雁蕩山2×90 m鋼箱疊合拱動力性能分析

金中凡

(湖北城市建設職業(yè)技術學院,湖北武漢 430063)

1 概況

甬臺溫鐵路為雙線電氣化鐵路,客貨共線，旅客列車運行時速250 km,貨物列車最高時速120 km。雁蕩山特大橋是甬臺溫鐵路重點工程之一,主橋斜跨甬臺溫高速公路,受線路高程控制,要求主橋結構建筑高度小。橋式采用2-90 m下承式疊合無推力拱,鋼箱梁、鋼箱拱、三拱疊合結構，結構新穎、造型美觀。該橋式結構不僅可采用較低的梁高,降低了整體工程造價,而且結構具有較好的剛度條件。施工時先頂推就位,再利用橋面拼裝拱肋,施工簡便，對高速公路運營干擾小。

主橋立面布置如圖1所示。

圖1 主橋立面布置(單位：cm)

2 結構設計

2.1 上部結構

主橋2-90 m連續(xù)下承式疊合拱橋,計算跨徑2×90 m,全長184 m。兩主拱之間采用輔助拱肋聯(lián)結,輔助拱肋總長102 m,與主拱軸線幾近相切,以保證傳力的順暢。鋼箱梁采用單箱多室等高度箱形截面,頂寬14.80 m,底寬12.60 m,頂板橫向傾斜形成2%的雙向橫坡,最大梁高為2.20 m。

主拱采用兩榀平行鋼箱拱肋,拱腳與鋼箱梁固結,兩榀拱肋橫向中心距11.2 m,設計矢高f=18.00 m,矢跨比f/L=1∶5,拱軸線采用二次拋物線。主拱肋采用等高度箱形截面,箱高2.80 m,箱寬1.20 m。在兩孔鋼箱主拱間設置鋼箱輔助拱,輔助拱采用兩榀平行鋼箱拱肋,拱腳固結在主拱拱頂,拱頂縱向斷開橫向固結,同時在輔拱頂與主拱之間設置斜腿支撐,用以改善輔拱受力狀況及全橋景觀。

主梁橫截面如圖2所示。

圖2 主梁橫截面(單位：mm)

2.2 下部結構

本橋中墩位于高速公路兩幅車道中間。受公路限界控制,主墩頂帽采用SRC混凝土頂帽,主墩墩身采用鋼筋混凝土結構,基礎采用15φ1.5 m鉆孔樁；邊墩采用鋼筋混凝土結構,基礎采用12φ1.25 m鉆孔樁。

3 動力測試目的及檢測內(nèi)容

試驗貨物列車采用25 t軸重C80系列貨車、23 t軸重C70(H)系列貨車,空重混編,試驗動車采用CRH2-010A綜合檢測車。

3.1 測試目的

通過測試橋梁自振特性和試驗貨物列車、CRH2-010A綜合檢測車以各種速度通過橋梁時的動力響應,與空間振動分析模型計算結果對比,分析理論計算與實測差距,據(jù)此判斷結構在動載作用下的工作狀態(tài),判斷橋梁是否具有足夠的豎向和橫向剛度,分析、評價試驗貨物列車和CRH2-010A綜合檢測車通過橋梁時的安全性。主要內(nèi)容包括自振頻率、豎向撓跨比動撓度、豎橫向振幅、強振頻率、豎向振動加速度等。

3.2 評判標準

評判標準采用《新建時速200～250公里客運專線鐵路設計暫行規(guī)定》(以下簡稱“250暫規(guī)”),《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定》(以下簡稱“200暫規(guī)”)和《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡稱“檢規(guī)”)。

3.3 檢測內(nèi)容

(1)梁體豎向振動(含振幅、強振頻率、自振頻率、阻尼比)。

(2)梁體橫向振動(含振幅、強振頻率、自振頻率、阻尼比)。

(3)梁體控制截面的動應變及動力系數(shù)。

(4)梁體控制截面動撓度及動力系數(shù)。

(5)梁端豎向轉角。

(6)橋面豎向振動加速度。

(7)橋墩橫向振動(含振幅、強振頻率、自振頻率)。

(8)列車速度和位置等。

3.4 測點布置

根據(jù)檢測目的,檢測點應能反映橋梁的主要受力性能,測點布置如表1。

表1 主橋測點布置

3.5 試驗速度

通過橋梁時的試驗速度：貨物列車為79.4～119.4 km/h,CRH2-010A綜合檢測車為180.0～251.2 km/h。

4 動力測試結果及分析

4.1 自振頻率及振動阻尼比

“250暫規(guī)”規(guī)定簡支梁豎向自振頻率(Hz)不應小于n0

實測及計算自振頻率見表2,兩者結果基本一致,都大于“250暫規(guī)”容許值。橫向及豎向振動阻尼比均與國內(nèi)外原型橋梁試驗結果吻合。

4.2 跨中豎向撓跨比和撓度動力系數(shù)

跨中豎向撓跨比按“250暫規(guī)”控制,規(guī)定梁體在ZK活載靜力作用下的豎向撓度(扣除支座豎向位移)不應大于表3所列數(shù)值。

表2 自振頻率及振動阻尼比

表3 梁體的豎向撓度限值

試驗貨物列車、CRH2-010A綜合檢測車以5 km/h準靜態(tài)通過時,實測撓度推算試驗貨物列車、CRH2-010A綜合檢測車雙線加載時跨中最大撓度,換算至中-活載的跨中豎向撓跨比見表4。設計值與實測值基本接近,都遠大于“250暫規(guī)”容許值。

表4 中-活載撓跨比

在試驗貨物列車、CRH2-010A綜合檢測車作用下,實測撓度動力系數(shù)與運營動力系數(shù)的關系見圖3、圖4。可以看出,實測CRH2-010A綜合檢測車作用下動力系數(shù)均小于運營動力系數(shù),試驗貨物列車作用下有部分超出運營動力系數(shù)的現(xiàn)象。

圖3 1/4跨實測與運營動力系數(shù)關系

圖4 跨中實測與運營動力系數(shù)關系

根據(jù)“200暫規(guī)”,貨物列車設計動力系數(shù)按下式計算：1+μ=1+(28/(40+L)),L為計算跨度。本橋貨物列車設計動力系數(shù)1+μ=1.215。試驗貨物列車作用下,實際運營列車的動力系數(shù)雖然部分超出運營動力系數(shù),但仍小于設計動力系數(shù),結構是安全的。

4.3 梁端轉角

測試列車以5 km/h速度通過橋梁時的梁端豎向轉角,換算至中-活載下的梁端豎向轉角,以評定是否滿足梁端轉角限值的要求,試驗貨物列車、CRH2-010A綜合檢測車準靜態(tài)雙線加載時按梁端豎向轉角按暫規(guī)不應大于2‰控制。實測值小于設計值,都滿足暫規(guī)要求。

4.4 墩頂及跨中振幅

實測試驗貨物列車、CRH2-010A綜合檢測車作用下,梁體跨中橫向及豎向振幅見表5,遠小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡稱“簡規(guī)”)振幅通常值的要求。

表5 墩頂及跨中振幅匯總 mm

注：括號內(nèi)為行車速度(km/h)。

在試驗車速范圍內(nèi),主橋梁體橫向均未發(fā)生共振現(xiàn)象；在235～250 km/h的速度下主橋出現(xiàn)豎向共振現(xiàn)象,但由于動車組質量較小、編組較短,激勵能量有限,因此實測橋梁豎向振幅仍然很小。其他測點均未發(fā)生共振現(xiàn)象。

在試驗車速范圍內(nèi),墩頂均未發(fā)生共振現(xiàn)象。

4.5 梁體應變及動力系數(shù)

圖5 實測與運營動力系數(shù)關系

在試驗貨物列車、CRH2-010A綜合檢測車作用下實測應變動力系數(shù)與運營動力系數(shù)的關系見圖5。從關系圖中可以看出,實測動力系數(shù)小于運營動力系數(shù)。

試驗貨物列車、CRH2-010A綜合檢測車作用下的豎向動力作用與設計荷載的豎向動力作用比較見表6,實測豎向動力作用全部小于設計荷載的豎向動力作用。

表6 豎向動力作用作用比較

注：括號內(nèi)為行車速度km/h。

4.6 梁體振動加速度

梁體豎向振動加速度匯總見表7,在試驗貨物列車、CRH2-010A綜合檢測車作用下,實測梁體跨中最大豎向加速度(20 Hz低通數(shù)字濾波后)均滿足“暫規(guī)”3.50 m/s2的要求。

表7 梁體豎向加速度匯總 m/s2

5 結論

實橋動態(tài)檢測試驗表明,雁蕩山特大橋2-90 m疊合拱鐵路橋梁橫、豎向剛度較大,動力性能較好,能夠滿足120 km/h試驗貨物列車、250 km/h CRH2-010A綜合檢測車運行安全性和平穩(wěn)性的要求,目前該橋已正式投入運營。

通過對本橋動態(tài)檢測試驗和理論計算的結果對比分析,較為全面地分析了主橋結構動力性能參數(shù)兩者的差異性,對提高客運專線橋梁結構設計技術有重要意義。另一方面,通過對比可知,實際測試結果與設計理論、設計暫規(guī)之間存在一定差異,說明我國客運專線的設計標準還需要進一步通過運營實踐來檢驗。

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