高速铁路桥梁养护与维修

铁路桥梁养护与维修技术王柏松

内容1铁路桥梁病害问题2铁路桥梁维护3

钢桥明桥面加固维修4桥梁保养与维修要点1铁路桥梁病害问题

法国国营铁路公司(SNCF)一直致力于努力优化桥梁构件的使用和建设,使桥梁与高速度之间的安全性得到有机的结合。他们认为，只有从设计阶段时就加以考虑，同时在施工及维护阶段予以重视，桥梁百年使用寿命的问题才能得以保障。1.1概述空气、水、矿物质及微生物等多种外界因素均会对桥梁各部分构件产生不同程度的腐蚀；列车动载对桥梁构件又将产生疲劳破坏、联结件松动甚至产生脆性破坏。这些问题的产生往往都互为关联，彼此影响，从而加速了桥梁的破坏。

1.2影响桥梁百年使用寿命的常见问题与对策1.2.1混凝土构件在海洋环境地区，海水的硫化、氯化等作用将使混凝土产生龟裂，使混凝土外部带腐蚀性的气体、水份等侵蚀内部钢筋，进而引起钢筋锈蚀、失效（如图）。选择建桥所采用的混凝土时，首先应考虑采用抗腐蚀性好、抗渗等级高的水泥。如含硅灰、粉煤灰、或矿渣的混合水泥及抗硫酸盐水泥。对混凝土早期由于水化热或其他原因产生的裂纹，应考虑采用低水化热（主要针对大体积混凝土而言）的水泥，以消除混凝土早期裂纹造成钢筋易锈蚀等的不良因素（如下图）。控制混凝土早期裂纹是避免钢筋锈蚀的重要手段之一。

在粗骨料选择上，碎石的化学成份应引起重视。由于某些碎石中所含的碱活性物质将与混凝土中碱离子产生碱骨料反应也将使混凝土产生龟裂（如右图）；在这种情况下，应选择低碱水泥或含硅灰、粉煤灰、或矿渣的混合水泥；同时，在搅拌混凝土用水方面，也应注意其化学成份，以避免产生碱式反应。

1.2.2钢筋空气和水是对钢筋产生腐蚀作用的必要条件。为此，要求钢筋必须留有足够的净保护层。当空气、水

份通过混凝土的孔隙侵蚀钢筋，钢筋将逐渐被氧化，产生锈蚀。而钢筋被完全锈蚀后的体积将是原体积的1000倍，这就使混凝土因受挤压而开裂、剥落（如左图）。

对海洋环境的地区，海水对钢筋的腐蚀更具危险性，因此，对建于海水中的桥墩，法铁考虑不小于7厘米的净保护层；对浅水区域，净保护层也不小于5厘米，并对钢筋涂防腐剂。而对钢管混凝土桩基来说，根据百年腐蚀速率的统计,在具较强腐蚀性的土壤中，设计桩基截面的外径应考虑6毫米厚的无效截面。在电气化铁路上，由于杂散电流产生的电解作用、混凝土中的细菌，都将导致钢筋的腐蚀。为此，也要对重要部位的钢筋涂防腐剂或采用阴极保护。为此，需区分不同的破坏等级（如冬季在公路面撒盐将对该处铁路桥墩、台产生腐蚀作用），对桥梁的不同部位采用不同的净保护层。

1.2.3钢构件钢构件较常见的是构件与空气接触的表面发生锈蚀现象。因此要尽量减少钢构的交叉部位，以避免保护漆无法或难以涉及。防锈漆寿命较短，应经常进行检查，以保持其完整性。对钢构的重要部件，可采用表面镀锌防护；对油漆防护，在涂漆前一定要做好预处理，选择的材料要注意其兼容性。疲劳现象是钢构百年寿命的重要指标之一。疲劳裂纹多是由于周期性加载产生。列车通过桥梁的速度越高，其伤害性就越大。

对钢构件的变截面、孔口、焊接等处，均为易产生应力集中的部位，一旦产生裂纹，就容易使其迅速扩展。其作用机理是：微裂纹→材质下降→破坏。因此应尽量避免钢构件截面产生突变。因此，在组装构件时，对钢构件联结处，可采用增大接触面的方式，以减小应力集中，增大抗疲劳能力。而对横向杆件采用圆弧型联结（如图），则可大大提高杆件的抗疲劳能力。而脆性破坏则是由于所受荷载大于其强度引起。多是由于钢材韧性差、受撞击等原因引起微裂纹扩展、温度过低等引起，这种破坏是突发的，并且是灾难性的。因此钢材的选择应考虑其抗冲击能力大于在选定温度范围内的抗冲击能力。1.2.4桥梁支座支座应选用承载能力强，易更换的类型。橡胶支座虽然易老化龟裂，但由于更换方便，所以受到广泛的应用。1.3设计必须遵守的原则

（1）设计阶段就应该按百年使用寿命的验收标准进行设计（包括桥梁的类型与形状、桥梁的位置等）。（2）设计构件应尽量简洁，提倡采用整体结构，尽量避免接头。（3）设计阶段就应注重选材，材料的各项指标均应满足百年使用寿命的要求，采用的施工工艺应能保证桥梁百年使用。（4）尽量避免桥梁受到外力的冲击，如公路为下穿式时，应对桥墩采取保护措施。（5）考虑各种影响因素后，预留一定的安全系数。（6）应考虑方便今后的维修工作，同时保证排水良好。1.4其它当然，施工阶段也是十分重要的因素，一定要遵照设计和施工规范的要求，对进场的所有工程材料进行严格检验，施工工艺不得违反工序要求，才能保证产品能满足百年使用寿命的要求。维修方面，建立桥梁的电子台帐，关注其使用过程的动态情况，及时、有效地进行维护，也是桥梁百年寿命的有效保证。2铁路桥梁维护2.1法铁桥梁维护管理体制法国铁路有30000座桥梁，每年维护费用约为1.7亿欧元。法铁桥梁维护实行三级管理：法铁基础运营部基础维修处主要负责桥梁专业维修规程制定，负责大型桥梁改造工程项目维修计划制定，在法铁范围内为桥梁检测与维修提供指导和帮助；设在各个地区的23个铁路局维修处（负责桥梁维护有2—3人）负责监督和检查下属综合维修段桥梁检测与维护工作；铁路局的综合维修段设线路生产单位（桥梁维护人员：高速线2-3人，既有线10人左右）负责对本段范围内的桥梁进行预防性维护、修复性维护和更新改造。2.2桥梁维护的总体原则法铁桥梁维护原则就是在桥梁设计使用寿期的基础上以最优化总成本保持设施的最佳工状态，保证设施的通行安全和设施的运转稳定。桥梁维护目标就是采取检查、保养、维修等手段保证桥梁在正常使用寿命期内不发生超过其承受力的疲劳或荷载，保证桥梁的通行安全和可维护性，避免出现桥梁过快衰减或出现无法修复的损失。在保证安全的前提下通过制定维护质量及成本控制规范标准，改善维护人员的工作环境，改进资产的储备状态，追求总体效益的最大化。分为预防性维护、修复性维护和改造。2.3桥梁结构维护内容2.3.1桥梁结构的预防性维护桥梁预防性维护的目的就是减少桥梁故障发生的概率或衰减度，保证桥梁的正常状态。维护措施分为检查、保养和维修。2.3.1.1检查检查是指通过目测或实地观测对桥梁的状态进行测试和对相关指标进行测量，对产生的偏差进行分析比较，从而发现缺陷，及时进行修复。(1)持续性检查参加人员为法铁所有员工，检测方式为随时随地不定期在线路到和桥梁上，采用方法为目测观察法，观察到桥梁及结构物有异常情况立即通知线路中断行车，然后请专家检测后再予以放行。采用这种检测方法的目的是提高和培养法铁全体员工对基础设施安全责任意识，基础设施的安全涉及到法铁及全体员工，人人有责任来检查和监督基础设施的安全状况。(2)年度检查每年进行一次，由综合维修段的线路生产单位负责，检查人员为由段长选择确定（上岗前进行桥梁专业维修知识培训，合格后上岗，有效期5年）的高级技工，检测后写出桥梁检查报告，并签名负责。检查的方法是目测。在没有进行综合检查前，年检是唯一的定期检查手段，已经进行了综合检查的重点检查桥梁最敏感的部位，检查的目的是为及时发现桥梁损坏或失常情况下的潜在危险。地中海线箱梁内部检查通道

(3)综合检查每5年进行检查一次。检查人员由线路生产单位的专业检查人员、综合维修段的桥梁专家、地区铁路局的桥梁专家组成，通过带可伸缩液压托架的桥梁检测车(见上页图)和特长高架检测平台(见右图)进行,是一项详细、深入的检查，目的是发现桥梁的一切不足，对检查报告进行分析，根据经验对桥梁的隐患和缺陷确保进行全面诊断和评估，而且持续到下次综合检查前，在特别必要的情况下用专用的工具钻探取样进行强化检测。

(4)特别检查特殊的专业由法铁委托特殊的企业进行，法铁派代表参加。如近几年法国洪水泛滥成灾，造成河床损坏，桥梁水下的检测由专业的水下检测机构来完成。(5)具体缺陷检查内容(钢梁桥、钢筋土桥梁)①检查前的准备工作A桥梁附近清除杂草；B排水沟清理；C查阅每一座桥梁上一次检查后的检查报告及维修记录。②钢筋混凝土及予应力钢筋混凝土桥梁检查A梁部和基础检查内容a结构变形情况:以原有桥梁建造时的状态为参考值,检查纵坡面和平面的局部变形和整体变形等;b混凝土缺陷(不含裂缝):碳化、多孔隙、表面化学腐蚀、露筋、外部缺陷、碱性反应等；c钢筋：钢筋受腐蚀的长度、钢筋截面受腐蚀的面积比例、断筋、不连续等；d予应力钢筋：受腐蚀程度、断裂、混凝土与予应力钢筋的连结等；e混凝土裂纹：裂纹的大小、传播方向、裂纹的含水程度、周期性变化等；f支座：道碴落入、支撑变形、金属盘老化等。g围栏检查：检查状态良好程度；h结构受潮情况。B墩台（含墩、台、挡墙、护坡）检查a整体变形情况检查：纵向、横向变形等；b砌体：裂缝、局部变形、砌体材料（强度、机械撞击、化学侵蚀、大风水流产生的冲击）等；c混凝土：强度、空洞深度及面积、钢筋的腐蚀及与混凝土的结合、受撞击损坏、化学腐蚀等；d结构受潮情况。③钢梁桥检查A检查部位:主梁、扣件、支座等。B腐蚀：受腐蚀长度、面积、表面腐蚀的厚度等；C裂纹：裂纹部位、裂纹长度等；D装配：装配缺陷；E受碰撞情况；F支座：杂物嵌入、滚轴老化、位移等；G防水性情况。2.3.1.2保养 保养是通过有限的工作推迟或避免通常因桥梁周边环境造成的、后果严重的维护工作。保养由综合维修段在每年年度检查时进行。保养的主要内容是清除桥梁上或周边的植物、引水槽及涵洞清污、清除钢结构桥梁及其它部位的污垢等。保养采用随时逐点推进的办法进行。2.3.1.3维修 维修是恢复桥梁结构最接近设计期望值的服务状态和预期寿命。维修可以保证桥梁的质量。根据桥梁的检查分析情况确定维修，维修的主要内容为钢结构梁刷漆、砖石、砼填补缝、修缮密封系统等。2.3.2修复性维护修复性维护指在故障出现后恢复桥梁的正常状态。故障的产生原因可能是一些不明的、偶然的、无法预见的、事故性的，如地震、突然撞击、恶劣天气等。修复性维修的工作包括排除故障和修理恢复。排除故障是指采取临时措施使设施临时具备其功能（如出现洪水导致桥梁坍塌，采用临时支墩让列车临时通过）。修理恢复是指使设施重新恢复其功能。2.3.3改造改造是指通过关键部件更换（或更新）恢复设施状态。改造的原因是设施达到了其疲劳极限或设施过于老化导致维修成本大幅提高，设施已不能在短期内以合理的成本维持其应有的安全性能、良好运行或动力舒适水平。2.3.3.1钢结构桥梁钢结构桥梁改造的主要原因是疲劳损伤，主要表现在部件开裂直至断裂或铆接结构松散。老化的钢结构桥梁被列为法铁最关注的和最优先考虑的问题。解决这种桥梁的唯一办法就是更换桥梁或限速通过。2.3.3.2水中建造的桥梁基础水中建造桥梁的退化基本上与运营无关，主要是水流的冲刷导致基础的轻微位移或断裂，容易产生轨道变形，影响行车安全。改造的主要方法是预先加固桥梁基础（通过系统的潜水检查和探测）来保证桥梁基础稳固。2.3.3.3小型桥涵由于小型桥涵难以接近（植物较多、淤塞），年久修，有可能导致涵洞坍塌，石砌排水沟由于受荷载增加和振动的原因，引起坍塌或损坏，应经常清理植物、挖淤，并全面更新损坏的桥梁。

2.4桥梁维护信息化管理系统法铁采用FichierCorurinOA软件对桥隧维护实行信息化管理，收集、整理、分析法铁范围内的桥隧信息和资料，以此做为桥梁维护措施和确定维护预算费用。法铁对桥梁维护信息化管理采用分级授权,法铁基础运营维护部可以查阅法铁范围内的桥隧维护信息但无权修改信息,地区铁路局可以查阅本地区范围内的桥梁维护信息但不可修改,综合维修段只可查阅本段范围内的桥梁维护信息并可根据检查情况修改增加信息。系统分为桥梁档案管理系统和维护评分管理系统。桥隧档案管理分为4个系统：（1）桥梁；（2）挡墙；（3）隧道；（4）小桥涵。档案信息按不同类型进行分类，包括桥梁建设时的资料、位置、结构、特性等信息。维护评分档案按桥梁的组成部分进行分类,对缺陷进行定义,量化缺陷,按缺陷大小进行评分，缺陷越小,评分越低,桥梁的建造时间越久,评分越高。把每一次检查观察到的资料都输入评分系统。建立桥梁维护信息化系统的目的中对桥梁实行评级管理，为桥梁结构状态设立可靠的指标，精确在衡量桥梁状态的演变过程，利用统计手段对不同桥梁出现缺陷的原因进行横向比较和评估，为桥梁的维护、更新提供可靠的依据。2.5小结法铁铁路桥梁维护在以预防性维护为主，故障发生后采用修复性维护，在设施达到了疲劳极限时进行改造措施。桥梁维护管理采用信息化系统，对全部的桥梁进行资料收集、整理、分析，对设施的老化和维护需求进行准确的定义，以此作为桥梁维护的依据，达到最合理地分配维护资源，最合理采取维护措施。法铁采用维护信息化管理系统，制定统一的缺陷评级标准对，法铁范围内的桥梁统一建档，进行评级管理，依据评级来确定桥梁维护的手段和措施，这种科学的档案评级能够及时发现桥梁的缺陷，分析桥梁出现缺陷的原因，这种计算机评级管理系统对做好我国桥梁维护有很好的借鉴意义。钢梁明桥面加固我国过去的钢桥都采用明桥面，明桥面直接承受列车的冲击作用，一是纵横梁容易出现疲劳裂纹；二是轨枕易变位，使得明桥面的轨道结构的维护量大；三是明桥面噪声大。明桥面产生裂缝一般是由于构造细节而造成的疲劳开裂，以下示出了几座桥的桥面裂纹，裂纹大发生于横梁与主桁的连接处，也有在纵梁加劲肋端部切口处腹板产生的裂缝。钢梁明桥面加固Birminghambridge

横梁裂纹钢梁明桥面加固白水河大桥横梁裂纹

钢梁明桥面加固内昆线岷江大桥

支座端横梁相邻的横梁普遍出现裂纹，裂纹位置在上平纵联与横梁连接的节点板处的横梁上翼缘角钢上钢梁明桥面加固—裂缝原因分析(一)裂缝原因分析1.横梁梁端连接细节的疲劳开裂主要原因：(1)梁端约束许多横梁端部的连接是按简支来处理的，只要求传递剪力，假定在抗弯方面完全呈柔性。然而实际使用的铆接、栓接或焊接都无法做到完全柔性。梁端转动时会受到连接件的抵抗，总有一些抵抗力矩（梁端约束）产生。一般情况下，连接细节上部受拉，下部则压向它所连接的板件。这种连接细节会引起两种对抗疲劳性能不利的情况，一是连接件畸变；一是约束引起端力矩。对于静力荷载而言，梁端约束能增加梁的承载能力，是有益的但在周期荷载作用下，这一约束会引起疲劳损伤。梁端约束可导致连接角钢下部竖向裂纹。这在美国的很多钢桥中出现。钢梁明桥面加固—裂缝原因分析

(2)横梁梁端的削弱为减小梁端约束，将横梁下翼缘切除，这样使横梁切口处的应力幅增大很多。由于主桁的下挠，横梁梁端受拉，可能导致横梁腹板下部竖向裂纹。宝成线白水河桥就出现过类似的裂纹。(3)面外变形横梁的面外变形，可能导致横梁梁端腹板自由间隙处水平裂纹。这是因为连接角钢与横梁翼缘存在自由间隙，这段横梁腹板自由段在荷载作用下发生反复的出平面弯曲。《钢桥疲劳设计解说》建议适当放宽自由间隙，大致可按10cm取用。面外变形引起裂纹的实桥有：美国PrairieDuChien桥、WaltWhitman桥。京津线杨村桥、京山线饮马河桥、京广线渠马河桥。中国京山线北运河7孔31.68m下承桁梁的横梁梁腹板加劲肋下端水平裂纹。钢梁明桥面加固—裂缝原因分析2.纵梁腹板裂缝原因分析明桥面一般为纵横梁体系，桥面的纵梁一般为I型，纵梁腹板上焊有竖向加劲肋，起加劲腹板的作用，但是横联和人行道托架也可借它与腹板相连，所以某些加劲肋又起了连接板的作用，曾有过因疏忽了加劲肋有连接板的作用，未在