鐵路鋼-混凝土結(jié)合梁動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究

, 運(yùn)生,

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.清華大學(xué) 土木工程系，北京 100084)

近些年，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為了滿足運(yùn)輸需求，鐵路建設(shè)步入了高速發(fā)展階段。而鋼-混凝土結(jié)合梁橋憑借其自重輕、噪音小、便于施工以及能充分發(fā)揮鋼材和混凝土材料各自特性等優(yōu)點(diǎn)已逐步在橋梁建設(shè)中占據(jù)一席之地。

隨著結(jié)合梁橋的廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者已從試驗(yàn)和理論方面對(duì)其靜力性能進(jìn)行了深入的研究[1-6]，形成了較為完善的體系，然而隨著列車提速、貨車載重逐步增加和交通流量的顯著加大，使結(jié)合梁橋的車橋振動(dòng)加劇，動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題日漸突出，但有關(guān)結(jié)合梁橋動(dòng)力性能方面的研究還相對(duì)較少。蔣麗忠、丁發(fā)興 等[7]對(duì)某客運(yùn)專線的鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁橋進(jìn)行了動(dòng)力性能試驗(yàn)，測(cè)試了高速列車下結(jié)合梁橋的動(dòng)力響應(yīng)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合評(píng)價(jià)了鐵路橋體系的各種性能；鄭則群、房貞政[8]對(duì)3跨鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋進(jìn)行了環(huán)境激勵(lì)及汽車動(dòng)載激勵(lì)試驗(yàn)，分析了不同參數(shù)對(duì)結(jié)合梁自振頻率的影響；Khaled M. Sennah et al[9]通過(guò)建立的有限元模型對(duì)單室和多室曲線公路結(jié)合梁在汽車荷載作用下的沖擊系數(shù)進(jìn)行了研究;K. Liu[10]采用ANSYS軟件建立了車橋有限元模型，從理論上對(duì)鐵路結(jié)合梁在列車荷載作用下的動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行了分析。以上學(xué)者多運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)結(jié)合梁橋的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，雖然也有部分研究進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，但限于現(xiàn)場(chǎng)條件，無(wú)法對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行靈活的變化。

為了對(duì)結(jié)合梁的動(dòng)力性能有更深入的研究，設(shè)計(jì)了6片鋼-混凝土簡(jiǎn)支結(jié)合梁，通過(guò)變化模型列車的載重和速度，測(cè)試了結(jié)合梁模型在移動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)結(jié)合梁動(dòng)力響應(yīng)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 車橋模型簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)中6片試驗(yàn)梁以剪力連接度為分組依據(jù)，分為完全連接結(jié)合梁(FCB梁組)和部分連接結(jié)合梁(PCB梁組)，分別進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)的測(cè)試。每組試驗(yàn)梁又根據(jù)不同的栓釘損傷工況各分為3片梁(FCB、FCB1、FCB2和PCB、PCB1、PCB2)，以進(jìn)行栓釘局部損傷識(shí)別的研究，試驗(yàn)梁其它參數(shù)均相同。本文只進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)部分的試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)梁主要尺寸：總長(zhǎng)4 500 mm，簡(jiǎn)支跨度4 200 mm；混凝土板寬700 mm，厚70 mm；鋼梁高200 mm，下翼緣寬400 mm，上翼緣寬60 mm，上、下翼緣板厚8 mm，腹板厚6 mm；所選栓釘直徑為13 mm，高50 mm，完全連接結(jié)合梁中共布置70個(gè)栓釘，不完全連接結(jié)合梁中共布置42個(gè)栓釘，連接度為60%；鋼梁均采用Q235鋼，混凝土C30。各試驗(yàn)梁截面尺寸見圖1。

圖1 結(jié)合梁布置圖(單位：mm)

試驗(yàn)中在試驗(yàn)梁表面鋪設(shè)了1∶10仿真軌道(見圖2)，并采用1∶10縮尺C70敞車模型作為試驗(yàn)車輛，主要尺寸：總長(zhǎng)1 397.6 mm、車輛寬度324.2 mm、車輛高度314.3 mm、固定軸距183 mm、車輛空載時(shí)為62 kg。試驗(yàn)車輛見圖3。

圖2 試驗(yàn)梁及軌道 圖3 試驗(yàn)車輛

1.2 試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目和試驗(yàn)裝置

(1)跨中加速度：采用東方所941B豎向拾振器。為測(cè)試行車過(guò)程中試驗(yàn)梁跨中加速度時(shí)程，在試驗(yàn)梁跨中混凝土板頂面布置豎向傳感器，并通過(guò)微型撥動(dòng)開關(guān)選擇加速度檔。

(2)試驗(yàn)梁跨中撓度和支座處結(jié)合面滑移：均采用位移計(jì)。在梁端支座處布置一個(gè)位移計(jì)，用來(lái)測(cè)量支座處結(jié)合面滑移，試驗(yàn)梁跨中處布置一個(gè)位移計(jì)用來(lái)測(cè)量跨中撓度。

(3)數(shù)據(jù)采集裝置：采用東方所16通道(3018C)采集儀對(duì)行車過(guò)程中試驗(yàn)梁動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中對(duì)C70型敞車施加不同配重，分別獲得62 kg、100 kg和150 kg車重。采用人工推車的方法，使試驗(yàn)車輛速度由低到高分為5～8級(jí)變化。為了獲得較為準(zhǔn)確的車輛行駛速度，本試驗(yàn)中有專門錄像人員對(duì)車輛運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像計(jì)時(shí)。

2 試驗(yàn)梁動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果分析

2.1 測(cè)試結(jié)果

對(duì)6片試驗(yàn)梁進(jìn)行了移動(dòng)荷載下動(dòng)力響應(yīng)的測(cè)試，結(jié)果顯示FCB梁組和PCB梁組各試驗(yàn)梁測(cè)試結(jié)果規(guī)律基本相同，為了避免敘述上的重復(fù)，不再對(duì)6片試驗(yàn)梁進(jìn)行一一敘述，只給出不同車重試驗(yàn)車輛以約2 m/s的速度通過(guò)FCB梁和PCB梁時(shí)的跨中動(dòng)力響應(yīng)波形曲線。由于試驗(yàn)中受外界高頻波的干擾，對(duì)各波形曲線進(jìn)行80 Hz低頻波濾波處理，見圖4～圖7，其它工況不再一一列出。

圖4 FCB梁跨中動(dòng)撓度曲線

圖5 FCB梁跨中加速度曲線

圖6 PCB梁跨中動(dòng)撓度曲線

圖7 PCB梁跨中加速度曲線

由圖4～圖7可知：

(1)隨車輛的前移，曲線以波動(dòng)形式變化且撓度值逐漸增大，當(dāng)車輛行駛到試驗(yàn)梁跨中附近時(shí)跨中撓度值最大，當(dāng)車輛駛過(guò)跨中后，撓度值隨之減小并逐漸趨于0；貨車質(zhì)量為62 kg、100 kg和150 kg時(shí)，F(xiàn)CB梁跨中最大動(dòng)撓度分別為0.076 8 mm、0.108 mm和0.165 mm，PCB梁跨中最大動(dòng)撓度分別為0.076 2 mm、0.115 1 mm和0.176 8 mm，均呈增大趨勢(shì)。

(2)加速度曲線圖中，虛矩形框內(nèi)均出現(xiàn)了加速度曲線突變的現(xiàn)象，這是由于車輛前后輪分別駛過(guò)軌道接頭處造成的，虛曲線大致給出了忽略軌道接頭影響時(shí)加速度曲線的變化趨勢(shì)。隨著車輛的前移，加速度曲線均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)車輛出橋后，加速度逐漸衰減并回到初始值。從圖中還可看出PCB梁與FCB梁相比，車輛前移過(guò)程中加速度曲線出現(xiàn)若干較大突變。

由于完全抗剪連接的FCB梁結(jié)合面滑移很小，測(cè)試精度較差，故本試驗(yàn)僅對(duì)部分連接結(jié)合梁(PCB梁)進(jìn)行了鋼梁與混凝土板之間結(jié)合面的相對(duì)滑移測(cè)試，圖8給出了不同質(zhì)量試驗(yàn)車輛以2 m/s通過(guò)PCB梁時(shí)支座位置結(jié)合面的滑移時(shí)程曲線。

圖8 PCB梁支座位置結(jié)合面滑移時(shí)程曲線

由圖8可知，貨車質(zhì)量為100 kg和150 kg時(shí)PCB梁最大滑移分別約為1.89×10-3mm、2.56×10-3mm；隨著貨車在梁上運(yùn)行，滑移曲線均大致呈波動(dòng)式上升，貨車位于跨中附近時(shí)達(dá)到最大值，之后滑移曲線逐漸減小，貨車出橋時(shí)滑移曲線不再降低，從圖中可看出最終結(jié)合面滑移值均沒(méi)有恢復(fù)到初始零值。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 速度與梁跨中撓度的關(guān)系

為了獲得較為準(zhǔn)確的車輛行駛速度，本試驗(yàn)采用了波形曲線分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)錄像測(cè)試相結(jié)合的方法?？缰袚隙茸畲笾等∽?0 Hz低頻濾波后曲線。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多且各試驗(yàn)梁規(guī)律相同，此處只給出FCB梁、PCB梁跨中最大動(dòng)撓度與速度的關(guān)系，見圖9。

圖9 速度與跨中撓度關(guān)系曲線

從圖9可看出，隨著行車速度的逐步增大，速度與撓度并非呈線性變化，而是在某些速度點(diǎn)處有下降現(xiàn)象，但總體來(lái)說(shuō)隨速度增加撓度呈上升趨勢(shì)，且貨車質(zhì)量越大引起跨中動(dòng)撓度值越大。

2.2.2 速度與結(jié)合面相對(duì)滑移的關(guān)系

通過(guò)對(duì)部分連接結(jié)合梁PCB的結(jié)合面滑移測(cè)試，得到了該試驗(yàn)梁車輛速度與結(jié)合面最大滑移值的關(guān)系曲線，見圖10。

圖10 結(jié)合面最大滑移與速度關(guān)系曲線

由圖10可知，隨貨車質(zhì)量的增大和行車速度的增加，試驗(yàn)梁結(jié)合面相對(duì)滑移均呈增大趨勢(shì)，且行車速度對(duì)結(jié)合面相對(duì)滑移的影響比對(duì)跨中撓度的影響更加明顯。在不同的車重下，總體規(guī)律表現(xiàn)為當(dāng)速度較小時(shí)，相對(duì)滑移隨行車速度的增加趨勢(shì)比較平緩；增大到一定速度后，增長(zhǎng)幅度加劇，之后又逐漸平緩。這說(shuō)明支座截面結(jié)合面的最大滑移并非隨行車速度線性增長(zhǎng)，而是在某一速度段內(nèi)達(dá)到最大，具體速度區(qū)間應(yīng)通過(guò)對(duì)實(shí)橋的分析進(jìn)行確定。

2.2.3 抗剪連接度與梁跨中撓度的關(guān)系

為了分析抗剪連接度對(duì)試驗(yàn)梁跨中撓度的影響，分別比較了貨車質(zhì)量為100 kg時(shí)FCB梁和PCB梁以及FCB1梁和PCB1梁的連接度-最大撓度曲線見圖11。

圖11 抗剪連接度與模型梁跨中最大撓度關(guān)系曲線

由圖11可知，部分連接結(jié)合梁的跨中最大動(dòng)撓度要高于完全連接結(jié)合梁，這說(shuō)明隨剪力連接度的降低，結(jié)合梁剛度下降，柔性增強(qiáng)，從而試驗(yàn)梁的動(dòng)力響應(yīng)變大。

2.2.4 行車速度、抗剪連接度與動(dòng)力系數(shù)的關(guān)系

列車通過(guò)橋梁時(shí)，對(duì)橋梁產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)往往會(huì)大于其靜止作用在橋上所產(chǎn)生的靜力效應(yīng)。這種增大效應(yīng)通常以動(dòng)力系數(shù)來(lái)表示，動(dòng)力系數(shù)[11]。

動(dòng)力系數(shù)=Sdy/Sst

(1)

式中，Sdy為橋梁最大動(dòng)力響應(yīng)，Sst為列車在橋上靜止時(shí)該橋最大靜力響應(yīng)。本試驗(yàn)中以車輛靜止時(shí)試驗(yàn)梁跨中最大靜撓度作為Sst，而列車通過(guò)橋梁時(shí)得到的結(jié)合梁跨中最大動(dòng)撓度作為Sdy。

圖12給出了貨車質(zhì)量為62 kg、100 kg時(shí)FCB梁、PCB梁動(dòng)力系數(shù)曲線。

圖12 FCB、PCB梁動(dòng)力系數(shù)曲線

由圖12可知，隨著行車速度的逐步增大，速度與動(dòng)力系數(shù)并非呈線性變化，而是在某些速度點(diǎn)處有下降現(xiàn)象，但總體來(lái)說(shuō)隨速度增加動(dòng)力系數(shù)呈上升趨勢(shì)；當(dāng)車速較小時(shí)，兩試驗(yàn)梁動(dòng)力系數(shù)相差不大，當(dāng)車速較大時(shí)，PCB梁動(dòng)力系數(shù)要高于FCB梁。

2.2.5 栓釘損傷與梁跨中撓度的關(guān)系

為了分析不同栓釘損傷對(duì)試驗(yàn)梁跨中撓度的影響，分別比較了貨車質(zhì)量為100 kg時(shí)FCB梁和FCB1梁以及PCB梁、PCB1梁和PCB2梁的損傷-最大撓度曲線見圖13。

圖13 不同栓釘損傷與模型梁跨中最大撓度關(guān)系曲線

由圖13可知，F(xiàn)CB梁組和PCB梁組在不同栓釘損傷情況下，跨中動(dòng)撓度變化規(guī)律及其數(shù)值大小基本相同，這說(shuō)明栓釘?shù)木植繐p傷對(duì)結(jié)合梁整體動(dòng)力性能影響不大。

3 結(jié)論

對(duì)6片鋼-混凝土結(jié)合梁模型進(jìn)行了模型列車以不同速度和不同重量通過(guò)時(shí)的動(dòng)力測(cè)試，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 隨車輛的前移，結(jié)合梁跨中撓度曲線以波動(dòng)式變化且撓度值逐漸增大，當(dāng)車輛行駛到試驗(yàn)梁跨中附近時(shí)跨中撓度值最大；隨剪力連接度的減小，部分連接結(jié)合梁的剛度降低，在相同車重和車速下，其跨中最大動(dòng)撓度值要高于完全連接結(jié)合梁。

(2) 隨著行車速度的逐步增大，行車速度與結(jié)合梁跨中最大撓度并非呈線性變化，而是在某些速度點(diǎn)處有下降現(xiàn)象，但總體來(lái)說(shuō)隨速度增加撓度呈上升趨勢(shì)。

(3) 結(jié)合面相對(duì)滑移隨貨車質(zhì)量及車輛速度的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且最大滑移并非隨行車速度線性增長(zhǎng)，而是在某一速度段內(nèi)達(dá)到最大。

(4) 動(dòng)力系數(shù)曲線隨行車車速的增大總體呈增大趨勢(shì)，隨剪力連接度的降低，結(jié)合梁動(dòng)力系數(shù)有增大趨勢(shì)。

(5) 隨剪力連接度的降低，試驗(yàn)梁的動(dòng)力響應(yīng)變大；在剪力連接度相同情況下，不同栓釘損傷對(duì)結(jié)合梁動(dòng)力性能影響不大。

參 考 文 獻(xiàn)

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