上盖板严重锈蚀对板梁承载力影响的检算与试验分析

郭宏有，李 杰

(沈阳铁路局 吉林线桥检测设计所，吉林省 吉林市 132001)

1 钢板梁伤损概况

检查中发现某线20 m上承式钢板梁严重锈蚀，截面尺寸削弱。

1)当移开桥枕后发现，桥枕搁置处10 mm厚的上盖板，只剩2～3 mm，有的已烂穿，在上盖板上留下一个个220 mm×450 mm的凹槽，三层板烂成双层板，双层板烂成单层板，单层板几乎全烂掉，见图1。

图1 右侧上盖板已烂穿

图2 枕木下铆钉头已几乎烂光

2)据统计，铆钉因锈蚀而失效的达90%，有的铆钉头锈去二分之一，有的铆钉头已锈平，见图2。

3)桥枕下的翼缘边已完全烂掉，整个上盖板翼缘边烂成锯齿状，导致钩螺栓无法钩住翼缘边，只能钩双层板，见图 3、图 4。

图3 枕木下翼缘边已钩不住螺栓

图4 枕木下双层板与单层板之间的锈蚀

鉴于上盖板严重锈蚀板梁，能否确保桥梁运营安全，拟查清钢板梁技术状态，并对该板梁承载能力及稳定性进行检算与试验。

2 锈蚀对板梁承载力影响的检算

《铁路桥梁检定规范》规定:桥梁的检定承载能力应以桥梁的检定承载系数K表示。K为结构所能承受的荷载相当于中华人民共和国铁路标准活载(中—活载)的倍数。

当K≥1时，表示桥梁承载能力满足标准活载要求。

当K＜1时，表示桥梁承载能力不满足标准活载要求，桥上容许通行的运行荷载Q，必须满足Q≤K。

Q为运行活载的“活载系数”，即在桥梁结构承载能力检算中，运行活载相当于标准活载的倍数。

各种梁式结构的K和Q可按下列公式计算

式中 k——桥梁构件的容许换算均布活载;

k0——标准活载的换算均布活载，计入动力系数;

kq——运行活载的换算均布活载，计入相应的动力系数。

对于前述跨度20 m的上承式板梁，选择锈蚀较严重的截面(距跨中1.2 m)按弯曲力矩进行检算。截面形状如图5所示。

图5 检算截面(单位:mm)

截面组成:①盖板:2— 450 mm×10 mm;②上下翼缘角钢:4—200 mm×200 mm×20 mm;③ 腹板:1—1 930 mm ×10 mm。

《铁路桥梁检定规范》规定:上承板梁按弯曲力矩检算时，梁跨容许换算均布活载

式中 k——桥梁构件的容许换算均布活载(kN/m);

［σW］——钢材弯曲检定容许应力(MPa)，查《桥检规》表 5.1.1［σW］=185 MPa;

Ωk——弯矩影响线面积(m2)，Ωk=49.28 m2;

p——恒载(kN/m)，p=24 kN/m;

W0——检算截面的有效截面抵抗矩(cm3)，求法如下

式中 ψ1——截面消弱系数，《铁路桥梁检定规范》规定:对于有盖板的铆接梁ψ1=0.8;

ψ2——钢梁锈蚀消弱系数，取 ψ2=0.75;

Wg——毛截面抵抗矩(cm3)，Wg=I0/y;

I0——毛截面惯性矩，I0=3 979 713 cm4;

y——对称截面上下翼缘到中性轴的距离，y=97.5 cm。

因此

梁跨容许换算均布活载为

20 m的上承式板梁动力系数

检算截面处中—活载换算均布活载(不包括动力系数)为

标准活载计入动力系数时的换算均布活载为

该20 m的上承式板梁检定承载系数为

因此该20 m的上承式板梁检定承载能力不满足中—活载的要求。

3 板梁综合检定试验

3.1 梁体跨中附近截面应力测试

应力测试断面选择距跨中1.2 m锈蚀较严重的截面进行，以SS6B机车牵引+C62A重车(速度7.0 km/h)测试的数据(测点布置如图6)，作为准静载进行实测应力分析，分析结果见表1。

在准静载作用下，测试断面上翼缘应力结构校验系数为0.90，下翼缘应力结构校验系数为0.97，结构校验系数实测值均超出《铁路桥梁检定规范》规定的结构校验系数通常值的上限。

下翼缘实测弯曲应力为68.87 MPa，换算到中—活载(换算系数1.55)与恒载产生的应力值(24.5 MPa)叠加后为 130.54 MPa，并乘以理论动力系数(1.467)为192.54 MPa，大于《铁路桥梁检定规范》钢材检定容许弯曲应力185 MPa，表明板梁锈蚀后强度不满足中—活载要求。

图6 测点布置

表1 实测应力分析

3.2 梁体跨中挠度测试结果

跨中挠度以 SS6B机车牵引 +C62A重车(速度7.0 km/h)测试的数据，作为准静载进行实测挠度分析，分析结果见表2。

表2 第2孔梁跨中挠度换算中活载挠度

挠度测试结果表明:实测最大竖向挠度为11.35 mm，挠度结构校验系数为0.98，大于《桥检规》规定的结构校验系数通常值的上限。实测挠度换算到中—活载时的挠跨比为1/1 136，不满足《铁路桥梁检定规范》钢板梁竖向挠跨比通常值1/1 200(普通桥梁钢)的要求，说明梁体竖向刚度不足。

3.3 梁体自振频率测试结果分析

梁体横竖向自振频率采用环境微振动法和余振法测试。

实测梁体横向自振频率在4.30～5.00 Hz之间，梁体横向自振频率均不满足《铁路桥隧建筑物修理规则》简支梁横向自振频率不小于nh=60/L0.8(L—简支梁跨度，单位 m)，即nh≥5.46要求，表明梁体横向刚度不足。

实测梁体竖向自振频率2.25～3.13 Hz，均不满足《铁路桥隧建筑物修理规则》对于跨度4 m≤L≤20 m简支梁竖向自振频率不小于n0=80/L(L—简支梁跨度，单位 m)的规定，即 n0≥4.00要求，表明梁体的竖向刚度不足。

3.4 梁体横向振幅测试结果分析

梁体实测跨中横向振幅最大值为0.97 mm，满足《铁路桥梁检定规范》规定的无桥面系的板梁(普通桥梁钢)横向振幅安全限值不大于3.64 mm的要求，但不满足《铁路桥梁检定规范》规定的客运专线无桥面系的板梁跨中横向振幅通常值不大于0.88 mm的要求。

4 结论和建议

该钢板梁上翼缘锈蚀严重，截面尺寸削弱，结构功能严重劣化，检定承载能力不满足中—活载的要求，横、竖向刚度不足，按照《铁路桥隧建筑物状态评定标准》评定，劣化等级为 A1级(严重)，即结构功能严重劣化，进一步发展会危及行车安全。

为适应铁路重载高速的要求，建议将该桥跨度20 m钢板梁进行更换。换梁前，桥上运行列车限速，对板梁的状态和病害进行定期观测，发现问题及时处理，同时禁止超重货物列车的通行。

［1］曹雪芹.桥梁结构动力分析［M］.北京:中国铁道出版社，1987.

［2］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号 铁路桥梁检定规范［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［3］刘鹏飞，姚京川，董振升.提速条件下32 m下承钢板梁综合动力性能的安全性评估［J］.铁道建筑，2008(1):28-30.

［4］牟军生，田术余，吕梅.某老龄钢桥承载能力的试验研究［J］.铁道建筑，2008(9):9-11.

［5］中华人民共和国铁道部.TB10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.