(D
CrossMark
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ScienceDirect
Procedi a Engineering 156 (2016) 75 - 82
Procedia
Engineering
www.elsevier.com/locate/procedia
9th International Conference ^Bridges in Danube Basin 2016', BDB 2016
Assessment of Railway Steel Bridge Structures
Jan Bujnaka[1] [2], Jozef Gocala, Richard Hlinkaa
aUniversity of Zilina, Faculty of Civil Engineering, Univerzitna 8215/1, 010 26 Zilina, Slovakia
Abstract
The assessment of an existing structure producing the evidence that it will function safely over a specified residual service life should be also a continuous activity to ensure the security of the public. Usually bridges were designed by safe life method and a limited serviceability was considered. Such structure requires to be replaced once this designed durability would be achieved. This is however often not possible since most of the infrastructure cannot be economically taken out of service. Alternatively, the damage tolerant method should provide an acceptable reliability that a structure will perform reasonably for its service. But a prescribed inspection and maintenance regime for detecting and correcting fatigue damage should be identified. The present practice is illustrated in the paper by case studies on existing railway bridges under exploitation. Procedures for service-load- level analyses are given to estimate the residual service life.
copy; 2016 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.Org/licenses/by-nc-nd/4.0/).
Peer-review under responsibility of the organizing committee of BDB 2016
Keywords: Steel bridge ; inspections ; structural imperfection ; load carrying capacity ; fatigue
structure. The building processes can be realised only by approved company, adequately staffed, engaging experienced and trained key employees.
During execution stage, a bridge building is obviously properly supervised. But, inspections, maintenance and structural management provide quality assurance for constructions and play either a very important role during entire and long-time exploitation. Regular maintenance is important factor influencing durability of structure. Over the past decades, the construction inspection program evolved into the sophisticated management systems. The existing infrastructure has been generally designed in accordance to safe life criteria. This attitude means that bridge structures have to be replaced after a defined operational life. Even without a critical damage to be evidently discovered or the true loading conditions well monitored and the possible deficiencies occurred.
However, if the criticality of damages could be assessed and the respective damage could be monitored reliably through an inspection process well defined, then the operational usage of such a structure could be extended for a significant additional portion of its life. Generating such procedures has become possible today due to an enhanced understanding of materials deterioration processes as well as their physical parameters characterising those. It has been further made possible through the fact that detecting procedures including the devices fbr data acquisition and processing have become increasingly accessible from a logistic as well as a cost point of view.
-
Bridge management system
- Maintenance Inspection
Each bridge document needs to have items such as structure information, structural data and history, description on and below the structure, traffic information and load rating. Regulations require that each bridge that is opened to public should be in practice inspected at regular intervals not exceeding specified period. Inspection findings should be recorded in bridge document. The purpose of bridge inspection is to maintain the public safety, confidence, and investment in bridges. To this end, inspection staff should be knowledgeable in material and structural behaviour, bridge design, and typical construction practices. The frequency, scope, and depth of the inspection generally depend on several parameters such as age, traffic characteristics, and state of maintenance, fatigue-prone details, load limit situation level and known deficiencies. The specific frequency of inspections may be finally established based on the above factors. In the case of traffic accident, the extra-special bridge check must be executed. Some of the main responsibilities of a bridge inspection are especially identification of even minor problems that can be corrected before they develop into major repair, recognizing bridge components that require repairs in order to avoid total replacement, finding unsafe conditions, preparing accurate inspection records, documents, recommendation of corrective actions and providing bridge inspection program support. The findings and results of a bridge inspection are to be recorded on standard inspection forms. After inspecting a bridge, reasonable conclusions should be communicated and practical recommendations to correct or prec
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铁路钢桥结构评估
摘要
对一个现有结构进行评估，以证明它将在规定的剩余使用寿命内安全运行，这也应是确保公众安全的持续活动。 桥梁设计通常采用安全寿命法，并考虑使用性能的限制。 一旦达到这种设计的耐久性，就需要更换这种结构。 然而，这往往是不可能的，因为大多数基础设施在经济上无法停用。 或者，损伤容限方法应该提供一个可接受的可靠性使得一个结构将合理地执行其服务。但应确定一个规定的检测和纠正疲劳损伤的检查和维护制度。 本文通过对现有的开发中铁路桥梁的案例研究，说明了目前的做法。 给出了剩余使用寿命的使用荷载分析方法。
关键词：钢桥；检测；结构缺陷；承载能力；疲劳
1.介绍
就建筑业而言，可以区分为四项主要活动：研发、设计、施工和管理，以及维护和最终改造。科学和结构理论的发展只是由相关学科中具有适当技能的研究人员来执行。设计工程是一个过程，它包括准备一系列的计划和规范，这些计划和规范定义了结构的完整配置。只有有经验的公共特许工程师才有权设计特定类型的建筑物。建筑工程包括管理、指导制造和安装操作，以使结构构件达到适当的形状，并将其安全有效地放置在结构中。只有经过批准的公司、足够的人员、有经验和受过培训的关键员工才能实现建筑过程。
在执行阶段，桥梁建筑显然受到了适当的监督。但是，检查、维护和结构管理为施工提供了质量保证，在整个和长期的开发过程中发挥着非常重要的作用。定期维修是影响结构耐久性的重要因素。在过去的几十年里，建设监理项目逐渐演变为复杂的管理体系。现有的基础设施一般都是按照安全寿命标准设计的。这种姿态意味着在规定的使用寿命后，必须更换桥梁结构。即使没有明显发现的临界损伤，也没有很好地监测到真实的荷载条件和可能出现的缺陷。
然而，如果能够评估损伤的临界性，并且能够通过明确定义的检查过程可靠地监测相应的损伤，那么这种结构的操作使用可以延长其使用寿命的很大一部分。由于对材料的劣化过程及其表征物理参数的进一步了解，产生这种程序如今已成为可能。从逻辑和成本的角度来看，包括fbr数据采集和处理装置在内的检测程序变得越来越容易获得，这进一步使之成为可能。
- 桥梁管理系统
2.1.维修检查
每个桥梁文件都需要有结构信息、结构数据和历史记录、结构上和结构下的说明、交通信息和额定荷载等项目。条例规定，每座向公众开放的桥梁，实际上应定期进行检查，但不得超过规定的期限。检查结果应记录在桥梁文件中。桥梁检查的目的是维护公众对桥梁的安全、信心和投资。为此，检查人员应熟悉材料和结构性能、桥梁设计和典型施工实践。检查的频率、范围和深度通常取决于几个参数，如年龄、交通特性和维护状态、易疲劳的细节、荷载极限情况水平和已知缺陷。可根据上述因素最终确定检查的具体频率。在发生交通事故时，必须进行特别的桥梁检查。桥梁检查的一些主要职责是，特别是识别即使是小问题，也可以在它们发展成大修之前加以纠正，识别需要修理以避免完全更换的桥梁部件，发现不安全的情况，准备准确的检查记录、文件，建议纠正措施并提供桥梁检查计划支持。桥梁检查的结果和结果应记录在标准检查表上。检查桥梁后，应传达合理结论，并提出纠正或排除桥梁缺陷或缺陷的实际建议[1]。
当建议要求修理桥梁时，必须仔细描述翻新的类型、工作范围和材料数量的估计。当检查结果无法解释或确定特定缺陷的原因时，应寻求有经验的人员的协助。建议中应包括所有维护工作、应力分析、张贴、进一步检查和维修说明。还必须认识到，这些检查报告是法律文件，可用于今后的诉讼。
2.2.桥梁上部结构等级
对运营中的既有桥梁进行评估是确保公众安全的持续活动。首先，桥梁是在不同时期的逐步建成的。因此，它们是根据时间知识和活载设计的，反映了运输技术的水平。即使桥梁是按照规范（实际上是ECI[2]）中规定的标准荷载模型设计的，它们也可能没有足够的能力处理实际交通。在施工阶段，一些细节的变化、未能达到推荐的强度或性能以及构件的意外损坏可能会影响桥梁的承载力。此外，桥梁结构的活载承载能力可能因退化、构件损坏、老化、增加恒载或结构构件修改而改变
保证桥梁在使用年限内可靠使用的最重要参数是承载能力。它是指车辆在一定条件下通过桥梁时的最大瞬时重量。铁路桥梁评估的最新方法已纳入我司制定的指南中[3]。本规范以极限状态概念[4]、[5]为基础，活载按理想列车方案UIC-71执行。在相关的结构分析中，应考虑构件的实际几何参数、实际材料特性以及最可能的桥梁性能和当前条件。数据由技术诊断和调查报告提供。临界截面的承载力Z可根据条件确定
分项安全系数和在EC1[2]中给出，是指理想列车方案产生的所有恒载效应和可变作用的（UIC）效应。动力系数取决于结构单元跨度。屈服强度是材料标准试验的输出。
由这一关系得到的承载能力Z是指剩余阻力与UIC-71列车理论要求的比值[1]。根据实际负荷，铁路部门将运营车辆分为八类。在实际评估中，给定车辆与UIC-71列车效应的比率是有意义的，并表示为。允许某一组铁路车辆通过，如果装载桥承载能力Z大于最大车辆效应，则应满足以下标准
在车辆速度降低的情况下，系数可以考虑实际的动态作用。
2.3.由桥梁额定值引起的作用
当发现一座桥梁的通行能力不足以容纳合法的车辆时，工程师们需要在关闭该桥以供公众使用之前研究几种替代方案。一些可能的补救措施包括实施速度限制、减少车辆交通、限制车辆重量、建议可能的小型维修以改善问题。此外，当评估结果显示结构略有不足时，建议经常检查以监测桥梁的物理条件和交通流量。
尽管工程师可能推荐以上一种或多种备选方案，但最终做出决定的，是铁路局，而不是工程师。此外，允许某些超重的特殊铁路车辆通行有时符合公众利益。这通常是通过使用特别许可证来实现的，因为较高的重量水平意味着较高的风险水平。但上述标准评估方法可能是安全的。当需要更准确的答案时，应进行更详细的分析，例如应进行三维研究或物理荷载测试。在以下章节中，将通过案例研究讨论如何确定活载承载力和桥梁额定值。
- 上部结构额定值示例
3.1.40年铁路焊接桁架桥评估
承受重复机械载荷的材料的寿命是有限的。因此，疲劳抗性是铁路钢桥结构设计中的一个关键问题。活载与静载之比远高于同等大小的公路结构。铁路桥梁的冲击荷载也较大。基于最大应力、冲击值、每个列车通道的循环次数、构件的断裂临界度和细节类型的疲劳设计程序可以作为铁路钢桥的控制设计案例。
疲劳寿命很容易因施加的载荷和材料特性的变化以及损伤累积的随机性而变化。到目前为止，由于缺乏监测和数据处理技术的知识和可用性，这些变化在设计中被部分安全因素忽略和覆盖。目前，最新的研究成果允许对各种损伤过程进行研究和建模。这些知识可用于制定损伤容限原则程序和确定剩余基础设施寿命，特别是在安全设计基础设施的情况下。该程序通常基于最弱环节原则。先前的安全因素显然可能会导致结构设计过度。这种超设计的结构资源可用于更长的使用寿命或更高的适用荷载。但是，对于正在运营的桥梁，保护区可能允许优先使用比最初计划更长的桥梁。
典型Warren结构的铁路桁架桥（垂直高度为7.8 m，单跨长度为56 m）可以说明这些细节[9]。其受压桁架构件的箱形截面在结构上更为有效。然而，H形单元的牵引对角线在制造方面肯定被认为更经济，更容易连接到节点板，因为可以打开螺栓，而且更容易维护。上弦杆和下弦杆平面中的横向构件应抵抗风荷载并支撑压弦杆。端部入口将由不均匀垂直荷载和风荷载产生的扭转荷载传递到轴承中。开放式桥面有直接支撑在由纵梁和横梁组成的承载构件上的枕木。此外，桥上半径为400 m的曲线轨道必须允许超高，要求在桥面结构中用标准垫块建造轨道。轨道两侧均设有走道，对于这种承载曲线轨道的结构，必须增加横向净空要求。两个主桁架的轴向间距为6.80m，如图1所示。56米长的结构还需要使用钢轨伸缩缝。
桥梁检查报告中未发现明显的结构退化或疲劳迹象。尽管如此，在决定进行新的更为密集的开发和运营之前，对这座桥进行了深入的评估。初步评估旨在使用相当简单的方法消除对结构安全性的现有疑虑，并确定关键部件，最终确定结构中的构件。这是通过从图纸和设计计算中收集有关结构的信息，并进行实地考察来实现的。评估是通过使用现行规范和在缺乏或怀疑信息的情况下作出保守假设来进行的。因此，最初的桁架分析是基于假设支柱节点是无摩擦销，并且只有两个力作为构件两端的轴向荷载产生。完善的调查必须更新信息，并仅对那些安全受到限制的成员进行详细评估。在此阶段，利用基于有限元程序的软件建立了先进的转换模型，以更准确地模拟结构性能。
图1 （a） 桁架桥的纵向概念； （b）横截面布置
为了确定实际的结构行为和验证分析模型，还进行了现场测量。在加载试验中，测量了桁架跨中挠度和支座沉降。施加的试验荷载应模拟交通状况，其产生的变形和内力足以满足相关规范的给定标准，如STN 73 6209[6]。一般情况下，效率关系被指定为由试验荷载激活的任何观测参数的弹性试验值与由规范理想荷载方案产生的计算值之间的比值。在这种桥梁结构的情况下，两台重量为115.0吨的机车在跨中施加试验荷载，以实现挠度=24.5 mm和相应的=0.47。构件和连接件的不可逆变形产生的挠度的残余部分水平是补充的重要标准。剩余变形必须小于总测量值lt;0.10的10%。总的测量值由= 求和得出。这一附加条件也得到满足。
此外，还对桥中心进行了附加场应变测量。为此，使用了9个应变计，如图2所示。在这些节段附近，对上部结构进行了更高程度的网格细化建模，以获得明确的力分布。应力分布表明，数值模型能提供与实测值接近的结果，相差达15%。结果表明，该理论模型能较好地模拟桥梁的实际受弯性能，满足静载试验的要求。
图2 （a） 横梁上的应变计； （b）弯曲和扭转桥梁振动的形状
还进行了现场测量，以确定实际的结构动态特性。为此，利用所建立的模型进行了动态分析。确定了自振形式和相应的频率值。例如，结构的第一个弯曲和扭转形状如图2所示。仅用一台115.0吨重的货运机车进行了测量。对于通过桥梁的每一个发动机通道，以60 km/h的速度，通过记录应变数据监测动态响应。还确定并记录了发动机转速和轨道占用率。使用标准程序过滤和处理收集的数据。对随时间变化的记录挠度的详细分析表明，对于荷载速度的有用值，桥梁结构将以其第一自然振型振动，频率=1.21Hz，接近计算的理论值=1.28Hz。当频率=4.72Hz时，扭转振动也将处于第一自然振型。阻尼衰减系数在0.077～0.097之间的数值也由实测数据导出。因此，所识别的动力特性对此类铁路桥梁上部结构具有典型的参考价值。
承载力控制要求确定桥梁中强度值最低的关键施工构件或截面。但是，可以同时对结构施加各种荷载。桥梁可能会同时承受静载和活载、冲击、离心力或风，必须考虑在内。通常的结构设计认识到，所有荷载的最大值不太可能同时应用于结构。EC 1993-2[5]提出的荷载组合法有助于建立结构的最大可靠设计状态。承载能力的挑战性计算发现，跨中纵梁的极限承载能力，作为剩余阻力与UIC-71列车理论要求的比率，在值Z=1.01。关键的施工细节尤其是该构件的下翼缘，在垂直和水平作用下均受到特别的应力。现行规范中基于细观分类技术和应用名义应力的疲劳强度计算，取得了较好的安全效果。
对于上纵梁翼缘处的关键施工切口，由连接拉杆支撑靴的纵向焊缝形成，对应于56类零件，进行了剩余疲劳寿命计算。
从铁路档案中收集的交通数据看起来非常乐观。更具代表性的数值是由前标准CSN 73 6203[7]的趋势线估计的。根据这些数据以及相关横截面的数据，得出1976-2016年期间的应力范围和交叉口数量。通过测量得到的单元应力历史允许计算实际动力系数。此外，在处理疲劳问题时，先进的数值模型还可以考虑不显著的二次应力。利用真实应力范围谱，应用常用的线性Palmgren-Miner损伤准则获得损伤累积[8]。由应力范围谱计算得到的疲劳总寿命是第一部分从投入使用到现在的38年和从现在开始的38年时间的总和。由于计算得出的185年剩余疲劳寿命超过了设计使用寿命，因此选择用于分析的关键构件可以认为是安全的。
3.2.铆接铁路桥梁结构服役75年后的评估
两座简单跨径的铁路钢桥采用了梁系。主要承载构件从一个支架跨越到另一个支架，但在桥墩上不连续。边跨长度为29.4 m，允许使用典型的梁结构作为合理的解决方案。具有直接支撑在纵梁和横梁上的拉杆的露天甲板，位于简单跨引道结构主要承载构件的顶部，由两个2.8 m高的铆接组合板梁组成。可通航河流的穿越确定了两个弯曲弦杆普拉特57.4 m处的中心跨度的大小，通过中心间距为5.9 m的配置桁架。由双平面截面组成的垂直中心距为3.5m～8842m的曲桁架弦杆，可以承受部分剪力，降低由I形组成的对角线上的应力。考虑到腐蚀破坏和其他缺陷，已实施60km/h的限速，并禁止一些交通类型。
桥梁评估也是由结构几何控制开始的，目前通过各种扫描程序获得，从而生成结构的三维模型。在假定桁架节点为无摩擦销连接的基础上，采用了将桁架分析为销连接组合的原始方法。因此，唯一的弯曲是由自重引起的。接下来，可以建立数字模型，作为将现有桥梁结构进一步转换为有限数值模型的基础，从而允许将桁架作为具有抗力矩连接的框架进行分析。即使是由两个桁架弦杆组成的略为复杂的几何结构，表示跨度长度上的抛物线，也可以很容易地引入到这种具有抗弯节点的三维组合中。
图4（a） 上弦杆上的应变计；（b）下弦杆上的应变计；（c）加速度传感器
现场测量主要集中在右桁架跨度中心的上下弦杆的应变上。如图4所示，使用了八个应变计。在另一个左
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