大準(zhǔn)鐵路橋梁病害調(diào)查及損傷影響分析

劉宇飛，王宏宇，龐 博，程愛(ài)君

（1.準(zhǔn)能集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300；2.準(zhǔn)能集團(tuán)大準(zhǔn)鐵路公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083；4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

橋梁工程在當(dāng)今國(guó)際上被稱為“生命線工程”，它在水利、鐵路、公路、礦山等諸多部門被廣為應(yīng)用。大準(zhǔn)鐵路正線全長(zhǎng)265 km，是已形成的“西煤東運(yùn)”大通道—大秦線的向西延伸，屬一級(jí)單線電氣化鐵路。全線共有橋梁163 座，其中既有線橋梁112 座（增二線施工廢棄6 座），增二線新增橋梁57 座。大準(zhǔn)鐵路設(shè)計(jì)年運(yùn)輸能力1 500 萬(wàn)t，2005 年完成擴(kuò)建改造后運(yùn)輸能力已達(dá)到4 800 萬(wàn)t。2013 年大準(zhǔn)鐵路計(jì)劃煤炭發(fā)運(yùn)量8 300 萬(wàn)t，隨著運(yùn)輸需求量的增加，大準(zhǔn)鐵路的運(yùn)輸壓力逐漸加大，橋梁病害也逐漸增多，檢修時(shí)間和工作量也越來(lái)越大。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)橋梁病害進(jìn)行了深入研究并取得了大批科研成果。文獻(xiàn)［1］利用層次分析法安全評(píng)價(jià)模型和模糊綜合評(píng)價(jià)法安全評(píng)價(jià)模型，分析得出鐵路橋梁和隧道病害對(duì)比，建立安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及綜合評(píng)價(jià)模型，為運(yùn)營(yíng)部門提供了安全評(píng)價(jià)和管養(yǎng)的有效手段。文獻(xiàn)［2］使用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化學(xué)習(xí)速度和適用范圍，結(jié)合自適應(yīng)模糊推理，建立基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-模糊推理的橋梁安全性評(píng)估系統(tǒng)。文獻(xiàn)［3］提出了基于XFEM（擴(kuò)展有限單元法）并考慮鋼筋-混凝土界面間斷性的黏結(jié)滑移模型，在MATLAB 平臺(tái)上編制了有限元程序，用于模擬計(jì)算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫萌生、擴(kuò)展及其極限承載力。文獻(xiàn)［4］利用數(shù)值模擬方法，對(duì)大準(zhǔn)鐵路沿線蓋板涵開(kāi)裂病害的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究，得出涵洞在自重應(yīng)力作用下發(fā)生的變形極小，涵洞開(kāi)裂的主要誘因是列車通行時(shí)施加的均布載荷。文獻(xiàn)［5］對(duì)大準(zhǔn)鐵路黃河特大橋鋼桁梁進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，對(duì)鋼桁梁的安全承載能力和使用條件作出了判斷。文獻(xiàn)［6］以鋼筋混凝土剛架拱橋?yàn)楸尘?，利用有限元軟件ANSYS 對(duì)原剛架拱橋、5 mm 鋼箱加固和10 mm 鋼箱加固3 種工況下拱橋跨中實(shí)腹段和主拱腿的撓度、應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析。文獻(xiàn)［7］對(duì)2 片8 m 跨度鋼筋混凝土空心板梁進(jìn)行了2 點(diǎn)對(duì)稱加載破壞試驗(yàn)，基于混凝土損傷塑性模型且考慮了混凝土膨脹角、黏性參數(shù)，建立了試驗(yàn)梁非線性有限元模型，計(jì)算得到的梁體撓度、混凝土和鋼筋應(yīng)變與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。文獻(xiàn)［8］通過(guò)群樁基礎(chǔ)縮尺比例模型，采用擬靜力試驗(yàn)研究樁基礎(chǔ)的破壞機(jī)制、承載能力、變形性能以及滯回特性，并提出水平荷載作用下群樁基礎(chǔ)的非線性靜力計(jì)算模型。文獻(xiàn)［9-10］提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論的安全性評(píng)價(jià)方法和有限元模型修正方法，為橋梁的安全狀態(tài)評(píng)估提供了依據(jù)，縮小了橋梁有限元模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性的誤差。然而，由于橋梁的規(guī)模和結(jié)構(gòu)差異性較大，針對(duì)具體橋梁的損傷影響分析，例如裂縫對(duì)梁體撓度和應(yīng)變影響方面的研究成果還比較少，還須做進(jìn)一步研究，以明晰裂縫在不同荷載工況下對(duì)橋梁損傷的影響機(jī)理。

為此，本文以大準(zhǔn)鐵路沿線橋梁為背景，在廣泛調(diào)查橋梁病害類型的基礎(chǔ)上，選取代表工點(diǎn)和典型病害，運(yùn)用FLAC 3D 數(shù)值模擬方法對(duì)橋梁的損傷影響進(jìn)行研究，可為大準(zhǔn)鐵路橋梁的災(zāi)害防治提供理論依據(jù)，也為類似地質(zhì)條件下橋梁病害調(diào)查及損傷影響分析提供借鑒和參考。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

大準(zhǔn)鐵路沿線地貌類型多樣，以沖洪積平原盆地、中低土石山區(qū)、河谷階地、黃土丘陵為主，平均海拔高度在1 200～1 500 m。沿線水土流失現(xiàn)象普遍存在，水蝕、風(fēng)蝕、重力侵蝕等類型共存。

1.2 地層巖性

大準(zhǔn)鐵路沿線的地層主要為石炭系砂巖、奧陶、寒武系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，斜坡表覆第四系全新統(tǒng)沖風(fēng)積層新黃土。巖性特點(diǎn)是硬質(zhì)巖為主，中部夾軟巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方式為升降運(yùn)動(dòng)，水平運(yùn)動(dòng)次之，受地質(zhì)構(gòu)造影響較弱，無(wú)控制線路方案的斷裂帶。在區(qū)域地震構(gòu)造上，大準(zhǔn)鐵路屬于我國(guó)華北地震區(qū)，其基本烈度為Ⅵ～Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g～0.25g。

1.4 氣候與水文地質(zhì)條件

大準(zhǔn)鐵路通過(guò)地區(qū)屬中溫帶亞干旱氣候區(qū)，大陸性氣候明顯，溫差變化大。降雨量多集中在七、八月份，年平均降雨量410.7 mm。土壤最大凍結(jié)深度1.41 m。沿線各河溝均為季節(jié)性河流，河水暴漲暴落，歷時(shí)短，攜沙量大，造成上游沖蝕、下游淤積的河流特點(diǎn)。地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。

2 病害的調(diào)查及類型

本次是針對(duì)大準(zhǔn)鐵路沿線112座橋梁進(jìn)行的大范圍普查，重點(diǎn)對(duì)梁體、墩臺(tái)、支座存在的典型病害，橋墩加固情況等進(jìn)行調(diào)查分析。調(diào)查結(jié)果表明大準(zhǔn)鐵路橋梁整體運(yùn)行情況較好，極少數(shù)橋梁出現(xiàn)的病害為：橋面系主要為極少數(shù)人行板缺失、砂漿開(kāi)裂及橋面排水不暢；梁體主要為極少數(shù)裂縫、麻面脫落及梁體橫隔板斷裂；支座主要為極少數(shù)錯(cuò)位、銹蝕；墩臺(tái)及基礎(chǔ)主要為極少數(shù)缺損開(kāi)裂、混凝土脫落、麻面以及部分橫向振幅超限。

3 損傷影響分析

本文以大準(zhǔn)鐵路中心里程為K15+392 的橋梁為例，對(duì)危害嚴(yán)重的梁體裂縫損傷影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。此橋建成于1994 年7 月，是大準(zhǔn)鐵路沿線重要的橋梁建筑，為低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁，跨徑為8 m，見(jiàn)圖1。全橋采用板式橡膠支座，橋墩為圓端形實(shí)體，耳墻式橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)。

圖1 橋梁現(xiàn)場(chǎng)

3.1 分析模型

采用數(shù)值模擬軟件FLAC 3D 建模，由底向上進(jìn)行三維實(shí)體建模。計(jì)算分析目的是了解下緣開(kāi)裂對(duì)橋梁跨中各點(diǎn)撓度和應(yīng)變的影響，據(jù)以判斷橋梁結(jié)構(gòu)在靜載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的安全承載能力和使用條件。梁的截面形式見(jiàn)圖2，計(jì)算網(wǎng)格模型見(jiàn)圖3。

圖2 橋梁截面（單位：cm）

圖3 計(jì)算網(wǎng)格模型（單位：m）

3.2 計(jì)算方案

邊界采用梁兩端簡(jiǎn)支約束，以保證模型與實(shí)際工程約束條件相接近，并在各種損傷工況下對(duì)梁跨中施加216 kPa 的均布荷載（2 輛SS4+6 輛C80A 重車）。設(shè)置3 種不同損傷工況A，B，C：工況A 對(duì)應(yīng)裂縫損傷位置在梁的2/8 跨，工況B 對(duì)應(yīng)損傷位置在梁的3/8 跨，工況C 對(duì)應(yīng)損傷位置在梁的4/8 跨。設(shè)置3 種裂縫深度，用f表示，分別為20，30，40 cm。對(duì)簡(jiǎn)支混凝土T梁在3種工況下梁底撓度差值和應(yīng)變差值的變化情況展開(kāi)討論，確定梁底裂縫深度和位置與梁底撓度差值和應(yīng)變差值之間的關(guān)系。

3.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)參照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中混凝土的材料參數(shù)進(jìn)行取值。簡(jiǎn)支混凝土T 梁橋采用C40 混凝土，按照線彈性材料模擬，其材料參數(shù)為：彈性模量3.25×1010Pa，泊松比0.2，密度2 440 kg/m3。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 裂縫對(duì)梁體撓度差值影響分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取出相同外荷載作用下梁撓度，并對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行差值處理，即將無(wú)裂縫條件下的梁體撓度減去開(kāi)裂情形下的梁體撓度，以觀察裂縫存在對(duì)梁體撓度的影響。計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，其中縱坐標(biāo)梁體撓度差值用n表示，橫坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)距離梁端的位置用x表示。

圖4 裂縫對(duì)梁體撓度差值影響

由圖4 可以看出，在相同裂縫深度f(wàn)、不同損傷工況條件下，梁體撓度差值n的變化規(guī)律基本一致，最大n值出在裂縫位置，且距離裂縫位置越近，n值越大。在不同f條件下，f越大對(duì)n值的影響就越大，n值隨著f的增大而增大。n值均在梁跨的中部即損傷工況 C 時(shí)達(dá)到最大。其中當(dāng)f= 20，30，40 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的n值分別為-19.3×10-6，-77.5×10-6，-274.4×10-6m。

3.4.2 裂縫對(duì)梁底應(yīng)變區(qū)域影響分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取出相同外荷載作用下梁底中心線各單元軸向應(yīng)變的數(shù)值，并對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行差值處理，即將無(wú)裂縫梁底應(yīng)變減去開(kāi)裂情形下的梁底應(yīng)變，以觀察應(yīng)變?cè)诓煌r和不同裂縫深度時(shí)的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果如圖5 所示，其中縱坐標(biāo)梁底應(yīng)變差值用y表示，橫坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)距離梁端的位置用x表示，裂縫深度用f表示，圖中Δ為應(yīng)變影響區(qū)域。

圖5 裂縫對(duì)梁底應(yīng)變區(qū)域影響

由圖5可以看出不同裂縫深度f(wàn)得到的應(yīng)變差值y的大小沿著軸線方向基本遵循相同的規(guī)律：在同一損傷工況下，y隨著f增大而增大。同一f時(shí)，y在裂縫位置處最大，且與裂縫位置距離越遠(yuǎn)，y越小。不同損傷工況下，f應(yīng)變影響區(qū)域Δ均大致為裂縫兩側(cè)1.3 m 左右，與損傷位置關(guān)系不大。由于受到梁體端部支撐條件的影響，損傷工況距離跨中位置越遠(yuǎn)，y越小，反之，損傷工況距離跨中位置越近，y越大，且均在f=40 cm時(shí)達(dá)到最大。其3種損傷工況A，B，C對(duì)應(yīng)的應(yīng)變差值y分別為9.21×10-6，20.53×10-6，23.93×10-6。

4 結(jié)論

1）對(duì)大準(zhǔn)鐵路112 座橋梁病害調(diào)查結(jié)果表明，大準(zhǔn)鐵路橋梁整體運(yùn)行情況較好，病害較少。橋面系病害主要為極少數(shù)橋面人行板缺失、砂漿開(kāi)裂及橋面排水不暢；梁體病害的主要類型為極少數(shù)裂縫、麻面脫落及梁體橫隔板斷裂；支座病害的主要類型為極少數(shù)錯(cuò)位、銹蝕；墩臺(tái)及基礎(chǔ)病害的主要類型為極少數(shù)缺損開(kāi)裂、混凝土脫落、麻面以及部分橫向振幅超限。

2）梁體損傷開(kāi)裂對(duì)撓度的影響研究表明，在相同裂縫深度條件下，最大撓度差值出現(xiàn)在裂縫位置處，且距離裂縫位置越近，撓度差值越大；在不同裂縫深度條件下，裂縫深度越大對(duì)梁體撓度的影響越大，其對(duì)應(yīng)的撓度差值均在梁跨的中部達(dá)到最大。

3）對(duì)梁體損傷開(kāi)裂應(yīng)變影響區(qū)域的研究表明，在同一個(gè)損傷位置，且荷載工況相同的條件下，梁底應(yīng)變差值隨著裂縫深度增大而增大；同一裂縫深度時(shí)，梁體在裂縫位置的應(yīng)變差值最大，與裂縫位置距離越遠(yuǎn)，應(yīng)變差值越小。梁底裂縫的應(yīng)變影響區(qū)域隨裂縫深度增大而增大，大致為兩側(cè)1.3 m 左右，且與損傷位置關(guān)系不大。