軌道交通雙U形-箱形連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能試驗(yàn)研究

黃繼成

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海市 226001）

0 引言

城市軌道交通U形梁由于其建筑高度低、截面利用率高、造型美觀、降噪效果好等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到工程人員的關(guān)注。與傳統(tǒng)的槽形梁相比，雙U形-箱形梁在底板取消了橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，中間腹板與邊腹板不對(duì)稱。雙U形-箱形梁結(jié)構(gòu)特殊、受力復(fù)雜，特別是底板在橫向取消預(yù)應(yīng)力鋼束后，其橫向抗裂性能如何，以及整體受力能否滿足目前設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)的要求等問(wèn)題還不清楚[1]。同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)軌道交通工程中應(yīng)用較少，尚無(wú)成熟、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，因此對(duì)雙U形-箱形梁在施工、運(yùn)營(yíng)階段中的靜力行為進(jìn)行試驗(yàn)研究，為雙U形-箱形梁在城市軌道高架線路中的推廣應(yīng)用提供依據(jù)是相當(dāng)必要的。為全面了解軌道交通節(jié)段拼裝雙U形-箱形連續(xù)梁橋的靜力性能，本文選取在世界上首次采用雙U形-箱形連續(xù)梁橋的上海軌道交通17號(hào)線為工程背景，通過(guò)實(shí)橋荷載試驗(yàn)研究節(jié)段拼裝雙U形-箱形截面連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為，了解大橋主要構(gòu)件在試驗(yàn)荷載下的實(shí)際工作狀態(tài)，評(píng)價(jià)其在設(shè)計(jì)使用荷載下的工作性能和實(shí)際承載能力，同時(shí)獲得橋跨結(jié)構(gòu)目前的結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性以及荷載作用下的靜動(dòng)力性能，為雙U形-箱形結(jié)合截面主梁在軌道交通建設(shè)中的推廣運(yùn)用提供重要的試驗(yàn)性資料。

1 節(jié)段拼裝雙U形-箱形連續(xù)梁橋構(gòu)造特點(diǎn)及試驗(yàn)概況

上海市軌道交通17號(hào)線工程節(jié)段拼裝雙U形-箱形截面連續(xù)梁橋主要采用中跨50 m、55 m、70 m的結(jié)構(gòu)型式[2]，主梁截面主要采用雙U形-箱形結(jié)合斷面，由U形-箱梁底板、箱梁底板、箱梁腹板、U形-箱梁頂板、U形-箱梁腹板和中腹板組成，預(yù)制節(jié)段間采用濕接縫和膠結(jié)縫連接。支座采用球形鋼支座或盆式橡膠支座。軌道交通17號(hào)線荷載等級(jí)為地鐵-A型，按六節(jié)車(chē)輛編組設(shè)計(jì)，單線重車(chē)共24個(gè)軸，最大設(shè)計(jì)軸重160 kN，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h。典型橋梁立面照及正面照如圖1所示。

圖1 雙U形-箱形連續(xù)梁橋立面照和正面照

根據(jù)結(jié)構(gòu)理論分析，靜載試驗(yàn)中對(duì)全橋四個(gè)控制部位進(jìn)行加載測(cè)試，控制部位包括中跨跨中、四分點(diǎn)、墩頂及邊跨最大正彎矩?cái)嗝鍿1～S4（見(jiàn)圖2）。試驗(yàn)采用2列6節(jié)編組的軌道交通車(chē)輛（通過(guò)在車(chē)廂內(nèi)堆放砂袋使車(chē)輛軸重達(dá)到目標(biāo)值）做試驗(yàn)列車(chē)，加載車(chē)示意圖如圖3所示。靜載試驗(yàn)分三個(gè)工況進(jìn)行撓度、彎矩加載，加載控制元素和荷載水平見(jiàn)表1。各工況車(chē)輛均按同向布置，圖4為中跨跨中最大正彎矩及撓度S3斷面加載布置示意圖。加載前先讀零確定有無(wú)異常情況，車(chē)輛上橋10 min后開(kāi)始讀數(shù)，退載后重新讀零以確認(rèn)變形及應(yīng)力恢復(fù)情況。試驗(yàn)于2017年12月14—15日夜里12:00至上午8:00進(jìn)行，加載時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)主梁溫度和橋面風(fēng)向風(fēng)速，以消除環(huán)境溫度、濕度及風(fēng)荷載對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。動(dòng)載試驗(yàn)選取主梁邊跨S1斷面、中跨跨中S3斷面進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，同時(shí)測(cè)試S3斷面橫向、豎向動(dòng)位移和加速度以及中墩墩頂兩側(cè)橫橋向動(dòng)位移。試驗(yàn)工況包括列車(chē)以20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h 速度單線勻速過(guò)橋以及雙線橋上會(huì)車(chē)共10種工況。振動(dòng)測(cè)試主要通過(guò)測(cè)量主梁在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，識(shí)別大橋振動(dòng)的前3階振動(dòng)頻率、振型和阻尼比。

圖2 典型雙U形-箱形連續(xù)梁橋測(cè)試部位圖（單位：cm）

圖3 試驗(yàn)加載車(chē)示意圖

表1 控制元素和荷載水平

圖4 中跨跨中最大正彎矩及撓度S3斷面加載布置示意圖（單位：cm）

靜載試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容主要包括主梁豎向撓度和應(yīng)力。主梁撓度測(cè)點(diǎn)布設(shè)在測(cè)試斷面布置于中跨跨中、四分點(diǎn)和邊跨跨中斷面，上下游對(duì)稱，共10個(gè)?；炷林髁篠1～S4斷面靜應(yīng)力測(cè)點(diǎn)為U形-箱形主梁頂緣、腹板和底面縱橋向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。其中，腹板測(cè)點(diǎn)沿?cái)嗝娓叨鹊确郑琒1、S3斷面北側(cè)測(cè)點(diǎn)為四等分，南側(cè)測(cè)點(diǎn)為二等分，S4斷面南北側(cè)測(cè)點(diǎn)均為四等分，每個(gè)斷面設(shè)14個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖5所示。

圖5 U形-箱形截面縱向靜應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)示意圖

動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容主要包括主梁動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移、加速度和墩頂橫橋向動(dòng)位移。在S1、S3斷面U形-箱形主梁底板各布設(shè)2個(gè)動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)；在S3斷面U形-箱形主梁U肋頂緣布設(shè)1個(gè)橫向動(dòng)位移和2個(gè)豎向動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)；在中墩墩頂（兩側(cè)）各布設(shè)1個(gè)橫橋向動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)，共2個(gè)測(cè)點(diǎn)；在S3斷面U形-箱形主梁U肋頂緣布設(shè)2個(gè)豎向加速度、1個(gè)橫向加速度傳感器。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 U形-箱形截面動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移和加速度測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)示意圖

主梁動(dòng)力特性參數(shù)測(cè)試內(nèi)容主要包括振動(dòng)頻率、振型和阻尼比。在主梁中跨四分點(diǎn)斷面和邊跨跨中斷面布置9個(gè)加速度測(cè)試斷面，每個(gè)斷面上行、下行側(cè)各布置1個(gè)豎向測(cè)點(diǎn)，并在下行側(cè)布置1個(gè)橫橋向測(cè)點(diǎn)，用以拾取主梁豎向和橫向加速度響應(yīng)。具體測(cè)點(diǎn)布置示意如圖6d所示。

2 靜力荷載下結(jié)構(gòu)整體力學(xué)行為

2.1 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

靜力加載試驗(yàn)下雙U形-箱形截面應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與理論分析對(duì)比表明，在靜力荷載作用下，截面應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值基本吻合，試驗(yàn)橋梁處于彈性工作階段，如圖7所示。

圖7 中跨跨中截面S3最大正彎矩對(duì)稱加載（滿載）應(yīng)力理論與實(shí)測(cè)比較

2.2 位移測(cè)試結(jié)果分析

圖8 為中跨跨中截面S3最大正彎矩對(duì)稱加載（滿載）全橋變形理論與實(shí)測(cè)比較。由圖可知，在試驗(yàn)加載工況下，位移的實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值相吻合，主梁截面橫向變形分布基本對(duì)稱，表明橋梁結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 中跨跨中截面S3最大正彎矩對(duì)稱加載（滿載）全橋變形理論與實(shí)測(cè)比較

3 動(dòng)力荷載下結(jié)構(gòu)力學(xué)行為

圖9 為列車(chē)以20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100 km/h速度單線勻速過(guò)橋以及雙線橋上會(huì)車(chē)時(shí)S3斷面的典型動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移及加速度時(shí)程圖。結(jié)果表明：主梁底板縱橋向測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力增量不大，動(dòng)力系數(shù)均小于1.15。主梁中跨跨中的豎向動(dòng)位移最大振幅為0.47 mm；橫向最大振幅為0.42 mm。墩頂主梁橫向動(dòng)位移幅值接近于零。中跨跨中豎向加速度最大幅值為0.92 m/s2；橫向加速度最大幅值為0.77 m/s2。主梁的應(yīng)力動(dòng)力系數(shù)、動(dòng)位移振幅以及振動(dòng)加速度幅值均與列車(chē)速度的關(guān)系不明顯。

圖9 列車(chē)以不同速度勻速過(guò)橋及橋上會(huì)車(chē)時(shí)中跨跨中截面典型動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移及加速度時(shí)程圖

4 結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析獲得各大橋主梁前3階振動(dòng)形態(tài)，典型振動(dòng)形態(tài)如圖10所示。結(jié)果表明：各大橋?qū)崪y(cè)各階振動(dòng)頻率比理論計(jì)算值稍大，說(shuō)明實(shí)際結(jié)構(gòu)動(dòng)力剛度大于計(jì)算值；實(shí)測(cè)1階橫向自振頻率介于2.700～5.770 Hz，滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中最小橫向自振頻率要求[3]；各大橋前3階振型的阻尼比介于1.64%～3.47%。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軌道交通節(jié)段拼裝雙U形-箱形截面連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為試驗(yàn)研究，獲得結(jié)論如下：

（1）在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載水平的試驗(yàn)荷載下，各橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，其變形增量、應(yīng)力增量均隨荷載近似呈線性規(guī)律變化。

圖10 各大橋主梁前3階振動(dòng)形態(tài)

（2）列車(chē)以不同速度、不同車(chē)輛數(shù)正常行駛時(shí)，實(shí)測(cè)主梁動(dòng)力系數(shù)小于1.15；實(shí)測(cè)主梁中跨跨中最大橫、豎向振幅分別為0.47 mm、0.42 mm，橫、豎向加速度最大幅值分別為0.92 m/s2、0.77 m/s2。

（3）大橋?qū)崪y(cè)各階振動(dòng)頻率比理論計(jì)算值大，實(shí)測(cè)1階橫向自振頻率介于2.700～5.770 Hz，前3階振型的阻尼比介于1.64%～3.47%。