普遍存在鋼筋銹脹、混凝土剝落現(xiàn)象，個(gè)別T梁腹板局部有露筋現(xiàn)象。并置T梁通過橫隔梁連接，每孔共有9道橫隔梁，其中每道橫隔梁有上下兩根橫隔梁。T梁兩端1#、2#、8#、9#上橫隔梁普遍出現(xiàn)連接鋼板銹蝕、混凝土剝落，其中部分T梁的上橫隔梁呈現(xiàn)斷裂狀態(tài)，列車通過時(shí)，可見明顯錯(cuò)位現(xiàn)象（見圖2～圖4）。

圖2 T梁翼緣板局部鋼筋銹脹

圖4 T梁橫隔梁斷裂

下部結(jié)構(gòu)中，墩臺(tái)整體狀況良好，個(gè)別墩臺(tái)局部有輕微鋼筋銹脹。橋梁采用搖軸支座，各支座表面普遍存在灰塵覆蓋。部分活動(dòng)支座的防塵圍板銹蝕嚴(yán)重、固定螺栓銹蝕。橋梁兩側(cè)檢修道人行道板及橋墩檢修平臺(tái)混凝土板普遍銹脹嚴(yán)重，欄桿普遍銹蝕。橋面兩側(cè)的泄水管普遍銹蝕嚴(yán)重，伸出梁體翼緣板的部分大都銹蝕損壞。

通過外觀檢查結(jié)果可知該橋主要混凝土構(gòu)件工作狀況良好，僅并置T梁部分橫隔梁有缺損。根據(jù)研究表明[1]，當(dāng)T梁9道橫隔梁中的1#、9#橫隔梁失效時(shí)，橫向頻率將下降14.7%；當(dāng)T梁9道橫隔梁中的1#、2#、8#、9#橫隔梁失效時(shí)，橫向頻率將下降36.0%?？梢奣梁兩端橫向聯(lián)系的削弱將會(huì)導(dǎo)致并置T梁整體橫向抗彎及抗扭剛度的削弱，影響結(jié)構(gòu)的整體工作性能。

2.2 T梁材質(zhì)無損檢測(cè)

原設(shè)計(jì)中T梁采用500號(hào)混凝土（C48），為準(zhǔn)確獲得T梁混凝土當(dāng)前的實(shí)際強(qiáng)度，通過采用超聲回彈綜合法，測(cè)量超聲波在混凝土中的聲速及混凝土表面強(qiáng)度，綜合得到實(shí)際混凝土強(qiáng)度。抽檢4片T梁的混凝土強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度推定值均在50 MPa以上，滿足原設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求（見圖5）。

圖5 對(duì)T梁腹板采用超聲波對(duì)測(cè)

采用鋼筋掃描儀，抽檢4片T梁腹板側(cè)面豎向鋼筋的保護(hù)層厚度，所檢測(cè)的鋼筋保護(hù)層厚度平均值在23～33 mm，小于現(xiàn)行規(guī)范要求（35 mm）。但考慮到T梁腹板側(cè)面豎向鋼筋主要為箍筋，非主要受力鋼筋，且碳化深度測(cè)量結(jié)果表明腹板側(cè)面混凝土的碳化深度在0.5～2.0 mm，遠(yuǎn)小于鋼筋保護(hù)層厚度，因此T梁結(jié)構(gòu)仍具有良好的耐久性。

2.3 橋梁幾何形態(tài)參數(shù)檢測(cè)

在對(duì)橋梁幾何形態(tài)參數(shù)檢測(cè)中，為獲悉預(yù)應(yīng)力混凝土T梁在運(yùn)營(yíng)30年后梁體的預(yù)拱度狀況，使用Leica TS60全站儀的無棱鏡模式，測(cè)量了部分孔跨T梁的上拱度及個(gè)別橋墩墩帽底面的相對(duì)標(biāo)高。上拱度抽檢結(jié)果表明，除個(gè)別T梁上拱度值略低外，其他梁的上拱度一般在23～44 mm，無T梁出現(xiàn)下?lián)蠣顩r。墩臺(tái)變位測(cè)量中，各抽檢墩帽底面測(cè)點(diǎn)間的最大偏差在19～41 mm。由于沒有竣工時(shí)的各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)標(biāo)高值，無法通過當(dāng)前測(cè)量來反映橋墩的相對(duì)變位，但該測(cè)量結(jié)果可作為今后橋墩變位監(jiān)測(cè)的比對(duì)基準(zhǔn)（見圖6）。

圖6 Leica TS60全站儀

2.4 振動(dòng)性能測(cè)試

振動(dòng)特性是鐵路橋梁重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的自振特性測(cè)量及振動(dòng)位移幅值測(cè)試，獲得該橋在當(dāng)前狀態(tài)下列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況下的振動(dòng)參數(shù)。在上部結(jié)構(gòu)T梁沿縱向四分點(diǎn)、墩頂布設(shè)豎向及橫向振動(dòng)位移傳感器，通過對(duì)12 h的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，包括橋梁在無外荷載下的自振及不同荷載列車通過下的激振測(cè)量，獲得橋梁的振動(dòng)特性。

（1）測(cè)量結(jié)果表明，18號(hào)孔的豎向1階振型為對(duì)稱彎曲，對(duì)應(yīng)自振頻率為5.15 Hz。2號(hào)孔和18號(hào)孔的橫向1階振型均為橫向?qū)ΨQ彎曲，對(duì)應(yīng)自振頻率均為3.59 Hz。

（2）貨運(yùn)列車過橋時(shí)，2號(hào)孔跨中實(shí)測(cè)最大豎向振動(dòng)位移幅值為1.6 mm，18號(hào)孔跨中實(shí)測(cè)最大豎向振動(dòng)位移幅值為1.9 mm。2號(hào)孔跨中實(shí)測(cè)最大橫向振動(dòng)位移幅值為4.7 mm，18號(hào)孔跨中實(shí)測(cè)最大橫向振動(dòng)位移幅值為4.5 mm。2號(hào)孔和18號(hào)孔在貨車過橋時(shí)跨中的實(shí)測(cè)最大橫向振動(dòng)位移幅值均超過了規(guī)范規(guī)定的L/9 000（3.55 mm）安全限值。

（3）貨車過橋時(shí)，2號(hào)墩頂測(cè)得的最大縱橋向和橫橋向振動(dòng)位移幅值為0.22 mm和0.15 mm，17號(hào)墩頂實(shí)測(cè)最大縱橋向和橫橋向振動(dòng)位移幅值為0.20 mm和0.15 mm，均小于規(guī)范規(guī)定的安全限值[H/B+0.2=0.72（mm）]。

相關(guān)測(cè)試結(jié)果見表1、表2。

表1 2號(hào)孔主梁和2號(hào)墩頂振動(dòng)位移幅值測(cè)試結(jié)果

3 劣化等級(jí)評(píng)定及承載能力檢定

根據(jù)橋梁外觀檢查和振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，橋梁排水設(shè)施的泄水管損壞嚴(yán)重，部分橫隔板斷裂、現(xiàn)澆混凝土脫落，梁體跨中橫向最大振動(dòng)位移幅值超出《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)）的安全限值：混凝土梁的劣化等級(jí)評(píng)定為A1級(jí)；支座的鋼部件銹蝕、劣化等級(jí)評(píng)定為C級(jí)；個(gè)別橋墩墩帽處鋼筋銹脹，墩臺(tái)基礎(chǔ)劣化等級(jí)被評(píng)定為C級(jí)。

表2 18號(hào)孔主梁和17號(hào)墩頂振動(dòng)位移幅值測(cè)試結(jié)果

根據(jù)橋梁外觀檢查結(jié)果、材質(zhì)狀況檢測(cè)結(jié)果和幾何形態(tài)檢測(cè)結(jié)果按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)）對(duì)橋梁進(jìn)行承載能力檢定。T梁的原設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)為500號(hào)，根據(jù)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，抽檢的結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度推定值均在50 MPa以上，從偏安全的角度考慮，仍按原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度（C48）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算。

根據(jù)表3，跨中斷面容許換算均布活載：k=[（2×28 055.1）/（1.9×128）]×103-51.7×1=179.0（kN/m）＞ks=98.4 kN/m。其中k為容許換算均布活載，ks為中-活載的換算均布活載。橋梁檢定承載系數(shù)K=k/ks=179.0/98.4=1.82＞1.0，表明該橋上部結(jié)構(gòu)T梁承載能力能夠滿足要求。

表3 跨中正截面抗彎強(qiáng)度檢算

一般情況下，橋梁基礎(chǔ)承載能力會(huì)隨著橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加、地基土體擠密而得到提高。在檢查中沒有發(fā)現(xiàn)橋梁墩臺(tái)有表明承載能力不足的沉降和變形，因此可認(rèn)為橋梁下部墩臺(tái)及基礎(chǔ)承載能力能夠滿足原設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

（1）依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該橋的各項(xiàng)檢測(cè)，劣化評(píng)定及承載能力檢算，可知在更換鋼筋混凝土橋枕及P60鋼軌的情況下，橋梁承載能力仍能夠滿足原設(shè)計(jì)的要求。但是列車過橋時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)位移幅值有超過行車安全限值的情況，橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度不滿足要求，仍需采用有效加固方式，修復(fù)T梁橫向聯(lián)系，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性。

（2）該橋設(shè)計(jì)年限較早，在參考的原設(shè)計(jì)規(guī)范中，并未對(duì)T梁間的連接有硬性規(guī)定。但目前現(xiàn)行的《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10092—2017）已強(qiáng)制要求T梁結(jié)構(gòu)必須對(duì)橫隔梁施加預(yù)應(yīng)力將T梁連為整體，必要時(shí)連接橋面，以保證橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度及豎向、橫向和抗扭剛度。

（3）既有T梁由于在原設(shè)計(jì)中未考慮施加橫向預(yù)應(yīng)力的構(gòu)造，在后續(xù)加固中可通過在橫隔梁附近的T梁腹板上鉆孔，設(shè)置?25對(duì)拉精軋螺紋鋼筋的方式施加預(yù)應(yīng)力，提高橫向、抗扭剛度及整體性，考慮到腹板局部受力影響，螺紋鋼筋錨固端須設(shè)置鋼墊板且張拉力應(yīng)控制在橫隔梁混凝土軸向壓應(yīng)力允許限值內(nèi)。