一、鋼橋的現狀

    鋼橋具有悠久的歷史，我國鐵路線上仍有許多20世紀初期建造的鋼橋仍在服役，歐美地區還有19世紀末建造的鋼橋在服役中。

    鋼橋采用的鋼材經歷了從鑄鐵鑄鋼、精煉鋼、沸騰鋼、鎮靜鋼、直到近代的低合金高強度鋼、TMCP高強度性能鋼。鋼橋的連接經歷了銷釘連接、鉚接、直到近代的栓焊連接或焊接。鋼橋的設計經歷了經驗設計法、直到近代的容許應力設計法或極限狀態設計法。

    基于以上特點，現有鋼橋多為不同年代設計采用不同鋼材和不同連接方法建造的橋梁，給鋼橋的維修管理帶來了一定的難度，甚至有些鋼梁已失去當時設計、施工的原始資料。另一方面，由于鋼材的高強度、高延性、易于通過加固恢復或提高其承載力，鋼橋往往不被輕易報廢。所以，歸納總結鋼橋常見病害，研究其加固措施，對延長既有鋼橋壽命、提高今后橋梁的維修養護質量具有重要的意義。

    二、鋼橋的主要病害及分析

    （一）主要病害

    鐵路鋼橋的病害類別，除了承載能力不足（指鋼梁檢定承載系數）外，主要是桿件裂損及開焊，其中多數為疲勞裂紋和腐蝕。1982年由鐵道部科學研究院、專業設計院、大橋工程局、山海關及寶雞橋梁廠組成“焊接鋼梁裂紋調查研究小組”,曾對八條運量繁忙的主要干線進行調查研究，針對所發現的不良焊接構造細節（疲勞裂紋易發生的細節）找出對策，進行了全面修復，并研究制定了新的鋼橋制造工藝，主要措施是減少或避免焊縫交叉，改善焊接幾何條件等。這些措施大大改善了鋼橋的疲勞受力狀態，裂紋發生率迅速降低。這里列舉的是此次修復之后發生的鋼梁主要桿件裂損及開焊（指主要桿件及節點鋼料裂紋及彎曲損傷超過允許限度，因受力而有發展的未處理或加固的開焊）部位（最低出現次數為一次）。

    1、上承鋼板梁上翼緣角鋼裂紋；

    2、上承鋼板梁支座上方下翼緣鋼板斷裂；

    3、上承鋼板梁下翼緣沿支座附近的裂紋；

    4、上承鋼板梁上蓋板（中心）開裂；

    5、上承鋼板梁上蓋板銹穿；

    6、上承鋼板梁下翼緣角鋼裂紋；

    7、上承鋼板梁加勁角鋼處下翼緣兩側對稱裂紋；

    8、上承鋼板梁上水平斜拉桿斷裂；

    9、上承鋼板梁下翼緣聯結板裂紋；

    10、上承鋼板梁端頭上蓋板外側掉塊；

    11、上承鋼板梁上翼緣裂紋；

    12、上承鋼桁梁支座與下翼緣連接鉚釘孔周邊裂紋；

    13、下承鋼板梁支座上縱梁頂彎；

    14、下承鋼板梁節點兩側裂紋；

    15、下承鋼板梁加勁角鋼上部裂紋；

    16、下承鋼板梁聯結桿與縱梁聯結板裂紋；

    17、下承鋼板梁下翼緣水平裂紋；

    18、下承鋼板梁支座連接板處裂紋；

    19、下承鋼桁梁支座上方橫梁下部裂紋；

    20、鉚焊下承鋼板梁上下水平聯結角鋼處裂紋；

    21、半穿式桁梁橫梁底彎曲；

    22、槽形板梁上蓋板油漆失效；

    分析上述出現裂紋部位，主要原因是疲勞損傷。這里做一重點概要分析。

    （二）分析

    1、疲勞損傷基本概念

    鋼材屬于高疲勞程度周次疲勞問題，疲勞曲線方程為

     （1）

    或  （2）

    其主要特征是：

    （1）產生疲勞的主要因素：拉應力、拉應力循環、晶格間產生微錯位；

    （2）疲勞裂紋擴展方向垂直于主力方向；

    （3）疲勞裂紋發展三階段：萌生、穩定擴展、失穩擴展。

    前兩個階段很難通過觀測結構的變形而被發現，第三階段是脆性破壞，所以疲勞是危險很大的一種破壞。

    影響焊接鋼橋疲勞性能的主要因素是：循環應力幅度 ,應力循環次數n,結構和連接的形狀、焊接缺陷、殘余應力等。疲勞檢算是根據疲勞曲線，針對被檢查的接頭，使所發生的應力及設計中預定的循環次數應低于疲勞曲線。見圖1.

    （3）

    2、疲勞裂紋的分類

    從受力分析狀態疲勞裂紋可分為因主應力引起的疲勞和因次應力引起的疲勞，以及腐蝕疲勞。經過幾十年的實踐和經驗的積累，鐵路橋梁設計規定采用的疲勞驗算方法，已經可以避免因主應力使疲勞裂紋發生的情況。需要關注的是次應力問題和腐蝕疲勞。本文描述的鋼梁常見病害，多起源于次應力，也有腐蝕問題。

    （1）次應力

    產生次應力的條件有：

    ①腹板面外變形，在某小間隙處受到約束引起次應力；

    ②二相鄰構件變形的差引起次應力，如上承式桁梁、縱梁與橫梁連接處；

    ③局部振動在構件連接處引起較大的次應力，如桁架橋中的豎桿及平聯、板梁中的桁式平聯和橫聯。特別在高速行車時更易引起較大振幅；

    ④支座豎向轉動或活動支座縱向唯一失靈引起次彎曲；

    ⑤早期鉚接鋼橋的縱梁上翼緣常常采用雙角鋼，因枕木彎曲變形及鉤螺栓的強約束引起角鋼水平肢的面外變形；

    ⑥其他不適當的構造設計和施工。

    次應力引起疲勞裂紋的特點是：

    ①設計中很難計算次應力，所以基本未做疲勞檢驗；

    ②在運營早期就會產生裂紋，最早在1~3個月即會出現；

    ③重現率高，同樣部位出現數量多；

    ④初期某些裂紋尚未擴展至主構件（削弱主構件斷面），暫不對主結構安全構成威脅。

    （2）腐蝕

    在鋼橋中高強度螺栓的延遲斷裂也不少見。所謂延遲斷裂，是指在靜荷載下（承受較高應力的狀態），經過一定的時間，由缺口、疲勞裂紋、腐蝕坑等應力集中處產生裂紋，在不發生塑性變形情況下發生的突然脆斷破壞現象。又稱為靜疲勞破壞，或氫脆疲勞。其原因是由于鋼材中含氫，或環境含氫，或腐蝕反應產生的氫侵入鋼材而造成的氫脆。外部原因是有應力集中，構件處于較高的應力水平。高強度螺栓延遲斷裂中，級的螺栓發生較多。

    三、維護對策

    建立橋梁檢測→診斷→修補加固的維護系統，是鋼橋維修管理的重要環節。

    （一）鋼橋的檢查

    分日常檢查、定期檢查（詳細檢查）、特殊檢查和檢定試驗四種。日常檢查主要通過日常巡視，采用目視法，對橋梁主體結構和墩臺進行檢查。定期檢查一般周期為4~5年，采用目視和簡單儀器對基礎、支座、易發生劣化和損傷的部位進行檢查。當發生車輛船舶撞擊、臺風、地震、火災等意外情況是，進行特殊檢查。當上述三項檢查結論認為必要時，進行靜力和動力檢定試驗，全面測試結構機能（應力和變形）和動力性能。

    1、檢查項點

    ①涂膜劣化及腐蝕狀態；

    ②建筑界限。指下承式橋梁建筑限界有無富裕量，特別是大型貨物通過時；

    ③列車通過時梁的振動狀態。在橋上感覺是否有異常振動和聲音；

    ④支座的異常及破損；

    ⑤鉚釘和螺栓的變化（松動、斷裂和脫落）；

    ⑥焊縫和母材的變化（裂紋等）；

    ⑦排水設備的狀態；

    ⑧步行道及橋上附屬設施的變化；

    ⑨修補和加固處的再變化；

    ⑩火災、撞擊和地震等引起的損傷。

    2、鋼橋性能的測試及評定

    進行檢定試驗時，需要測定的主要內容：

    （1）列車荷載測定

    ①目的：推算耐久性評定的荷載，推算換算撓度計算的軸重，計算現有承載力時的實測荷載；

    ②測定內容：在鋼軌（枕木之間）軌腰上布置應變計測軸重，在一定測定距離內（貨車大于40m,客車大于60m）測試列車速度；

    ③根據實測的列車活載（軸重和軸距），計算最大應力（用實測斷面計算），進而用下式評定現有的應力比：

    （2）主梁的承載力和耐久性

    ①目的：評定構件的承載力，評定危險構件細節的疲勞累積損傷度和剩余壽命；

    ②測定內容：主梁（或主桁架）、橫梁和縱梁的最大應力和撓度，被評定細節的應力譜；

    ③用現有應力比評定承載力：

    ④采用專用程序統計被評定細節的應力譜并計算疲勞累積損傷度，進行耐久性評定：

    （3）主梁撓度

    ①目的：評定列車走行安全性和乘員的舒適性，求算主梁健全性的剛度指標；

    ②測定內容：主梁跨中最大撓度，縱橫交點處最大撓度，斜梁的主梁端部左右鋼軌位置的撓度差；

    ③根據表1~表3進行列車走行性評定。

    主梁撓度臨界值  表1

    縱橫梁交點處撓度臨界值 表2

    斜梁中主梁端部左右鋼軌位置撓度差限值 表3

    （4）主梁橫向變位及振動

    ①目的：評定列車走行安全性和乘員的舒適性；

    ②測定內容：在主梁或縱梁跨中下翼緣，垂直于橋軸的水平方向設置加速度儀，測定列車通過時的加速度，由加速度波形計算橫向振動頻率及振幅；

    ③根據式（10）對橫向振幅臨界值進行評定。

    （5）支座與梁、支座與墩臺之間的錯位變位

    ①目的：考察橋梁各構件是否正常移動；

    ②測定內容：列車通過時，測試支座與主梁之間的縱向滑動變位，支座與墩臺之間的縱向錯位和橫向錯位；

    ③評定支座位置錯動，即支座與梁之間的位移實測值應小于（11）式的計算值：

    （11）

    式中： -跨長（m）。

    ④評定支座的活動機能，通過支座與墩臺之間的錯位、支座前后與墩臺之間的垂直變位（傾斜）的實測值評定。

    （6）測定主梁恒載狀態

    ①目的：測定梁在恒載時的固有頻率，可推算恒載的大小和恒載撓度，維修時千斤頂的頂力、梁的拱度等；

    ②測定內容：用加速度儀于跨中測得梁的固有振動頻率，計算得到恒載的大小和恒載撓度。梁非加載時的固有振動頻率由列車通過后殘留的自由振動波形通過頻譜分析求得；

    ③由（12）式進行恒載大小的估算：

    四、修補和加固

    （一）補修設計的基本注意事項

    橋梁結構出現病害并導致承載能力的降低，必須恢復其承載能力，要明確劃分修補和加固之間的界限是很難的。補修設計必須考慮結構對象損傷的種類、損傷原因、損傷程度、施工方法和補修后的效果，難以用同意的模式規定補修合計是否恰當，但基本注意事項如下：

    ①注意強度是否滿足要求。由于局部補強，使原結構體系、應力分布和應力傳遞途徑發生變化，在計算上往往要從不同角度進行分析；

    ②注意是否帶來其它新的問題。如更換局部構件，應考慮影響范圍。局部加固將使重量增加，注意對下部結構、基礎和對其它構件的影響，以及是否造成應力集中等；

    ③設計必須考慮施工方法。不中斷交通進行補修作業時，需要在交通荷載作用下和振動狀態下施工，設計時需進行充分的研究，如鋼材現場焊接、構件切割等施工質量問題。此外，由于作業空間和作業時間制約，作業方式、加固構件大小等問題均需研究；

    ④注意是否經濟；

    ⑤注意補修后的美觀。

    （二）鋼橋的修補及加固

    1、涂裝維修

    涂裝維修在鋼橋維修中占有重要地位，這一方面是由于涂裝費用在鋼橋維修管理費中占很大比例，更因為鋼材腐蝕將直接削弱構件斷面，導致承載力降低，涂裝還是鋼橋影響外觀的著裝。

    更換涂裝的壽命周期和涂裝設計根據環境、橋梁結構及構件、涂料及其配套體系、涂裝工藝和涂料價格確定。鐵路鋼橋涂膜最易劣化部位是橋面系機車通過的上方構件（尤其是縱梁上翼緣）、節點和支座處、板件棱角和螺栓處，這些部位的涂裝應予特別關注，如縱梁上翼緣，因積水、受磨、及化學腐蝕，應采用超厚膜涂裝體系：熱噴鋅+玻璃鱗片漆。

    2、補強及加固

    通常有鋼材腐蝕補強、疲勞裂紋補強和提高承載力的加固。根據不同病害部位設計相應補強方案。宜用高強度螺栓拼接加固，慎用現場焊接拼接、補焊加固。

    3、鉚釘和高強度螺栓脫落

    在用高強度螺栓更換鉚釘時，宜整節點全部更換，不宜部分更換。

    五、結語

    橋梁作為交通工程的重要組成部分，數量大，結構規模大，改造周期長，需要長期保持其機能。因此必須建立健全橋梁維修管理系統，對病害做到及時發現、跟蹤、整治。隨著橋梁建設技術的進步，常見病害也會不斷“更新”,這將是一門不斷發展的學科，隨著經驗的積累和加固技術的進步發展著。