梁体损伤对桥梁结构受力性能影响分析

朱 丽

(朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司 山西原平 034100)

铁路桥梁跨越公路线路是重要的立体交通形式，由于公路通行车辆超高、超速，车辆撞击桥梁梁体现象时有发生。汽车撞击将导致梁体出现混凝土剥落、横隔板断裂、钢筋或钢绞线断裂等严重病害，对桥梁结构安全运营产生一定影响，本文以某座受到车辆撞击梁体混凝土剥落、钢绞线断裂桥梁为研究对象，对比桥梁完整状态与存在损伤状态下桥梁结构的承载能力计算结果以及现场静动态试验数据结果，分析梁体损伤对桥梁结构静动力性能影响程度，为今后类似情况下应急处置及维修加固提供技术依据和数据支撑。

1 研究背景

某铁路桥梁，上跨高速公路，桥梁上部结构为单线32m普通高度预应力混凝土梁（主梁图号为：专桥2059），主梁梁高2.56m，两片T梁通过横隔板连接，整孔共布置9道横隔板，横隔板间距4.0m。主梁采用500号混凝土，主梁共有13束钢筋束，每束由5根预应力钢绞线组成，预应力钢绞线为7Φ5钢丝组成。由于桥下通行车辆超高，撞击梁体，造成梁体在距小里程梁端5.4m位置处混凝土破损、钢筋外露，混凝土破损深度达 20mm。梁体底板钢束中有 1束存在外露断裂现象。梁体损伤位置如图 1所示，梁体损伤情况如图2所示。

2 梁体损伤对桥梁结构承载能力影响分析

为了分析桥梁损伤对结构承载能力的影响程度，分别检算梁体完好状态和存在损伤状态下，桥梁结构的抗弯承载能力和抗剪承载能力，抗弯承载力检算截面包括：损伤位置处截面（距梁端5.4m位置处截面）、L/4截面处和跨中截面处，抗剪承载力检算主要截面包括：距支座h/2处截面和损伤位置处截面（距梁端5.4m位置处截面）。对比分析桥梁处于不同状态下桥梁结构各截面的承载能力情况，分析梁体损伤对桥梁结构承载能力造成的不利影响。

图1 梁体损伤位置图（单位：cm）

图2 梁体损伤图

图3 梁体截面图(单位：mm)

梁体检算依据《铁路桥梁检定规范》（铁运函（2004）120号）以及《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 100023-2005），并辅以相关有限元计算软件辅助计算。

2.1 梁体计算基本参数

该梁为32m普通高度预应力混凝土梁，梁体图号为专桥2059，主梁为500号混凝土，极限强度为35.1MPa；一级钢筋计算抗拉强度为 235MPa，二级钢筋计算抗拉强度为 335MPa，预应力钢束极限抗拉强度为1600MPa。T梁截面尺寸如图3所示，横断面配筋图如图4所示。

2.2 桥梁抗弯承载力检算

对桥梁结构损伤位置处截面（距梁端5.4m位置处截面）、L/4截面处和跨中截面处等3个截面处的抗弯承载力进行检算，检算过程中荷载主要考虑恒载和活载效应组合，其中恒载包括梁体自重以及道砟、枕木、人行道板等二期荷载，活载按设计荷载“中-活载”计算并考虑冲击作用。

图4 梁体截面预应力钢束分布图(单位：cm，红色表示损伤预应力束)

桥梁结构抗弯检算公式按式1计算。

分别计算桥梁完好状态及桥梁梁体存在损伤状态下桥梁结构的3个截面位置处的抗弯承载力状况，计算结果见表2-1所示。

表1 抗弯承载力检算结果统计表

检算结果表明，梁体状况完好时，梁体损伤截面处（距梁端 5.4m处截面）正截面抗弯承载力为28441.5 kN·m，荷载组合效应为14842.2 kN·m，抗力与荷载效应比值为1.92，正截面承载力满足要求；L/4截面处正截面抗弯承载力为29629.6 kN·m，荷载组合效应为19839.1 kN·m，抗力与荷载效应比值为1.49，正截面承载力满足要求；跨中截面处正截面抗弯承载力为31668.0 kN·m，荷载组合效应为26254.1 kN·m，抗力与荷载效应比值为1.20，正截面承载力满足要求。

梁体存在损伤时，梁体损伤截面处（距梁端5.4m处截面）正截面抗弯承载力为225986.9 kN·m，荷载组合效应为14842.2 kN·m，抗力与荷载效应比值为1.75，正截面承载力满足要求；L/4截面处正截面抗弯承载力为27404.2 kN·m，荷载组合效应为19839.1 kN·m，抗力与荷载效应比值为1.38，正截面承载力满足要求；跨中截面处正截面抗弯承载力为29444.4 kN·m，荷载组合效应为26254.1 kN·m，抗力与荷载效应比值为1.11，正截面承载力满足要求。

梁体损伤前后3个检算截面正截面抗弯承载力均满足要求，但是与梁体完好状态相比，梁体存在损伤时梁体3个检算截面正截面抗弯承载力均有所降低，梁体损伤对桥梁结构正截面承载力造成一定的不利影响，其中梁体损伤截面处（距梁端5.4m处截面）正截面抗弯承载力下降8.63%；L/4截面处正截面抗弯承载力下降7.51%；跨中截面处正截面抗弯承载力下降7.02%。

2.3 桥梁抗剪承载力检算

对桥梁结构距支座h/2处截面和损伤位置处截面（距梁端5.4m位置处截面）等2个截面处的抗剪承载力进行检算，检算荷载及荷载组合形式与抗弯承载力检算过程一致。

桥梁结构抗剪检算公式按式2-2计算。

分别计算桥梁完好状态及桥梁梁体存在损伤状态下桥梁结构的2个截面位置处的抗剪承载力状况，计算结果见表2所示。

表2 抗剪承载力检算结果统计表

检算结果表明，梁体状况完好时，梁体损伤截面处（距梁端 5.4m处截面）斜截面抗剪承载力为1781.9kN，荷载组合效应为1474.6kN，抗力与荷载效应比值为1.21，斜截面抗剪承载力满足要求；距支座h/2处截面处斜截面抗剪承载力为3337.2kN，荷载组合效应为2942.3kN，抗力与荷载效应比值为1.13，斜截面抗剪承载力满足要求。

梁体存在损伤时，梁体损伤截面处（距梁端5.4m处截面）斜截面抗剪承载力为1753.4kN，荷载组合效应为1474.6kN，抗力与荷载效应比值为1.19，斜截面抗剪承载力满足要求；距支座h/2处截面处斜截面抗剪承载力为3208.5kN，荷载组合效应为2942.3kN，抗力与荷载效应比值为1.09，斜截面抗剪承载力满足要求。

梁体损伤前后2个检算截面斜截面抗剪承载力均满足要求，但是与梁体完好状态相比，梁体存在损伤时梁体2个检算截面正截面抗弯承载力均有所降低，梁体损伤对桥梁结构斜截面抗剪承载力造成一定的不利影响，其中梁体损伤截面处（距梁端5.4m处截面）斜截面抗剪承载力下降1.60%；距支座h/2处截面处斜截面抗剪承载力下降3.86%。

3 梁体损伤对桥梁结构静力性能影响分析

在梁体未被车辆撞击前对桥梁结构进行了静载试验，梁体被车辆撞击后再次对桥梁结构进行静载试验，分别测试了不同桥梁结构完好和存在损伤情况下桥梁结构的挠度和应力，为研究梁体损伤对桥梁结构静力性能的影响提供了宝贵的试验数据。

桥梁静载试验按照《铁路桥梁检定规范》（铁运函（2004）120号）第11.3.2条要求进行，静载试验的荷载效率η需达到0.80≤η≤1.00，在有困难时可稍予降低，但不得小于现行最大运行荷载。目前线路最大运行荷载为C70列车。经过计算试验荷载效率达到规范要求的0.80≤η≤1.00需要C80列车进行加载。考虑线路实际运营状态和最大运营荷载试验采用C70列车进行加载。跨中最大弯矩加载位置如图5所示。

图5 跨中截面弯矩最大加载位置图（单位：cm）

静载试验主要测试内容包括：主梁控制截面应力测试；主梁跨中截面中性轴位置；主梁跨中截面挠度测试。具体测点布置如图6所示。

图6 跨中截面静态测点布置分布图(单位：mm)

3.1 梁体挠度测试结果分析

对比分析桥梁处于完好状态和梁体存在损伤状态时，桥梁跨中位置处1#梁和2#梁的挠度测试结果，分析梁体损伤对桥梁结构竖向刚度的影响程度。

（1）梁体完好状态跨中挠度分析

按照《铁路桥梁检定规范》（铁运函（2004）120号）中相关规定，挠度作为桥梁结构受力状态评定的主要参数，规范中通过桥梁结构挠度校验系数和实测换算至“中-活载”下挠跨比对桥梁结构竖向刚度进行评价。桥梁结构处于完好状态时，实测桥梁结构挠度数据见表3所示。

表3 梁体完好状态下实测挠度分析

梁体处于完好状态时，试验编组列车荷载作用下，1#梁跨中挠度实测平均值为8.40mm，挠度校验系数为0.67，换算至中—活载作用下挠跨比为1/2628；2#梁跨中挠度实测平均值为8.42mm，挠度校验系数为0.67，换算至中—活载作用下挠跨比为1/2623。均满足《铁路桥梁检定规范》通常值的要求(校验系数：0.70～0.80、挠跨比：1/1800)。

（2）梁体损伤状态跨中挠度分析

桥梁结构处于损伤状态时，实测桥梁结构挠度数据见表4所示。

表4 梁体损伤状态下实测挠度分析

梁体存在损伤状态时，试验编组列车荷载作用下，1#梁跨中挠度实测平均值为9.42mm，挠度校验系数为0.75，换算至中—活载作用下挠跨比为1/2344；2#梁跨中挠度实测平均值为8.65mm，挠度校验系数为0.69，换算至中—活载作用下挠跨比为1/2551。均满足《铁路桥梁检定规范》通常值的要求(校验系数：0.70～0.80、挠跨比：1/1800)。

（3）梁体跨中截面挠度实测值对比分析

对比分析桥梁完好状态和梁体存在损伤状态情况下，桥梁结构挠度实测结果。分析结果见表5所示。

表5 梁体跨中截面挠度实测值对比分析表

由表3-3中数据可知，梁体完好状态时1#梁、2#梁跨中挠度相差0.02mm，梁体挠度一致，梁体存在损伤状态时，1#梁与2#梁跨中挠度相差0.77mm，1#梁跨中挠度比2#梁跨中挠度大8.90%。与梁体完好状态相比，梁体存在损伤状态时1#梁跨中挠度增加1.02mm，挠度增大12.14%，2#梁跨中挠度增加0.23mm，挠度增大2.73%。

3.2 梁体底板应力测试结果分析

（1）梁体完好状态跨中截面底板应力分析

按照《铁路桥梁检定规范》（铁运函（2004）120号）中相关规定，应力作为桥梁结构受力状态评定的主要参数，规范中通过桥梁结构应力校验系数结构强度进行评价。桥梁结构处于完好状态时，实测桥梁结构跨中截面底板应力数据见表6所示。

表6 梁体完好状态下实测跨中截面底板应力分析

梁体处于完好状态时，试验编组列车荷载作用下，1#梁跨中底板应变实测平均值为 4.22MPa，应变校验系数为 0.75；2#梁跨中底板应变实测平均值为4.12MPa，应变校验系数为0.73。校验系数均小于《铁路桥梁检定规范》通常值 (0.90～1.00)，满足规范要求。

（2）梁体损伤状态跨中截面底板应力分析

桥梁结构处于损伤状态时，实测桥梁结构跨中截面底板应力数据见表7所示。

表7 梁体损伤状态下实测跨中截面底板应力分析

梁体存在损伤状态时，试验编组列车荷载作用下，1#梁跨中底板应变实测平均值为 4.81MPa，应变校验系数为 0.85；2#梁跨中底板应变实测平均值为4.39MPa，应变校验系数为0.78。校验系数均小于《铁路桥梁检定规范》通常值 (0.90～1.00)，满足规范要求。

（3）梁体跨中截面底板应力对比分析

对比分析桥梁完好状态和梁体存在损伤状态情况下，桥梁结构跨中截面底板应力实测结果。分析结果见表8所示。

表8 梁体跨中截面底板应力实测值对比分析表

由表3-6中数据可知，梁体完好状态时1#梁、2#梁跨中底板应力实测值相差0.1MPa，梁体存在损伤状态时，1#梁与2#梁跨中底板应力实测值相差0.42MPa，1#梁跨中挠度比2#梁跨中挠度大9.57%。与梁体完好状态相比，梁体存在损伤状态时1#梁跨中底板应力实测值增加0.59 MPa，应力实测值增大13.98%，2#梁跨中底板应力实测值增加0.27MPa，应力实测值增大6.55%。

3.3 实测跨中截面中性轴高度分析

为了研究桥梁跨中截面实际中性轴高度，在跨中截面沿梁高方向布置应变测点，测试试验列车荷载作用下桥梁结构跨中截面应变沿梁体高度方向分布情况。

桥梁处于完好状态和桥梁梁体存在损伤状态时实测桥梁各测点应力沿梁高分布情况如图3-7所示。

图3-7 跨中截面应力实测值沿梁高分布图

实测梁体跨中截面中性轴高度统计结果见表9所示。

表9 实测梁体中性轴高度结果统计表

由图3-7和表3-7中数据可知，与完好状态相比梁体存在损伤状态时1#跨中截面中性轴高度提高104mm，2#梁中线轴高度提高19mm，表明梁体损伤导致梁体跨中截面刚度降低，中线轴高度提高。

4 结 论

通过理论分析计算和现场静载试验，对比分析研究由于车辆撞击导致梁体出现混凝土破损、钢丝断裂等梁体损伤情况对桥梁结构受力性能影响程度。得到如下结论。

(1) 与梁体完好状态相比，存在损伤桥梁结构的正截面抗弯承载能力和斜截面抗剪承载能力均有所降低，分析结果表明，损伤对桥梁结构正截面抗弯承载能力影响较大，梁体损伤截面处（距梁端5.4m处截面）、L/4截面和跨中截面的正截面抗弯承载能力分别下降8.63%、7.51%和7.02%。

(2) 梁体损伤导致桥梁结构承载能力下降，与梁体完好状态相比，梁体存在损伤状态时跨中挠度增加1.02mm，挠度增大12.14%，跨中截面底板应力实测值增加0.59 MPa，应力实测值增大13.98%。

梁体完好状态时两片并置梁受力均匀，1#梁存在损伤后，试验荷载作用下两片并置梁跨中截面挠度实测值相差8.90%，跨中截面底板应力相差9.57%，对桥梁结构协调受力产生不利影响。

(3) 梁体损伤导致桥梁跨中截面中性轴位置升高，对桥梁结构受力安全带来不利影响。