鉸接懸臂拼裝連續(xù)梁剪力鉸受力影響因素分析

劉吉元

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

我國自20世紀50年代中期開始修建預應(yīng)力混凝土梁橋，為突破跨度32 m的局限，爭取在更大跨度中采用混凝土結(jié)構(gòu)代替鋼結(jié)構(gòu)，也為了實現(xiàn)鋪軌前預架橋梁加快建設(shè)速度，在成昆線上以舊莊河1號橋為試點，首次采用懸臂拼裝法建成了大跨度預應(yīng)力混凝土梁橋［1-2］。舊莊河1號橋全長106 m，設(shè)計活載為中-26，建成于1966年。該橋上部結(jié)構(gòu)為（24+48+24）m變高度、單箱截面鉸接懸臂拼裝預應(yīng)力混凝土梁，由兩個對稱單元組成，每個單元由24 m錨孔（邊跨）和24 m懸臂（1/2主跨）組成，見圖1。橋上為單線有砟線路，采用P60鋼軌、P50護軌，Ⅱ型軌枕。橋上線路為直線，線路縱坡-1.5‰（往昆明方向下坡），橋梁平置，線路坡度通過道砟厚度調(diào)整。固定支座和柔性錨板設(shè)置在成都側(cè)、昆明側(cè)橋臺上，活動支座設(shè)置于1#、2#橋墩上。該橋于1978年進行過檢定試驗。

圖1 舊莊河1號橋總體布置

第2孔跨中的剪力鉸是該橋的一大特色。剪力鉸的兩側(cè)梁體做成楔形，相互嵌入后再通過16根豎向粗鋼筋施加張拉力拉緊，形成只傳遞剪力、不傳遞彎矩的“鉸接”構(gòu)造。剪力鉸將連續(xù)梁結(jié)構(gòu)由超靜定結(jié)構(gòu)變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)，大大簡化了設(shè)計計算的難度，這對于復雜計算能力缺乏的年代來說難能可貴［3］。但剪力鉸設(shè)置在梁體懸臂末端，截面剛度發(fā)生突變，剪力通過鉸接結(jié)構(gòu)位移來傳遞，使得主要部件預應(yīng)力粗鋼筋受力復雜，使用過程中容易出現(xiàn)破斷問題。

2000年3月工務(wù)部門檢查發(fā)現(xiàn)φ32、44Mn2Si預應(yīng)力粗鋼筋破斷6根，列車通過時剪力鉸兩側(cè)的梁體上下錯動量達60 mm，隨后橋上采取限速措施，利用天窗時間將粗鋼筋全部更換為φ25、45SiMnV的預應(yīng)力螺紋鋼筋。2000年12月、2001年8月又分別發(fā)現(xiàn)新更換的粗鋼筋破斷2根、1根。在以后的檢查過程中，不斷發(fā)現(xiàn)有粗鋼筋破斷，考慮到可能是因后更換的粗鋼筋截面面積不足所致，于2003年7月將φ25粗鋼筋更換為φ32預應(yīng)力粗鋼筋。但2013年底檢查時又有鋼筋破斷，粗鋼筋破斷的問題依然存在［4］，給工務(wù)養(yǎng)護維修帶來了極大的困難。為此，開展了外觀狀態(tài)檢查、橋面線形測量、三向相對位移測試、粗鋼筋應(yīng)力測試等工作，分析剪力的受力特征，提出剪力鉸養(yǎng)護維修建議。

1 剪力鉸構(gòu)造

鉸接懸臂梁通常在主跨跨中設(shè)置能水平移動的剪力鉸，以適應(yīng)梁體的溫度變化、收縮或徐變，并減少墩臺不均勻沉降所產(chǎn)生的影響。同時梁體施工階段和運營階段的應(yīng)力狀態(tài)基本相符，減少了體系轉(zhuǎn)換的許多問題。中墩為活動支座，制動力可分別由梁端橋臺承受，中跨和邊跨的比例也可根據(jù)地形地質(zhì)等條件通過選用不同錨固能力的錨板來調(diào)節(jié)。

剪力鉸由左塊體（A9）和右塊件（B9）構(gòu)成，其外形尺寸及組拼連接見圖2。裝配時，左右塊件伸出的牛腿交互插入相應(yīng)位置之凹槽中，并各以8根φ32、44Mn2Si高強度預應(yīng)力粗鋼筋相連。粗鋼筋錨頭下設(shè)有弧形墊板以消除軸力以外的其他附加力，并加設(shè)防水裝置和橡皮套管以防水氣侵蝕。梁部結(jié)構(gòu)上緣有18束預應(yīng)力鋼絲束錨在中間鉸的上頂板處，下緣有16根預應(yīng)力鋼絲束錨在中間鉸塊件的下翼緣處，左右兩個塊件的牛腿各利用其中8根鋼絲束來改善牛腿的受力狀況。左右兩個塊件裝配后，中間留有10 cm的溫度伸縮縫。為照顧全橋外形美觀，在鉸的兩側(cè)利用腹板的延長起裝飾作用。

圖2 剪力鉸構(gòu)造（實際采用φ32粗鋼筋；單位：cm）

2 外觀狀態(tài)檢查

2.1 外觀檢查

跨中剪力鉸接縫兩側(cè)裝飾板混凝土受水流侵蝕，局部剝落、露筋銹蝕，由此可知該處的橋面防水措施失效；裝飾板外側(cè)距邊緣3~5 cm位置沿豎向開裂，見圖3。粗鋼筋的下錨固端涂抹了黃油，清理黃油后未發(fā)現(xiàn)粗鋼筋有銹蝕跡象，見圖4。

圖3 剪力鉸外觀狀態(tài)

圖4 清除黃油前后的粗鋼筋

對粗鋼筋進行張拉，錨具脫開梁體后，有水流沿粗鋼筋流出，說明粗鋼筋上錨固處的防水措施失效，管道中已進水，粗鋼筋浸泡于水中存在銹蝕的可能。

2.2 橋面線形

采用水準儀對全橋橋面標高進行了測量，測量位置為翼緣板頂面、距節(jié)段接縫5 cm處，實測左右側(cè)梁體頂面的線形見圖5。

圖5 實測橋面線形

由圖5可知，第2孔小里程側(cè)半跨（距0#臺24～48 m）梁體明顯下?lián)希缰凶笥覀?cè)最大差值分別為-118、-35 mm，當前橋面線形與原設(shè)計差別較大。此外，跨中撓度也比1978年試驗時測得的-69 mm繼續(xù)向下變化了39 mm。由于未查到橋梁成橋時的線形資料，故無法確定1978年的橋面線形是施工時就已形成還是其他原因?qū)е?。本次測試第2孔跨中撓度較1978年繼續(xù)增大，原因主要有：①橋上道砟增厚，二期恒載增大，使得梁體的應(yīng)力分布發(fā)生變化，混凝土徐變變形增大；②梁體線形變化導致梁體內(nèi)預應(yīng)力鋼絲束的有效預應(yīng)力發(fā)生額外損失，二者相互影響。橋面線形的非均勻變化使得橋面道砟厚度沿縱向分布不均勻，軌道結(jié)構(gòu)的剛度也不一致，列車通過跨中時對剪力鉸的沖擊作用相應(yīng)增大。

3 三向相對位移測試

3.1 測點布置

為適應(yīng)梁體的變形要求，剪力鉸并不能將左右側(cè)梁體緊密固定在一起，因而在縱向、橫向、豎向均會產(chǎn)生相對位移。為測試剪力鉸在三個方向上的相對位移，在兩側(cè)梁體上布置了6個位移測點，其中反映剪力鉸接縫縱向變化的測點3個（測點編號Y1、Y2、Y3），分別布置在右側(cè)梁體翼緣板外側(cè)、梁體底面左右側(cè)的腹板外側(cè)；反映接縫橫向錯動的測點1個（Y4），布置在右側(cè)腹板中間位置；反映接縫豎向錯位的測點2個（Y5、Y6），布置在梁體底面左右兩側(cè)，見圖6。

圖6 剪力鉸相對位移測點布置（單位：cm）

3.2 靜載試驗

采用試驗編組列車（1節(jié)DF8B+1節(jié)DF8B）對連續(xù)梁按照三個靜載輪位進行加載，其中輪位一為邊跨滿載，輪位二為中跨滿載，輪位三為全橋1/2滿載。測試結(jié)果表明：

1）在豎向荷載作用下，剪力鉸接縫發(fā)生倒V形變形。以輪位二為例，梁體頂面接縫減小1.08 mm，梁體底面接縫增大2.64 mm，相當于梁體頂?shù)酌娼涌p的變形差為3.72 mm，也即粗鋼筋的上下錨固位置的縱向錯動量為3.72 mm。

2）剪力鉸兩側(cè)梁體作用的豎向荷載狀況接近時，如同時無荷載的輪位一、同時有荷載的輪位二，梁體橫向的錯動量較?。坏攦蓚?cè)梁體作用的荷載差別較大時，如輪位三，則梁體間的橫向錯動量較大。

3）剪力鉸兩側(cè)梁體作用的豎向荷載不同時，梁體發(fā)生的豎向位移不同，梁體間的粗鋼筋并不能限制梁體的豎向錯動。如輪位三作用下，梁體間的豎向錯動量為0.39 mm，這也導致了錨固于中間的粗鋼筋與錨固于兩側(cè)的粗鋼筋受力不相同。

梁體兩側(cè)豎向位移差為0.39 mm，剪力鉸中φ32粗鋼筋的長度為1 730 mm，彈性模量取200 GPa［5］、截面面積為804 mm2［6］，則剪力鉸兩側(cè)粗鋼筋受力相差36.3 kN，小于預應(yīng)力螺紋鋼筋容許疲勞力值64.3 kN（容許疲勞應(yīng)力幅為80 MPa）。

3.3 動力作用

測試了在試驗編組列車（20趟，5 km/h和40～80 km/h速度級階梯提速）和運營貨車（107趟，車速15～60 km/h）作用下剪力鉸的三向相對位移。典型測點剪力鉸相對位移見圖7，各測點測試結(jié)果見表1。

圖7 列車作用下剪力鉸相對位移

表1 剪力鉸相對位移測試結(jié)果 mm

列車作用下，實測梁體兩側(cè)最大豎向位移差為0.64 mm，剪力鉸兩側(cè)粗鋼筋力值差為59.6 kN，接近預應(yīng)力螺紋鋼筋容許疲勞力值64.3 kN。粗鋼筋在長期疲勞荷載作用下，疲勞斷裂的風險加劇。

以試驗編組列車5 km/h速度運行時為準靜態(tài)，以Y5、Y6點測試數(shù)據(jù)，得到剪力鉸位置處的豎向動力系數(shù)在1.11～1.41，高于第2孔梁的設(shè)計動力系數(shù)1.15。

4 粗鋼筋應(yīng)力測試

4.1 原設(shè)計有效預應(yīng)力

第2孔跨中剪力鉸中粗鋼筋每根張拉控制預應(yīng)力為96 kN，設(shè)計有效預應(yīng)力為76.5 kN。確定粗鋼筋中預拉力時，應(yīng)考慮在任何情況下粗鋼筋中均存在必要的拉力，以便鋼筋能按照拉壓桿件工作，但亦不宜過大以防止對梁體產(chǎn)生過大的附加彎矩。

剪力鉸的設(shè)計考慮了最大活載剪力±885 kN，墩臺相對沉降所產(chǎn)生的附加剪力±292 kN，由于兩懸臂梁梁段制作和拼裝及張拉時間不同，其混凝土徐變不同，因而在中間鉸處可能產(chǎn)生的剪力47 kN，故每根粗鋼筋的有效預應(yīng)力為（885+292+47）/16=76.5 kN。據(jù)此驗算了各種荷載情況下，剪力鉸中預應(yīng)力粗鋼筋的應(yīng)力均在其容許疲勞應(yīng)力范圍之內(nèi)，同時按彈性階段及破壞狀態(tài)分別檢算了楔形塊牛腿的法向截面和斜截面應(yīng)力狀態(tài)、抗裂穩(wěn)定性和破壞時的安全系數(shù)。檢算結(jié)果表明，以上截面均不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，抗裂安全系數(shù)在3.38～5.05，強度安全系數(shù)在4.24～4.53。

4.2 實測有效預應(yīng)力

測試粗鋼筋有效預應(yīng)力最直接的方法是在粗鋼筋上粘貼應(yīng)變片，通過測試荷載作用下的應(yīng)變推算粗鋼筋有效預應(yīng)力，但使用中的粗鋼筋主體位于管道中，無法粘貼應(yīng)變片。1978年檢測中對粗鋼筋進行張拉，以能夠擰動螺母時的張拉力作為有效預應(yīng)力，但螺母松動的時刻不容易把握，受操作人員的影響較大，有效預應(yīng)力值不夠精確。

為快速、精確測試粗鋼筋有效預應(yīng)力，本次試驗專門設(shè)計了張拉和測試工裝，包括壓力傳感器、上墊板、千斤頂、下墊板、錨具。接長錨桿采用φ32精軋螺紋鋼筋制作，通過連接套筒與梁體既有粗鋼筋連接。布置兩個千分表測試千斤頂?shù)纳扉L量，通過張拉力（力）與千斤頂伸長量（位移）的關(guān)系推算粗鋼筋的有效預應(yīng)力。當千斤頂張拉力小于等于粗鋼筋有效預應(yīng)力時，粗鋼筋的錨固螺栓不會松動，千分表測得的伸長量僅為接長錨桿的伸長量；當千斤頂張拉力超過粗鋼筋有效預應(yīng)力時，粗鋼筋的錨固螺栓松動，測得的伸長量為接長錨桿+粗鋼筋的伸長量。梁體內(nèi)粗鋼筋上下錨固端的錨具之間長度為1 730 mm，接長錨桿的長度為570 mm。

以10#（G10）粗鋼筋為例，從20 kN起分16級張拉至170 kN，得到千斤頂張拉力與粗鋼筋伸長量的關(guān)系（圖8）?？梢?，最后4次數(shù)據(jù)明顯與前面數(shù)據(jù)不在同一斜率的直線上，分別回歸80～110 kN和150～170 kN的測點得到兩條直線（線性相關(guān)系數(shù)R2均在0.999以上），得到兩條直線的交點位置為133.9 kN。考慮張拉工裝自重后，可以推算出粗鋼筋有效預應(yīng)力為135 kN。張拉過程中在張拉力為137 kN左右時，有水流開始沿粗鋼筋流出，說明粗鋼筋下端錨具已經(jīng)與梁體脫開，驗證了粗鋼筋有效預應(yīng)力的實測結(jié)果。

圖8 G10粗鋼筋張拉力-伸長量關(guān)系

按照上述方法對16根粗鋼筋逐根進行了張拉測試，張拉順序見圖9，測試結(jié)果見表2。

圖9 剪力鉸粗鋼筋有效預應(yīng)力張拉順序

表2 粗鋼筋有效預應(yīng)力

由表2可知，所有16根粗鋼筋的實測預應(yīng)力均高于設(shè)計的有效預應(yīng)力（76.5 kN），其中G05粗鋼筋的有效預應(yīng)力最高（153 kN）。1978年進行的檢定試驗中，也對粗鋼筋的應(yīng)力水平進行了測試，任選其中5根（具體哪幾根未知），其中4根分別張拉至102、103、92、126 kN時螺帽均未松動，另1根張拉至113 kN時螺帽才開始松動，表明有效預應(yīng)力普遍偏大。

本次對全部粗鋼筋均進行了張拉，有效預應(yīng)力最大值為153 kN，即便考慮預應(yīng)力螺紋鋼筋的容許疲勞力64.3 kN后，也遠小于粗鋼筋的極限承載力668 kN（極限抗拉強度830 MPa），因此粗鋼筋發(fā)生超過極限強度破壞的可能性很小。

5 結(jié)論與建議

通過上文的檢查與測試分析，剪力鉸中粗鋼筋破斷的原因如下：

1）粗鋼筋下錨固端松開后，有多根粗鋼筋管道中有水流出，說明剪力鉸頂面防水層破壞，粗鋼筋管道中長期存水，粗鋼筋存在局部銹蝕的可能。

2）梁體在跨中位置的下?lián)线_到118 mm，橋面道砟厚度沿縱向分布不均勻，列車通過跨中位置時對剪力鉸的沖擊作用大，粗鋼筋受到的動應(yīng)力增大。

3）列車作用下剪力鉸兩側(cè)最大豎向位移差為0.64 mm，則兩側(cè)粗鋼筋力值差為59.6 kN，接近預應(yīng)力螺紋鋼筋容許疲勞力值64.3 kN。粗鋼筋在長期疲勞荷載作用下，疲勞斷裂的風險加劇。此外，剪力鉸還存在縱向和橫向的位移，粗鋼筋會同時承受水平剪力或者與管道壁、錨固端之間的磨損。

4）粗鋼筋實測有效預應(yīng)力均高于設(shè)計值，最大值高出100%（153 kN），平均高出43%，但遠小于其極限承載力668 kN，因此粗鋼筋發(fā)生極限承載力破壞的可能性較小。

建議：①對第2孔跨中區(qū)域道砟進行清篩，橫向設(shè)置排水措施，防止積水進入剪力鉸錨固區(qū)；將粗鋼筋管道、錨固區(qū)注滿黃油，防止水流進入管道造成粗鋼筋銹蝕；②條件允許時，重新錨固預應(yīng)力偏大的粗鋼筋，使粗鋼筋有效預應(yīng)力不超過原設(shè)計張拉控制應(yīng)力；③對梁體頂面線形進行定期觀測，跨中下?lián)习l(fā)展速度較快時采取結(jié)構(gòu)加固等處理措施。