高速铁路桥梁维修养护

工务培训班刘广欣高速铁路桥梁维修养护管理1高速铁路桥梁维修养护刘广欣郑州铁路局摘要：桥梁是高速轨道的重要组成部分，保持桥梁的良好状态对确保高速铁路安全运行具有重要意义。通过介绍国内外高速条件下桥梁养护经验，对下步我国高速铁路桥梁维修养护提出建议。关键词：高速铁路桥梁养护管理高速铁路最早出现于二十世纪，是世界交通运输的重大成果，也是铁路现代化的重要标志。自1964年日本东海道新干线开通以来，目前，世界上投入运营的高速铁路总长约达6300公里，主要分布在德国、日本、法国、西班牙等国家。正在修建高速铁路的有10个国家和地区，累计约为2660公里；同时，国外铁路既有线通过改造达到时速200公里及以上的营业里程有2万余公里。我国于1994年12月将广深线改建成时速160km/h的准高速铁路。1997年至2007年间，铁道部在京广、京沪等主要干线先后进行了六次大提速，基本掌握了200km/h等级线路的修建技术和既有线改造技术。2006年，《铁路“十一五”规划》开始实施，京津、武广、郑西等多条客运专线开工建设，按照规划要求，到2010年，中国铁路的营业里程将达到九万公里以上，新建客运专线10条，快速客运网将达到两万公里以上。中国高速铁路发展的春天已经到来。高速铁路桥梁作为高速铁路基础设施的重要组成部分，高速行车条件下桥梁的维修养护是一个必须面对的课题。本文从高速行车对桥梁的要求、国外高速铁路和我国既有线提速桥梁的经验教训、国外高速铁路桥梁维修养护经验等方面探讨我国高速行车条件下桥梁的维修养护问题，但由于资料收集不全及本人工作经验所限，日本高铁的问题收集的是80年代资料，欧洲只收集到法国的情况。不当之处请批评指正。1高速铁路桥梁主要特点铁道部何华武总工程师在《高速技术体系》讲座中指出，高速铁路桥梁主要承重结构要满足100年使用寿命的要求；桥梁上部结构优先采用预应力混凝土结构；在适宜的条件下，优先采用连续结构。尽管高速铁路桥梁实际承受的活载小于普通铁路，但高速铁路具有高速度、高舒适性、高安全性、高密度连续运营等特点，至使桥梁结构所受到的动力作用远大于普通铁路桥梁，实际应用的高速铁路桥梁，在梁高、梁重上，均超过普速铁路桥梁。高速铁路桥梁设计主要由刚度控制。对于桥梁的挠度、预应力徐变上拱和不均匀温差引起的结构变形、梁端转角、扭转变形、横向变形、结构自振频率和车辆竖向加速度等必须严格限制，以保证桥上轨道的平顺性，避免结构物承受很大的冲击力，造成旅客舒适性和列车运行安全性受到影响。无缝线路钢轨在桥上的受力状态与在路基上不同。桥梁结构的温度变化、列车制动、桥梁挠曲等，使桥梁在纵向产生一定的位移，引起桥上钢轨产生附加应力。过大的附加应力会造成桥上无缝线路失稳，影响行车安全。因此，墩台基础要有足够的纵向刚度，以尽量减小钢轨附加应力和梁轨间的相对位移。机车车辆高速过桥时，由于振动的影响，上部结构会产生更大的应力及挠度，同时会使桥上轨道的几何形状发生变化，从而影响行车安全和乘坐舒适的要求。因此，高速铁路要求桥梁结构具有足够的强度、抗挠和抗扭刚度，并要求桥上轨道几何形状保持良好状态。近30年来，德国、法国、西班牙及日本等国家结合发展高速铁路的需要，对高速行车条件下桥梁的动力响应采用模型、模拟、现场等各种试验，进行理论分析和计算工作，总结分析后应用于高速铁路桥梁设计中，并在实践中改进。现将国内外有关高速铁路桥梁的主要技术标准、结构类型及其它有关研究成果简介如下，以便有针对性地开展维修养护工作。(1)桥梁数量多、所占比例大。所以高速铁路中桥梁总延米在线路总长中所占比例比普通铁路大。德工务培训班刘广欣高速铁路桥梁维修养护管理2国高速铁路桥梁总延长约占线路总长8％左右，日本的高速铁路桥梁平均达到48%，我国京沪高速铁路全长1318km，桥梁比例占81.5%，达到1075km，(2)以中小跨度为主。(3)刚度大、整体性好。尽量选用刚度大的结构体系如连续梁、刚架等，大量采用混凝土桥梁。采用双线整孔桥梁，主梁整孔制造或分片制造整体联结。双线桥梁一方面提供很大的横向刚度，同时在经常出现的单线荷载下，竖向刚度比单线桥增大了一倍；除了小跨度桥梁外，都采用双线单室箱形截面；加大简支梁的梁高，如欧洲各国高速铁路预应力简支梁高跨比一般选择1/9～1/10，而普通铁路的预应力混凝土简支梁的高跨比约为1/10～1/11（除了跨度32m梁因运输净空限制梁高定为2.5m）；通过加强上部结构的竖向刚度、横向刚度和抗扭刚度，使其满足刚度限值的要求，同时加强结构的整体性，以提高结构的动力特性，保证列车运行安全和旅客乘坐舒适。(4)限制纵向力作用下的结构产生的位移，避免桥上无缝线路的受力出现过大的附加应力。(5)重视改善结构耐久性，桥梁要便于检查、维修。设计时将改善结构物耐久性作为主要设计原则、统一考虑合理的结构布局和构造细节并在施工中严格控制，保证质量。国外部分国家规定高速铁路桥梁在结构耐久性方面要求的设计基准期，一般以50年不需维修为目标；在正常检查、养护前提下，期待能达到100年的耐用期。我国新建铁路的设计使用年限现已经提高到100年。由于高速铁路运营繁忙、列车速度高，造成桥梁维修、养护难度大、费用高。因此，桥梁结构构造应易于检查和维修。(6)全面采用无碴轨道是客运专线发展趋势。(7)强调结构环境的协调。2国外高速铁路桥梁养护维修经验2．1日本高速桥梁养护维修经验。日本是最早进行高速铁路运营的国家，现介绍日本最早投入运营的东海道新干线的桥梁养护。（一）桥梁现状设备数量桥梁总延长484.7公里，其中一般桥梁203.9公里，高架桥280.8公里。高架桥除特殊情况外一般为双线两柱式钢筋混凝土柱板式刚构，东海道新干线的高架桥为跨度6米两边伸出3米的三跨连续刚构的标准建筑。一般桥梁则根据河流与线路等不同情况，以混凝土梁为多。（二）病害的种类现在发生的桥梁病害有以下八种。(1)高架桥不均匀下沉与横向变位；(2)预应力梁横向连接钢筋露出；(3)桥墩台支座垫石破损；(4)支座破损；(5)明桥面下承式板梁与析梁的桥面系发生细裂纹；(6)箱型梁端部加强隔板与内部横肋的裂纹；(7)下承式桁梁的下部连接系铆钉松动；(8)下承式桁梁纵、横梁腹板加劲板材端部开裂。（三）病害原因与整治措施。(1)高架桥通车以后在1965年8月，京都一新大阪间504公里附近三岛高架桥与跨线桥发生不均匀下沉，同时基础混凝土发生裂纹，以后继续下沉，最大下沉量达到25毫米，列车通过时发生摇晃。病害原因经调查认为是支承力不足，1968年采取加打混凝土桩与托梁为主要的加固办法。另外，东京一新横滨间、京都一新大阪间在软弱地基上的高架桥，发生不均匀下沉，最大下沉量达到140毫米，由于各部上、下、左、右变位不等，因而发生大小不同下沉。高架桥的病害由于地质条件复杂及个别基础施工的质造控制不良，因而同类建筑物均有类似的病害。发生上述病害的建筑物均采用打棍凝土桩与托梁的方法加固。(2)预应力混凝土梁。预应力混凝土梁在东海道线有78孔，病害的大致情况为横向连接钢筋断损、工务培训班刘广欣高速铁路桥梁维修养护管理3主梁裂纹、补打的混凝土质量不良等。关于这类桥梁的典型情况是锚定部的包裹混凝土周边裂开与混凝土发生裂纹，鉴定预应力横向连接钢筋的断损，在有断损的处所钢筋可以拔出。预应力钢筋的腐蚀，从施工开始到发现为止，以后用了7年多的时间对钢筋进行了全部检查，发现在钢筋的局部有严重的腐蚀。经铁道技术研究所金属研究室对钢筋的材质进行试验，找出预应力钢筋折断的原因，主要是钢筋与管道间的灌浆不密实引起腐蚀所造成。处理的办法是把折断的钢筋拔出，用钢棍插入管道内，把腐蚀的残余碎片及管道内壁清理干净，换入符合设计要求的预应力钢筋，施加预应力，再进行灌浆复旧。因对钢筋的腐蚀情况和灌浆情况无法掌握，所以对所有的桥梁都采取更换新的预应力钢筋，重新灌浆的办法进行整修。(3)钢筋凝土梁。钢筋混凝土建筑物使用寿命的长短与混凝土裂纹的情况有很大关系。裂纹的发生，主要由于建筑物的自重与荷载能力等原因造成，由此造成钢筋的锈蚀，雨水侵入裂纹发生冻滋，使混凝土劣化，所以这是钢筋混凝土建筑物的严重病害。钢筋混凝土梁下部裂纹以双钢筋梁为多，钢筋混凝土建筑物因干燥收缩造成的裂纹是不可避免的，但有时发生超过允许应力的情况，使裂纹超过容许宽度。混凝土发生裂纹的原因是综合性的较多，如高速运行的挠曲与振动、反复应力的影响、建筑物的变形、定位等。钢筋梁的整治要考虑裂纹的宽度、方向与挠度等。采取涂料防护（聚脂树脂涂料）与压注树脂的措施来保护钢筋。(4)钢梁。病害最早在1972年12月，津川桥下承板梁的端横梁发生裂纹。以后相继发生前面所说的5、8类的病害。各种病害的原因与整治措施叙述如下：①明桥面下承板梁在梁下高度受到限制的地方采用下承板梁，这种梁的纵梁与横梁的两端切割部份发生裂纹，这种病害是由于切割部位的应力集中，发生向上的斜向开裂。多数裂纹裂到一定程度终止，但也有的继续开展，故需立即进行加固。病害原因是端横梁下冀缘的连接板与主梁的下翼缘没有连接在一起，因此下翼缘对横梁的直角方向约束力较小，由于振动及焊接的缺欠，在焊接的缺口处产生裂纹。应急的办法首先是在裂纹的顶部钻孔终止裂纹的发展，然后加连接板加固纵梁端的三角板。另外三岛一静同间的赤溯川桥等纵梁下部与横梁连接处发生裂纹，其原因是在连接部附近纵梁的下翼缘被割断，无法承受线路的横向振动力，由于振动变位的造成裂纹。整治的措施是在纵梁下具缘端部加三角板加固。下承板梁的桥面由小断面杆件组成，因切割部分较大，且切割部分的制作与加工上有缺点，且支点反力较大，因而造成病害。②下承桁梁发现的病害主要是纵横梁的加劲板端部裂纹和下部铆钉松动。横梁加劲部位的裂纹是由于纵梁的挠曲和反复振动所引起。开裂的长度是小范围的。由于应力集中与加劲板的中断，故采用高强度螺栓安装下部加劲板，使部分应力分散，进行修补加固。关于纵梁端部的裂纹与下承板梁一样，由于纵梁下其缘的割断和受振动与变位的影响造成。加固措施是在下部用连接板与角钢联接加固。下部铆钉的松动多发生在钢轨接头与钢轨发生波浪磨耗处，主要是由于高速振动所造成。采取逐步以高强度螺栓的措施来更换。③箱型板梁发生的病害是内部中间加劲板端部切割处的腹板裂纹及内部纵、横肋交接处的焊接裂纹。加劲板切割的端部与纵、横肋焊接处的裂纹，是因箱型板梁在加劲板切割处的刚度比较弱，在外力作用下由于振动与应力集中造成。另外，纵、横肋焊接部位的裂纹还因枕木底与顶板之间没有间隙，当枕木受磨损与发生挠曲，使顶板与肋板承受全部荷载造成。整治办法是对腹板的开裂采用在腹板与加劲板间用角钥加固，对肋板的裂纹用CT形钢进行加固。箱型板梁内部大断面的隔板与肋板的安装处的裂纹目前尚未进行加固，正密切监视裂纹的发展状态。(5)支座。列车活载与梁部的静载通过支承部位传至墩台，分布到基础，其中支承部位要承受集中应力。支承部位由于梁的种类和跨度不同而设计成不同类型的支座。在施工过程中有种种原因未能达到设计的要求。东海道新干线的混凝土梁支座的种类如下表。混凝土梁支座部份的病害，主要发生在小跨度梁活动端，摩阻力大，使固定支座的钢筋部分发生裂纹。预应力混凝土梁有少数在薄壁式桥墩上因架设误差，使支座的边缘与桥墩台的距离太小，还有在支座下部未设支承应力与抗剪力的钢筋或者钢筋设置不当，造工务培训班刘广欣高速铁路桥梁维修养护管理4成支座附近的混凝土发生裂纹。混凝土梁的支座病害原因，大部分是在支座安装时的干硬垫层施工不良和支座破损与铁垫板破损造成支承点的应力集中。另外由于架梁的误差，使支座与墩台边缘距离太小，在通车以后大多数发生了病害，就立即进行了修补。钢梁的病害与支承部病害有联带关系，所以钢梁的支座病害约有61％进行了整修。病害的主要原因与混凝土梁相同，同时在结构上也容易破坏，①活载的比重大，②横向荷载对支座影响大（主梁中心距小的结构），③端部转角大的结构等。钢梁支座的整修方法，根据梁的种类有一些不同，但一般在开通以后就采用树脂水泥填充和灌注树脂，同时对梁支承部份的墩台顶面用帆土水泥进行加固。但是用灌注树脂的补修方