大準線黃河特大橋(96+132+96)m鋼桁梁檢定試驗研究

蘭曉峰，劉鵬輝，周 政

(1.神華準格爾能源有限責任公司，準格爾 內(nèi)蒙古 010300;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 概述

大準線(大同—準格爾)于1992年12月開通運營，2006年7月開行了C80的萬t列車，最高列車速度80 km/h。黃河特大橋主跨為(96+132+96)m連續(xù)柔性拱式鋼桁梁，是我國修建的第一座無豎桿三角形鋼桁梁橋，設計活載為中-活載。邊跨為96 m下承式無豎桿剛性桁架、中跨為剛性桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)，主桁節(jié)間距12 m，兩片主桁中心距7 m，桁高12 m，拱矢高22 m。鋼梁材料采用16 Mnq；采用盆式橡膠支座。9#,11#墩為空心墩，10#墩為實心墩、制動墩，基礎均為擴大基礎，地基土為白云巖層。9#,10#,11#墩高分別為55.28,59.27,56.80 m，墩全高為57.28,61.27,58.8 m，墩身橫向平均寬度均為8 m。按照鐵總科技[2014]172號《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》的規(guī)定，1993年、2002年、2011年分別對大準線黃河特大橋進行了橋梁檢定試驗，包括靜載試驗、動載試驗和模態(tài)試驗。檢定評估方案的制定、檢測方法等的依據(jù)是鐵運函[2004]120號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡稱《橋檢規(guī)》)。

2 試驗內(nèi)容

2.1 靜載試驗

本次試驗測試了4個加載輪位下關(guān)鍵桿件的靜應變和邊跨、中跨跨中的靜撓度。每個輪位重復加載3次。①輪位Ⅰ，中跨滿載，列車編組為DF10D+9輛C80重車+1輛C70重車，DF10D機車第1軸在E16節(jié)點。②輪位Ⅱ，左邊跨(大同側(cè))滿載，列車編組為DF10D+6輛C80重車+1輛C70重車，DF10D機車第1軸在E0節(jié)點。③輪位Ⅲ，右邊跨(準格爾側(cè))滿載，列車編組為DF10D+6輛C80重車+1輛C70重車，DF10D機車第1軸在E16′節(jié)點。④輪位Ⅳ，中跨半跨加載，列車編組為DF10D+3輛C80重車+1輛C70重車，DF10D機車第1軸在E16節(jié)點。輪位加載見圖1。

圖1 輪位加載及桿件示意圖

主桿件內(nèi)力測點選在各加載輪位下受力較大的、復雜的下弦桿和拱腳處斜桿；按左右邊跨對稱布置測點以判別荷載作用下結(jié)構(gòu)的對稱性；在上下游主梁同時布置測點，以檢測2片主梁受力的均勻性。測點位于上下游側(cè)邊跨和中跨跨中下弦桿、中跨L/4(L為跨度)處下弦桿、兩側(cè)拱腳斜桿處。

2.2 動載試驗

測試大準線上下行運營貨列通過橋梁時的動力響應，通過橋梁速度級分別為50,60,70,80 km/h，每個速度級試驗車次不少于3趟。測試內(nèi)容：①應變測點選取上游側(cè)主桁桿件，包括邊跨中、中跨中的下弦桿、縱梁、橫梁、斜桿;②第10#,11#墩上游側(cè)盆式橡膠支座橫向、豎向、縱向動位移;③中跨L/4、跨中、3L/4和邊跨L/4、跨中處下弦桿豎向振幅;④中跨跨中、3L/4、端部橫梁和邊跨跨中處下弦桿橫向振幅;⑤9#,10#,11#墩頂橫向振幅;⑥端橫梁動撓度。

2.3 模態(tài)試驗

梁體自振頻率是反映橋梁動力特性的基本參數(shù)，梁體自振頻率過低可能導致列車通過時產(chǎn)生過大振動或共振。橋梁自振特性可以采用脈動法(大地微振動法)和自振衰減法進行識別，橋梁脈動試驗通過記錄并分析橋跨結(jié)構(gòu)在環(huán)境激振下的脈動信號以得出橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性。脈動法測試時間一般不少于20 min。大跨度測試斷面多，可分斷面記錄，但每次應保證有一個參考點不動。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 實測主桁桿件內(nèi)力和撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)

4個加載輪位下?lián)隙葘崪y值、計算值和結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)[1]見表1。

表1 撓度實測值、計算值和結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)

從表1可以看出：

1)實測內(nèi)力和撓度值與理論計算值較為接近，表明理論計算較為準確。

2)該橋跨實測桿件內(nèi)力的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均超過了《橋檢規(guī)》中根據(jù)簡支鋼桁梁實測值綜合分析和推理得到的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)通常值。由于本次試驗橋跨是三跨連續(xù)鋼桁梁橋，可見《橋檢規(guī)》的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)通常值有一定的局限性。由于《橋檢規(guī)》的理論計算是平面鉸接模型，這種模型計算誤差較大，本次計算采用空間剛接模型?？缍确謩e為48,64,80 m下承簡支鋼桁梁主桿件構(gòu)造系數(shù)(平面鉸接模型計算內(nèi)力/空間剛接模型計算內(nèi)力)均超過了1.00。反映橋跨結(jié)構(gòu)整體豎向剛度的撓度值，其結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)較桿件內(nèi)力的校驗系數(shù)值低一些，這體現(xiàn)出該橋中跨加設系桿拱型的結(jié)構(gòu)加大了全橋整體豎向剛度，從而使結(jié)構(gòu)的校驗系數(shù)基本上<1，接近《橋檢規(guī)》的要求。

3)對比2011年試驗[2]和1993年[3]、2002年[4-5]試驗得到的桿件內(nèi)力和結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)，可以看出3次試驗數(shù)據(jù)規(guī)律和大小基本一致。這說明黃河特大橋鋼桁梁現(xiàn)在的靜力技術(shù)狀態(tài)與成橋時相比變化較小，狀態(tài)穩(wěn)定。

3.2 2片主桁受力的均勻性

在上游和下游2片主桁對稱布置測點，同時進行測試。從實測內(nèi)力分析可知實測2片主桁對稱桿件軸力值相差較小，可認為2片主桁受力較為均勻。

3.3 主桁桿件換算內(nèi)力及撓跨比

表2給出通過實際測得的桿件內(nèi)力和撓度值換算得到的設計荷載中-活載作用下的內(nèi)力和撓度?？芍涸谥?活載作用下應力最大的桿件為A17～E18，其軸向應力為89.05 MPa;在中-活載作用下邊跨中的撓度大于中跨中的撓度，分別為75.33，63.76 mm，計算得各自的撓跨比為1/1 274 和1/2 071，與2002年實測撓跨比吻合良好，同時滿足設計撓跨比1/1 115 和1/2 020 的要求。

表2 實測撓度換算到中-活載的撓跨比

3.4 主力作用下主要桿件的應力值

橋梁結(jié)構(gòu)主要承受中-活載和恒載作用，其最終應力是二者作用下應力的組合[6]。各主要桿件的最終受力見表3。橋墩上的橋跨是桁架梁與系桿結(jié)構(gòu)相接點，受力比較復雜[7]。根據(jù)計算和實測數(shù)據(jù)分析可得本橋跨受力最大的桿件是10#墩上的右斜桿A17～E18，最終應力為144.61 MPa，小于設計圖紙給出的本桿件基本允許應力[σ]=200 MPa。其余橋跨桿件應力在100 MPa左右，由此可認為該橋設計具有足夠的安全儲備。

表3 橋跨結(jié)構(gòu)主要桿件的最終應力值

4 動載下桿件動應變數(shù)據(jù)分析

動應變試驗測點選取上游側(cè)主桁，測點位置在跨中的下弦桿、橫梁、縱梁和拱腳斜桿處，共計11個動應變測點。實測黃河特大橋各處下弦桿、斜桿、橫梁、縱梁動應變最大動力系數(shù)見表4，各處桿件實測動力系數(shù)均小于設計動力系數(shù)。從整體趨勢看，應變動力系數(shù)隨行車速度提高而緩慢增大；運營貨列重車作用下動力系數(shù)大于空車。

表4 黃河特大橋動應變最大動力系數(shù)

5 動載下動位移數(shù)據(jù)分析

實測黃河特大橋準格爾旗側(cè)端橫梁豎向動位移見表5，實測端橫梁豎向撓度最大值為2.01 mm，小于日本《鐵路結(jié)構(gòu)物設計標準及解說》關(guān)于鋼橋、結(jié)合梁橋端橫梁規(guī)定的限度值4 mm。運營貨列空車、重車作用下，端橫梁撓度動力系數(shù)分別為1.22,1.27，小于該端橫梁設計動力系數(shù)1.54。動力系數(shù)隨行車速度的提高而緩慢增大，運營貨列重車作用下動力系數(shù)大于空車。

表5 運營貨列作用下黃河特大橋端橫梁動位移及動力系數(shù)

6 主桁桿件、墩頂橫向振幅數(shù)據(jù)分析

6.1 主桁桿件橫向振幅數(shù)據(jù)分析

主桁桿件橫向振幅測試選取上游側(cè)下弦桿，測點位置在邊跨中、拱腳處、中跨3L/4處、中跨跨中處，共4個測點。實測黃河特大橋下弦桿橫向振幅見表6。貨列重車作用下橫向振幅大于空車；雖然C62,C64,C70滿載質(zhì)量小于C80貨車，但產(chǎn)生的振動響應反而較大，與該類貨車轉(zhuǎn)向架自身狀況關(guān)系密切。

表6 下弦桿橫向振幅 mm

6.2 墩頂橫向振幅數(shù)據(jù)分析

運營貨列空車、重車作用下，實測墩頂橫向振幅見表7。實測9#,10#,11#橋墩墩頂橫向振幅均在《橋檢規(guī)》通常值范圍內(nèi)。從整體趨勢上看，運營貨列作用下墩頂橫向振幅與行車速度關(guān)系不明顯，貨列重車作用下墩頂橫向振幅大于空車。

表7 墩頂橫向振幅 mm

6.3 主桁桿件豎向振幅數(shù)據(jù)分析

桿件豎向振幅測試主要選取下弦桿，測點位于中跨L/4(上游側(cè))、中跨跨中(上下游側(cè))、中跨3L/4(上下游側(cè))、準格爾旗側(cè)邊跨L/4(上游側(cè))、準格爾旗側(cè)邊跨跨中(上下游側(cè))，共8個測點。運營貨列作用下，實測黃河特大橋各處下弦桿豎向振幅最大值見表8。

表8 下弦桿豎向振幅最大值 mm

圖2 邊跨、中跨跨中處下弦桿豎向振幅與行車速度的關(guān)系

實測各處下弦桿豎向振幅與行車速度關(guān)系見圖2。從整體趨勢上看，貨列重車作用下梁體跨中豎向振幅大于空車；運營空車作用下桿件豎向振幅大小與速度關(guān)系不明顯；運營重車作用下，在列車速度低于65 km/h時，C62+C64+C70和C80編組區(qū)別不明顯，當列車速度高于65 km/h時，C80編組貨列產(chǎn)生的豎向振幅隨行車速度提高呈線性增大，在車速73 km/h 時出現(xiàn)峰值。

7 黃河特大橋模態(tài)測試分析

橋梁結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)的測定主要是為了獲取橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比和振型，橋梁固有模態(tài)參數(shù)能反映橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能和技術(shù)狀況[8]。橋梁的自振頻率和阻尼比采用脈動法進行測試。

表9中給出2011年試驗與1993年成橋時對該橋主梁自振頻率測試結(jié)果的對比?？梢?，主梁橫向1階自振頻率為0.94 Hz，豎向1階自振頻率為2.55 Hz。與1993年測試結(jié)果相比主梁自振頻率變化較小，說明黃河特大橋經(jīng)過20年的運營，橋梁整體性能和技術(shù)狀態(tài)與成橋時相比變化較小。黃河特大橋132 m中跨橫向振動阻尼比為0.63%(余振法)，豎向振動阻尼比為0.85%(余振法)，與國內(nèi)外原型橋梁試驗結(jié)果吻合[9]。

表9 黃河特大橋模態(tài)及主梁自振頻率試驗結(jié)果

梁體橫向1階頻率為0.94 Hz，該階振型以梁體中跨彎扭為主，中跨中、中跨3L/4橫向同相位，中跨中上游、下游側(cè)豎向相位相反。橋墩橫向在該頻率成分上明顯小于跨中。

實測梁部一階橫向自振頻率在《橋檢規(guī)》鋼梁通常值0.68 Hz的范圍內(nèi)(跨度按照132 m計)。對于連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)全橋整體橫向自振周期的限值，可參考文獻[10]的規(guī)定：第一自振周期應滿足T1≤0.011Ls，且T1≤1.7 s，其中L為連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)的主跨長度。黃河特大橋主跨132 m，按上述規(guī)定全橋橫向自振頻率不小于0.69 Hz。實測橫向自振頻率0.94 Hz大于該值。

梁體豎向1階頻率2.55 Hz，該階振型以梁體主跨豎向?qū)ΨQ彎曲為主。中跨跨中上下游豎向幅值相近，相位相同；中跨3L/4處上下游豎向幅值相近，相位相同；中跨跨中、中跨3L/4豎向相位相同；中跨跨中處豎向與邊跨跨中處豎向相位相反。

8 結(jié)論

1)對比2011年試驗和1993年、2002年試驗得到的桿件內(nèi)力和撓度的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)，可以看出3次試驗數(shù)據(jù)規(guī)律和大小基本一致。這說明黃河特大橋鋼桁梁的技術(shù)狀態(tài)與成橋時相比變化較小。在中-活載作用下桿件應力小于設計給出的基本允許應力，可認為該橋設計具有足夠的安全儲備。撓跨比與往年吻合良好，滿足設計要求。

2)在運營貨列作用下，C80編組貨列重車在車速73 km/h 時出現(xiàn)峰值，梁體豎向振幅最大值為4.46 mm。鑒于采用25 t軸重的C80重車對黃河特大橋主橋的豎向靜荷載已接近中-活載，運營中C80應嚴格按照額定載重均勻裝載，嚴禁超載，并加強對黃河特大橋的長期觀測和線路養(yǎng)護維修。

3)實測主梁自振頻率與往年測試數(shù)據(jù)相比變化較小，說明黃河特大橋經(jīng)過20年的運營，橋梁整體性能和技術(shù)狀態(tài)與成橋時相比變化較小。

[1]鄧蓉.鐵路鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)研究[J].鐵道建筑，2017,57(5):1-6.

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[4]蘭曉峰，楊宜謙，柯在田，等.大準鐵路黃河特大橋鋼桁梁靜載試驗[J].鐵道建筑,2004,44(2):23-24.

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[8]伯野元彥.土木工程振動手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1992.

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