大跨度鋼桁梁橋靜動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

陳樹禮，劉永前，張彥兵

(石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，石家莊　050043)

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大跨度鋼桁梁橋靜動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

陳樹禮，劉永前，張彥兵

(石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，石家莊050043)

摘要：以某鐵路64m單線栓焊下承式鋼桁梁橋?yàn)檠芯繉ο?，采用?shù)值模擬分析和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，進(jìn)行提速和擴(kuò)能條件下的大橋靜動(dòng)力性能試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：靜載作用下，實(shí)測大橋桿件應(yīng)力和跨中撓度均小于理論計(jì)算值，撓度、應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)略大于規(guī)范通常值，撓度和應(yīng)力相對殘余均滿足要求，上下游兩片受力較為均勻；不同速度列車作用下橋梁運(yùn)營性能指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求，但實(shí)測數(shù)據(jù)均較大，且大于同類型雙線鋼桁梁橋，空重混編列車引起橋梁更大振動(dòng)；橋梁基本滿足承載能力和使用條件要求，結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)，但橋跨結(jié)構(gòu)整體剛度偏弱，安全儲(chǔ)備較小，建議對橋梁整體剛度進(jìn)行加強(qiáng)并對橋梁動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：大跨度；下承式鋼桁梁橋；靜動(dòng)力性能；試驗(yàn)；數(shù)值分析；承載能力

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸壓力持續(xù)增大，在既有線上開展擴(kuò)能改造、開行重載列車已經(jīng)成為提高鐵路運(yùn)輸能力的一種主要方式。國內(nèi)外重載運(yùn)輸實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，提高列車軸重、增加編組長度是實(shí)現(xiàn)重載鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕夹g(shù)發(fā)展方向，這些措施在大幅提高鐵路運(yùn)量的同時(shí)，也會(huì)給既有橋梁帶來很多不利影響。隨軸重提高和運(yùn)量增加，橋梁承受靜載和動(dòng)載加大，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)和變形加大，橋梁振動(dòng)加劇，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等安全儲(chǔ)備降低，進(jìn)而引起疲勞損傷加劇，使用壽命縮短；因此，保證擴(kuò)能改造條件下既有線橋梁的結(jié)構(gòu)安全，對其荷載作用下的靜、動(dòng)力性能進(jìn)行評估顯得至關(guān)重要。

大跨度鋼桁梁橋由于具有結(jié)構(gòu)輕便、跨度大、易于施工的特點(diǎn)，在我國鐵路中得到廣泛應(yīng)用，我國很多學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究并取得了一定的成果。姚京川、劉楠、鄭平偉、董振升、楊宜謙、孫志杰、李運(yùn)生等對于高鐵和普通鐵路中存在的單線或雙線鋼桁梁橋，進(jìn)行了相關(guān)理論分析和現(xiàn)場荷載試驗(yàn)研究[1-7]；黃勝前、楊云、王鈺、盛興旺等針對其他類型的鐵路橋梁開展了相關(guān)試驗(yàn)和評定技術(shù)研究[8-11]。這些研究大都采用理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)的研究方法，且主要針對雙線簡支、連續(xù)鋼桁梁橋或其他類型橋梁，針對大跨度單線鋼桁梁橋相關(guān)試驗(yàn)研究的文獻(xiàn)很少。以某鐵路64 m單線下承式鋼桁梁橋?yàn)檠芯繉ο?，通過數(shù)值模擬分析、靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，開展橋梁靜動(dòng)力性能試驗(yàn)研究，分析單線橋梁受力特點(diǎn)，對橋梁進(jìn)行科學(xué)的檢測與評價(jià)。

1工程概況

某鐵路橋?yàn)閱尉€64 m栓焊下承式鋼桁梁橋，橋梁上跨京杭大運(yùn)河，計(jì)算跨徑64 m，橋面系全長65.24 m；主桁上、下弦桿截面采用焊接H形，橋面系采用縱、橫梁結(jié)構(gòu)，上、下平縱聯(lián)均為焊接工字形截面，采用鋼支座，下部結(jié)構(gòu)為鉆孔樁基礎(chǔ)，圓端形板式橋墩，主要運(yùn)行運(yùn)煤重車，設(shè)計(jì)荷載為中-活載。橋梁實(shí)景見圖1。

圖1　橋梁現(xiàn)場照片

橋梁已經(jīng)運(yùn)行多年，為了檢驗(yàn)和評估鋼桁梁橋的靜、動(dòng)力性能、列車通過橋梁時(shí)的舒適性和安全性，對其進(jìn)行列車作用下的靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)和運(yùn)營性能試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)主要測試橋梁結(jié)構(gòu)在靜力列車荷載作用下的桁梁桿件的內(nèi)力、跨中撓度，據(jù)以判斷橋梁結(jié)構(gòu)在靜載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的安全承載能力和使用條件；動(dòng)載試驗(yàn)包括強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)和脈動(dòng)試驗(yàn)，強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)主要測試橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，即振幅、加速度、動(dòng)撓度、動(dòng)力系數(shù)等，脈動(dòng)試驗(yàn)主要測試橋梁結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境激振條件下的自由振動(dòng)特性，即自振頻率、阻尼等，評價(jià)橋梁的剛度和動(dòng)力性能是否滿足規(guī)范要求。

2靜載試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)內(nèi)容

采用Midas/civil建立有限元模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載和試驗(yàn)荷載作用下的數(shù)值模擬分析。模型采用空間結(jié)構(gòu)，單元截面按照設(shè)計(jì)、施工圖紙中尺寸和形狀確定，縱橫梁、上下平縱聯(lián)均按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建模。設(shè)計(jì)荷載按照中-活載進(jìn)行計(jì)算，圖2～圖3為有限元模型和荷載作用下位移云圖。

圖2　單線64 m鐵路下承式鋼桁架橋計(jì)算模型

圖3　中-活載作用下最大豎向位移

根據(jù)理論分析結(jié)果，考慮最不利受力和對稱性要求，確定了應(yīng)變、撓度測點(diǎn)。共布置應(yīng)變測點(diǎn)64個(gè)，撓度測點(diǎn)10個(gè)。圖4為測點(diǎn)布置圖。其中：應(yīng)變測點(diǎn)共16截面×4個(gè)/截面=64個(gè)，分別布置在北側(cè)1號、4號、4A號、5號、11號、12號、15號、16號、21號、21A、23號截面和南側(cè)4號、5號、11號、12號、15號截面；撓度測點(diǎn)共10個(gè)，布置在南北兩側(cè)1/4跨、2/4跨、3/4跨和兩端支座處，梁端縱向位移測點(diǎn)1個(gè)，布置在活動(dòng)支座處。

圖4　靜載試驗(yàn)測點(diǎn)布置

2.2試驗(yàn)荷載和工況

根據(jù)橋梁截面控制桿件的軸力影響線計(jì)算確定最不利輪位，按最大試驗(yàn)荷載進(jìn)行分級加載，靜載試驗(yàn)中，一般要求荷載效率系數(shù)不小于0.8，不大于1.0，考慮目前線路上實(shí)際運(yùn)行的機(jī)車及重車情況，試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際荷載采用SS4B雙機(jī)加掛C70重車的荷載形式，列車編組為2×S4B+7×C70重車(滿載)+7×C70空車+2×SS4B，效率系數(shù)為0.62～0.66。試驗(yàn)荷載的作用位置示意見圖5。具體加載工況見表1。

2.3測試結(jié)果分析

因篇幅有限，僅列出最不利工況下部分測點(diǎn)的應(yīng)力、撓度、校驗(yàn)系數(shù)、相對殘余測試結(jié)果，見表2。

圖5　試驗(yàn)荷載的作用位置示意(工況1～4)

工況荷載位置效率系數(shù)工況1機(jī)車前軸作用于1/4跨度節(jié)點(diǎn)處0.62工況2機(jī)車前軸作用于1/2跨度節(jié)點(diǎn)處0.64工況3機(jī)車前軸作用于3/4跨度節(jié)點(diǎn)處0.65工況4跨中活載效應(yīng)最大0.66工況5橋門架活載效應(yīng)最大0.65

表2　靜載試驗(yàn)部分參數(shù)實(shí)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表2可得出如下結(jié)果。

(1)桿件應(yīng)力和跨中撓度實(shí)測值均小于理論計(jì)算值。實(shí)測主桁上弦桿校驗(yàn)系數(shù)為0.76，滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[12]第10.0.8條中校驗(yàn)系數(shù)通常值要求。實(shí)測主桁下弦桿校驗(yàn)系數(shù)介于0.90～0.91，實(shí)測跨中撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.83，不滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[12]第10.0.8條中校驗(yàn)系數(shù)通常值要求。

(2)實(shí)測換算至中-活載撓跨比1/1 757，滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[11]第10.0.3條小于1/1 250的要求；實(shí)測南北兩側(cè)對稱桿件的應(yīng)力偏差較小，表明兩片主桁受力分布均勻，實(shí)測應(yīng)力、撓度相對殘余介于1.37%～2.49%，彈性恢復(fù)能力較強(qiáng)，表明橋梁處于良好的彈性工作狀態(tài)。

(3)實(shí)測主桁部分桿件應(yīng)力和跨中撓度均較大，校驗(yàn)系數(shù)不能滿足要求，并且撓跨比雖然滿足規(guī)范要求，但相對其他類型雙線鋼桁梁橋來說，撓跨比已經(jīng)比較接近規(guī)范限值，說明主桁剛度偏弱，強(qiáng)度儲(chǔ)備較小，需要密切觀測。

3動(dòng)載試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)內(nèi)容

(1)跑車試驗(yàn)：采用試驗(yàn)編組列車進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，列車編組同靜載試驗(yàn)一致。混編列車以從10、20、30、40、50、60 km/h至設(shè)計(jì)或?qū)嶋H運(yùn)營車速駛過指定位置，測試列車過橋時(shí)橋梁振動(dòng)規(guī)律及動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)撓度變化規(guī)律及橋梁安全運(yùn)營的其他技術(shù)參數(shù)。

(2)自振特性試驗(yàn)：采用脈動(dòng)法或測余振方法，進(jìn)行鋼桁梁自振特性測試。

(3)運(yùn)營性能試驗(yàn)：測試正常運(yùn)營列車過橋時(shí)橋梁振動(dòng)規(guī)律及動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)撓度變化規(guī)律及橋梁安全運(yùn)營的其他技術(shù)參數(shù)。

(4)測點(diǎn)布置：動(dòng)載試驗(yàn)測點(diǎn)包括振動(dòng)傳感器測點(diǎn)、動(dòng)撓度測點(diǎn)和動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)。共布置14個(gè)振動(dòng)傳感器，其中在1/4跨、1/2跨、3/4跨和兩端支座處各布置5個(gè)梁跨豎向振幅和5個(gè)梁跨橫向振幅測點(diǎn)；在1/2跨布置1個(gè)橫向振動(dòng)加速度和1個(gè)豎向振動(dòng)加速度，2個(gè)墩頂橫向振幅測點(diǎn)；在活動(dòng)支座處布置1個(gè)梁端縱向位移測點(diǎn)；在南側(cè)桁架4號、21號桿布置2個(gè)動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)，動(dòng)應(yīng)變片在桿件的位置與橋梁靜載試驗(yàn)相同；在1/2跨布置2個(gè)動(dòng)撓度測點(diǎn)。

(5)測試設(shè)備：振動(dòng)測試選用中國地震局工程力學(xué)研究所研制生產(chǎn)的橫向891-V型傳感器及配套放大器，采集分析儀選用北京東方所INV-306U大容量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，動(dòng)撓度測試選用北京光電技術(shù)研究所研制生產(chǎn)的BJQN-4D型橋梁撓度檢測儀。

3.2結(jié)果分析

試驗(yàn)編組列車實(shí)際速度在12～69 km/h之間變化，同一速度循環(huán)2次，兩個(gè)循環(huán)速度誤差在1 km/h范圍內(nèi)；正常運(yùn)營列車速度在65 ～72 km/h之間變化，試驗(yàn)編組列車作用下實(shí)測數(shù)據(jù)最大值統(tǒng)計(jì)見表3，正常運(yùn)營列車作用下實(shí)測數(shù)據(jù)見表4，典型時(shí)程曲線見圖6。

(1)振幅：試驗(yàn)編組列車和運(yùn)營列車作用下，實(shí)測橋跨跨中橫向振幅最大值分別為4.14、3.14 mm，實(shí)測墩頂橫向振幅最大值分別為0.20、0.17 mm，均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[11]所規(guī)定的橫向振幅安全限值要求；橋跨跨中豎向振幅最大值分別為2.05、1.59 mm。

試驗(yàn)編組列車以不同速度通過橋跨時(shí)，跨中橫向振幅、豎向振幅和墩頂橫向振幅基本上均呈現(xiàn)隨速度增加而增大的趨勢。當(dāng)試驗(yàn)列車速度超過50 km/h后，跨中橫向振幅明顯增大，且大于正常運(yùn)營列車作用下數(shù)據(jù)。從波形圖可以看出，振動(dòng)較大位置一般出現(xiàn)在空車部位，說明試驗(yàn)列車中重車引起橋跨豎向振動(dòng)加大，空車晃動(dòng)較重車嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致橋跨產(chǎn)生更大的空間耦合振動(dòng)，輕重混編列車導(dǎo)致了橋梁產(chǎn)生更大振動(dòng)，需要在實(shí)際運(yùn)營中加以重視。時(shí)速50 km/h左右為振幅響應(yīng)最大對應(yīng)的行車速度。

表3　試驗(yàn)編組列車作用下實(shí)測數(shù)據(jù)最大值統(tǒng)計(jì)

表4　正常運(yùn)營列車作用下實(shí)測數(shù)據(jù)最大值統(tǒng)計(jì)

圖6　跨中橫向振幅和橫向加速度時(shí)程曲線

(2)橫向加速度：試驗(yàn)編組列車作用下，實(shí)測跨中橫向加速度最大值為1.71 m/s2，不滿足文獻(xiàn)[12]中橫向振動(dòng)加速度要求(≤1. 40 m/s2)，跨中橫向加速度隨速度增加而增大；正常運(yùn)營列車作用下，實(shí)測跨中橫向加速度最大值均小于規(guī)范規(guī)定的≤1. 40 m/s2要求。

(3)頻率：采用余振法和大地脈動(dòng)法共兩種方法進(jìn)行自振頻率分析，對速度時(shí)程曲線進(jìn)行自譜分析、互譜分析，得到橋跨橫向自振頻率，兩種分析方法結(jié)果基本吻合；實(shí)測橋跨橫向自振頻率為1.75 Hz，大于理論計(jì)算值(1.68 Hz)和《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[11]所規(guī)定的通常值(1.41 Hz)要求，但小于規(guī)范關(guān)于列車通過時(shí)車輪抗脫軌的安全度要求(≥2.33 Hz)，表明該橋橫向剛度略顯不足。

(4)動(dòng)力系數(shù)：通過對動(dòng)撓度時(shí)程曲線和桿件動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線分析得到動(dòng)力系數(shù)，實(shí)測動(dòng)力系數(shù)均小于理論計(jì)算值，且動(dòng)力系數(shù)比較離散，隨著速度增加變化趨勢不明顯。

(5)阻尼比：對實(shí)測橋梁跨中余振進(jìn)行分析，得到實(shí)測阻尼比平均值為0.009 1，略小于一般鋼結(jié)構(gòu)臨界阻尼比1.00%～3.00%。

(6)不同類型橋梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比：同其他類型橋梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，同樣試驗(yàn)條件下本橋橋跨實(shí)測數(shù)據(jù)基本上都略大于其他橋梁，說明單線鋼桁梁橋較雙線鋼桁梁橋具有較小的橫向剛度和豎向剛度，列車荷載將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的應(yīng)力、變形和振動(dòng)。

4結(jié)論

針對64 m單線下承式鋼桁梁橋進(jìn)行了理論分析和現(xiàn)場靜動(dòng)載性能試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下。

(1)靜力荷載作用下，桿件應(yīng)力和跨中撓度實(shí)測值均小于理論計(jì)算值，跨中撓度和下弦桿應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)略大于規(guī)范通常值要求，其他桿件應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)滿足要求，實(shí)測換算至中-活載撓跨比1/1 757，相對殘余很小，說明橋梁基本滿足承載能力和使用條件要求，結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)，但實(shí)測靜力數(shù)據(jù)表明橋跨結(jié)構(gòu)整體剛度偏弱，重載列車作用引起了較大的應(yīng)力和變形。

(2)不同速度試驗(yàn)編組列車和正常運(yùn)營列車作用下，橋跨跨中橫向振幅、自振頻率、動(dòng)力系數(shù)、墩頂橫向振幅、阻尼比等參數(shù)均滿足運(yùn)營性能試驗(yàn)規(guī)范要求，部分參數(shù)隨著速度增加有增大趨勢，但橋跨跨中橫向加速度有超限值情況，且一定速度下橫向振幅偏大，說明橋梁橫向剛度偏弱，需加以重視。速度接近情況下，試驗(yàn)編組列車作用下實(shí)測數(shù)據(jù)大于正常運(yùn)營重載列車數(shù)據(jù)，說明空重混編引起橋梁產(chǎn)生更大的振動(dòng)。

(3)與其他同類型鋼桁梁橋相比，本橋部分實(shí)測數(shù)據(jù)均略大于其他雙線鋼桁梁橋，說明本橋橫向剛度偏弱，開行300 kN大軸重重載列車將會(huì)導(dǎo)致橋梁受力加劇，為確保橋梁運(yùn)營安全，建議對橋梁整體剛度進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)對列車作用下的橋梁動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

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收稿日期：2015-11-04

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2009AA11Z102)，鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃(重大課題)(2012G011-A)

作者簡介：陳樹禮(1978—)，男，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)闃蛄簷z測、監(jiān)控/監(jiān)測、加固及評定，E-mail：13832115905@163.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0038-05

中圖分類號：U446.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.009

Test Research on Static and Dynamic Performances of Large Span Steel Truss Girder Bridge

CHEN Shu-li，LIU Yong-qian，ZHANG Yan-bing

(Structure Health Monitoring and Control Institute，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

Abstract：Taking the 64 m through steel truss bridge as the research object，the test research on bridge static and dynamic performances is completed with numerical analysis and field test. The results show that under static load the measured stress and deflection of the bridge are less than the theoretical calculation，the deflection and the stress check coefficient are slightly larger than the standard normal values，the relative residual of deflection and stress meet the standard requirement，and the stresses of the two main trusses are in balance. The operating performance indicators under trains of different speed can basically meet the standard requirements，but the measurements are larger than that of similar double wire steel truss bridge. The empty and weight mixed trains cause greater vibration. Overall，the bearing capacity and service condition of the bridge basically meet the standard requirements and in good elastic working condition，but the bridge structure overall rigidity is weak with small emergency capacity. Thus，it is recommended that the entire bridge stiffness should be strengthened and the real-time bridge dynamic response monitored．

Key words：Large span; Through steel truss girder bridge; Static and dynamic performance; Test; Numerical analysis; Bearing capacity