鐵路跨度12 m低高度鋼筋混凝土板梁橋試驗(yàn)研究

賈晉中

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350)

跨度12 m低高度鋼筋混凝土梁因易滿足橋梁凈空、節(jié)省材料，在我國前期的鐵路建設(shè)中得以廣泛應(yīng)用。朔黃鐵路是我國西煤東運(yùn)的重要通道，全線采用了24孔12 m低高度鋼筋混凝土板梁。據(jù)運(yùn)營實(shí)踐及現(xiàn)場調(diào)研，該類板梁普遍存在裂縫，部分孔跨梁體表面出現(xiàn)豎向環(huán)裂現(xiàn)象，其中西留肖中橋尤為突出，另外該橋梁體橫向振幅較大，橋上車輛晃動(dòng)，存在行車安全隱患。限速措施雖減小了梁體橫向振動(dòng)，但對(duì)運(yùn)營干擾較大，需采取措施對(duì)梁體進(jìn)行加固或改造，以解除線路限速。12 m低高度鋼筋混凝土板梁的豎向剛度相對(duì)較低，本文通過對(duì)該類梁體的動(dòng)力性能進(jìn)行現(xiàn)場測試，研究該類梁體對(duì)近半年來開行的C80(25 t軸重運(yùn)煤專用敞車)貨車運(yùn)輸?shù)倪m應(yīng)性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)主要測試內(nèi)容:梁體自振頻率;梁體跨中截面的主筋動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度;梁體跨中截面豎向振幅、橫向振幅;板式橡膠支座豎向、橫向動(dòng)位移;墩頂橫向振幅;列車速度和位置。

1.2 試驗(yàn)橋梁

為分析西留肖中橋梁體橫向晃動(dòng)大的原因和12 m低高度鋼筋混凝土梁體適應(yīng)性，另選取跨新滄保公路大橋作對(duì)比試驗(yàn)研究，兩座試驗(yàn)橋梁概況如下:

西留肖中橋，中心里程K477+051，上行重車線橋號(hào)227A，橋梁全長34.0 m，孔跨樣式為2-12 m低高度鋼筋混凝土簡支板梁，圖號(hào)為專橋(88)1024，梁體后期采用碳纖維布進(jìn)行加固，測試孔跨為第1孔，為避免破壞梁體既有加固措施，未測試該橋跨中截面的主筋動(dòng)應(yīng)變，該橋限速65 km/h。

跨新滄保公路大橋，中心里程K428+051，上行重車線橋號(hào) 207A，橋梁全長 187.9 m，孔跨樣式為13-12 m低高度鋼筋混凝土簡支板梁，圖號(hào)為專橋(88)1024，測試孔跨為第10孔。

兩座橋梁試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 兩座橋梁試驗(yàn)現(xiàn)場

兩座橋梁支座均采用板式橡膠支座，橋上線路為直線，上行重車線軌道結(jié)構(gòu)均為無縫線路、75 kg/m鋼軌、Ⅱ型軌枕。西留肖中橋采用單線圓端形板式橋墩，跨新滄保公路大橋采用門式框架墩。兩座橋梁下部結(jié)構(gòu)如墩臺(tái)形式、墩高、基礎(chǔ)類型等均不一致，對(duì)兩座橋梁均測試墩臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)以便于梁體結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能對(duì)比分析。

兩座橋梁測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 兩座橋梁試驗(yàn)測點(diǎn)布置示意

試驗(yàn)測試內(nèi)容主要分為振幅、位移、應(yīng)變與列車速度。振幅傳感器采用國家地震局哈爾濱工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的891-Ⅱ傳感器與積分放大器;應(yīng)變傳感器采用日本KYOWA公司生產(chǎn)的KFW-5-120應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀;位移傳感器采用中國水利水電科學(xué)研究院生產(chǎn)的LVDT差動(dòng)變壓器式位移計(jì)與位移放大器;列車速度傳感器采用永磁磁鋼。各傳感器通過數(shù)據(jù)電纜連接至動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)物理量的測量。

1.3 測試列車

測試列車為運(yùn)營列車，列車類型主要為 C64，C70A，C80。西留肖中橋測試運(yùn)營列車速度為54～64 km/h，平均車速為60 km/h;跨新滄保公路大橋運(yùn)營列車速度為68～77 km/h，平均車速為75 km/h。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 自振頻率

采用力錘沖擊法對(duì)兩座橋梁梁體豎向自振頻率進(jìn)行測試。實(shí)測西留肖中橋第1孔左右兩片梁的豎向一階自振頻率為9.20 Hz;實(shí)測跨新滄保公路大橋第10孔左右兩片梁體豎向一階自振頻率為8.80 Hz。

2.2 梁體豎向振幅

運(yùn)營列車作用下西留肖中橋左右梁體跨中豎向振幅最大值分別為2.23，2.29 mm;跨新滄保公路大橋左右梁體跨中豎向振幅最大值分別為2.54，2.44 mm。兩座橋?qū)崪y梁體豎向強(qiáng)振頻率與列車速度/車長均呈線性關(guān)系，并與強(qiáng)振頻率理論計(jì)算值(f=車速/車長)吻合;左右兩片梁跨中豎向振幅相位在梁體豎向響應(yīng)的主要頻率范圍內(nèi)呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)接近于1.0，說明兩片梁體豎向共同作用狀態(tài)較好。

2.3 梁跨體系橫向振動(dòng)

運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)西留肖中橋梁體橫向振幅較大，橋上車輛晃動(dòng)，存在行車安全隱患。本文詳細(xì)地對(duì)運(yùn)營列車作用下橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了測量。橋跨橫向振動(dòng)測點(diǎn)包含梁端與跨中截面處的橫向振幅、支座橫向位移、墩頂橫向振幅。梁跨體系橫向剛度評(píng)價(jià)方法按照文獻(xiàn)[1]中的規(guī)定進(jìn)行，評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1。需要說明的是，梁端橫向振幅與特殊墩臺(tái)結(jié)構(gòu)橫向振幅沒有相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文主要為分析橫向振動(dòng)響應(yīng)過大的原因而加以測量。

表1 橋跨體系橫向振動(dòng)評(píng)價(jià)參數(shù)

實(shí)測兩橋左側(cè)梁體跨中及C80貨車作用下梁端橫向振幅與行車速度關(guān)系見圖3、圖4。右側(cè)梁體跨中橫向振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律與左側(cè)基本一致，在此不再贅述。

圖3 兩橋左側(cè)梁體跨中橫向振幅與行車速度關(guān)系

圖4 C80貨車作用下左側(cè)梁端橫向振幅與行車速度關(guān)系

運(yùn)營列車作用下，西留肖中橋左右梁體跨中豎向振幅最大值分別為0.73，0.74 mm;跨新滄保公路大橋左右梁體跨中豎向振幅最大值分別為0.45，0.40 mm，實(shí)測梁體跨中橫向振幅均小于梁體跨中橫向振幅通常值，但西留肖中橋梁體跨中橫向振幅實(shí)測值的離散程度與數(shù)值大小均大于跨新滄保公路大橋?qū)崪y值。

C80貨車作用下西留肖中橋梁體橫向振幅沿線路方向依次增大，臺(tái)上梁端(神池南)梁體橫向振幅最小，墩上梁端(黃驊港)橫向振幅最大;跨新滄保公路大橋梁體橫向振幅兩梁端與跨中基本一致。測試梁跨下部結(jié)構(gòu)西留肖中橋神池南為橋臺(tái)，黃驊港為橋墩?？缧聹姹９反髽騼闪憾司鶠榻Y(jié)構(gòu)形式相同、墩高基本一致的橋墩。一般而言，橋臺(tái)水平剛度遠(yuǎn)大于橋墩水平剛度，而梁體橫向振幅與下部結(jié)構(gòu)剛度關(guān)系密切，造成兩橋梁體橫向振幅沿線路方向表現(xiàn)規(guī)律不一致。

運(yùn)營列車作用下，西留肖中橋左右梁體梁端板式橡膠支座橫向位移最大值分別為1.33，1.15 mm，跨新滄保公路大橋左右梁體跨中豎向振幅最大值分別為0.60，0.43 mm，兩橋板式橡膠支座橫向位移均滿足規(guī)范限值要求。對(duì)于西留肖中橋，臺(tái)上與墩上支座橫向位移最大值分別為0.57，1.33 mm，跨新滄保公路大橋兩梁端墩上支座位移基本一致。

運(yùn)營列車作用下，西留肖中橋墩頂橫向振幅最大值為0.16 mm，跨新滄保公路大橋墩頂橫向振幅最大值為0.13 mm。西留肖中橋墩頂橫向振幅小于規(guī)范規(guī)定的墩頂橫向振幅通常值。

兩橋梁跨體系橫向振動(dòng)響應(yīng)的實(shí)測結(jié)果見表2。由表2可知:梁體橫向振幅與支座橫向位移關(guān)系密切，西留肖中橋梁體跨中橫向振幅較大，與支座橫向位移密切相關(guān)(二者墩頂橫向振幅差異較小)。除西留肖中橋未設(shè)置梁端橫向限位裝置外，兩橋上部結(jié)構(gòu)形式基本一致，線路條件與測試運(yùn)營車輛基本相同。西留肖中橋梁體橫向振幅過大的主要原因是未設(shè)置橫向限位裝置，次要原因是橋梁梁體及墩體橫向剛度較小。文獻(xiàn)[2]規(guī)定縱向活動(dòng)支座的橫橋向應(yīng)設(shè)置可靠的橫向限位裝置，使支座的橫向位移不大于1 mm。實(shí)測西留肖中橋支座橫向位移最大值為1.33 mm，超出支座橫向限位構(gòu)造設(shè)計(jì)要求，應(yīng)采取對(duì)西留肖中橋設(shè)置梁端橫向限位裝置等措施以改善梁體橫向振幅較大的問題。

表2 兩橋梁跨體系橫向振動(dòng)響應(yīng)測試結(jié)果

2.4 梁體跨中動(dòng)撓度

運(yùn)營列車作用下，西留肖中橋梁體跨中動(dòng)撓度(扣除梁端支座豎向位移)最大值為6.37 mm，跨新滄保公路大橋梁體跨中動(dòng)撓度最大值為6.57 mm，對(duì)應(yīng)車型均為C80貨車。靜撓度按文獻(xiàn)[1]實(shí)測動(dòng)撓度波形獲得相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)計(jì)算。計(jì)算出的西留肖中橋與跨新滄保公路大橋梁體跨中撓度動(dòng)力系數(shù)分別為1.34，1.33，從而推算C80貨車作用下梁體跨中靜撓度分別為4.75，4.94 mm。按簡支梁計(jì)算，換算至中—活載作用下，兩橋撓跨比分別為1/2 073，1/2 090。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，該類梁型屬于低高度鋼筋混凝土梁，其豎向撓跨比通常值為1/1 900。實(shí)測兩橋梁體豎向撓跨比均未超過撓跨比通常值，且小于文獻(xiàn)[3]規(guī)定的簡支鋼筋混凝土梁的豎向撓跨比容許值(1/800)和該梁型豎向撓跨比設(shè)計(jì)值(1/1 644)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可將豎向剛度劣化等級(jí)劃定為C級(jí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件劣化對(duì)使用功能和行車安全影響較小[1，3-4]。

從梁體撓度校驗(yàn)系數(shù)(實(shí)測值與理論計(jì)算值的比值)看，橋梁結(jié)構(gòu)按平面理論分析，按簡支梁計(jì)算，C80作用下梁體跨中靜撓度為6.28 mm。因此西留肖中橋與跨新滄保公路大橋梁體跨中撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.76，0.79，均超過文獻(xiàn)[1]規(guī)定的通常值范圍(0.55～0.65)，主要原因是雙片并置式板梁橫向整體性能差與梁體開裂導(dǎo)致豎向剛度降低。受線橋偏心及裝載偏心影響，左右兩片梁跨中撓度不一致。西留肖中橋右片梁撓度實(shí)測平均值較左片梁大0.16 mm，撓度最大值相差0.33 mm?？缧聹姹９反髽蛴移簱隙葘?shí)測平均值較左片梁撓度大0.14 mm，撓度最大值相差0.34 mm。

從梁體豎向剛度實(shí)測值、設(shè)計(jì)值與規(guī)范限值比較分析可知，兩橋豎向剛度均滿足使用功能與行車安全要求，梁體豎向剛度的劣化對(duì)該橋梁梁體結(jié)構(gòu)的使用功能與行車安全影響較小。

2.5 梁體跨中截面主筋動(dòng)應(yīng)變

運(yùn)營列車作用下，跨滄保公路大橋跨中截面主筋動(dòng)應(yīng)變波形圖(左右兩片梁共4個(gè)測點(diǎn))見圖5，最大動(dòng)應(yīng)變換算應(yīng)力為77.7 MPa。實(shí)測應(yīng)力幅值低于我國科研院校鋼筋疲勞試驗(yàn)得出的108次時(shí)鋼筋疲勞抗力值[5-6]，且低于該橋梁在中—活載作用下，設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)取1.29。按文獻(xiàn)[3]檢算時(shí)鋼筋主拉應(yīng)力增量(113.2 MPa)。

圖5 C80貨車主筋動(dòng)應(yīng)變波形

與撓度測試結(jié)果相一致，試驗(yàn)荷載卸載后，梁體跨中撓度與主筋應(yīng)變波形圖無明顯飄移現(xiàn)象，表明梁體在線彈性范圍內(nèi)工作。

兩橋梁體雖均有開裂現(xiàn)象，但在承載能力方面，實(shí)測主筋應(yīng)力小于疲勞抗力與活載作用下主拉應(yīng)力增量值，且梁體在線彈性范圍內(nèi)工作。另外對(duì)于12 m跨度的橋梁，不考慮列車動(dòng)力作用，標(biāo)準(zhǔn)列車豎向靜活載(中—活載)相對(duì)C80貨車含16%的活載儲(chǔ)備。因此，綜合兩橋試驗(yàn)結(jié)果分析可知，該類梁體結(jié)構(gòu)可適應(yīng)25 t軸重C80貨車的重載運(yùn)輸要求。

3 結(jié)論

1)梁體橫向振幅與支座橫向位移關(guān)系密切，西留肖中橋梁體跨中橫向振幅較大，與支座橫向位移密切相關(guān)(二者墩頂橫向振幅差異較小)。除西留肖中橋未設(shè)置梁端橫向限位裝置外，兩橋上部結(jié)構(gòu)形式基本一致，線路條件與測試運(yùn)營車輛基本相同。西留肖中橋梁體橫向振幅過大的主要原因是未設(shè)置橫向限位裝置，次要原因是橋梁梁體及墩體橫向剛度較小。

2)在對(duì)西留肖中橋采取梁端橫向限位措施后，可通過組織不同列車速度級(jí)橋梁動(dòng)力性能試驗(yàn)，并加強(qiáng)橋梁日常檢查，以解除目前該橋采取的限速措施。

3)從梁體豎向剛度實(shí)測值、設(shè)計(jì)值與規(guī)范限值比較分析可知，兩橋豎向剛度均滿足使用功能與行車安全要求，梁體豎向剛度的劣化對(duì)該橋梁梁體結(jié)構(gòu)的使用功能與行車安全影響較小。

4)兩橋梁體雖均有開裂現(xiàn)象，但在承載能力方面，實(shí)測主筋應(yīng)力小于疲勞抗力與活載作用下主拉應(yīng)力增量，且梁體在線彈性范圍內(nèi)工作。另外對(duì)于12 m跨度的橋梁，不考慮列車動(dòng)力作用，標(biāo)準(zhǔn)列車豎向靜活載(中—活載)相對(duì)C80貨車含16%的活載儲(chǔ)備，因此，該類梁體結(jié)構(gòu)適應(yīng)25 t軸重C80貨車的重載運(yùn)輸要求。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)函[2004]120號(hào) 鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2004.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2010.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2010.

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)函[2010]38號(hào) 鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則[S].北京:中國鐵道出版社，2010.

[5]中國鐵道科學(xué)研究院.呼鐵局開行重載列車條件下橋涵適應(yīng)性分析及強(qiáng)化對(duì)策研究分報(bào)告之三——跨度4.5 m鋼筋混凝土梁疲勞試驗(yàn)報(bào)告[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2012.

[6]戴公連，呂海燕，曾慶元.25噸軸重荷載下鐵路中、小跨度混凝土橋剛度研究[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，15(2):88-94.