軌道專用大跨徑斜拉橋的承載能力

單積明， 伍 靜， 孫海波

(北京市建設工程質(zhì)量第三檢測所有限責任公司，北京 100037)

0 引 言

橋梁荷載試驗是對新建成橋梁是否能夠正常工作的一種最直接明了的鑒定手段[1-5]。目前，隨著中國橋梁建設的迅速發(fā)展，公路大跨度懸索橋、斜拉橋、鋼混組合橋相繼出現(xiàn)；但是，關于城市軌道橋梁荷載試驗方面的研究相對較少，也沒有相關的規(guī)范可參考[6-9]。

本文以某城市軌道專用斜拉橋為例，通過對該橋梁進行靜載試驗、動載試驗，提出軌道交通橋梁的靜載試驗不僅需要對設計荷載工況下主要受力截面進行驗證，還需對救援工況(單線一列列車出故障時調(diào)用另外一列列車進行救援)荷載作用下橋梁的承載力進行鑒定，動載試驗時還需對不同行車速度下橋墩的橫向振動進行測試。

1 工程概況

某城市軌道交通專用橋梁為(60+135+250+135+60)m的雙塔雙索面混凝土斜拉橋，采用塔梁固結體系，主梁為單箱單室等梁高混凝土箱梁，梁高3.5 m，每8 m為一個節(jié)段，在拉索處設置拉索橫梁，橋寬采用15 m，雙線城市軌道通行。橋塔設計為菱形，高約183 m。

2 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件Midas Civil進行建模分析。建模時主梁、主塔采用空間梁單元模擬，通過剛臂與斜拉索連接，斜拉索采用空間桁架單元模擬。分別計算一列車、雙列車和三列車(一列為救援車輛)通過橋梁時，列車荷載對結構控制截面產(chǎn)生的最不利內(nèi)力，并按此內(nèi)力值進行等效加載[10-12]。有限元分析模型如圖1所示。

3 靜載試驗

3.1 測試截面

根據(jù)計算分析結果及軌道交通橋梁的受力特性，該橋共布置5個測試截面，具體見圖2。

3.2 應變測點布置

根據(jù)測試工況布置各測試截面主梁應變測點，如圖3所示。

圖1 有限元模型

3.3 撓度測點布置

撓度測點在主梁兩側翼緣板側面，按側跨2等分、邊跨4等分、中跨8等分布置。全橋共42個測點，其中上游測點為A1、A2、A3、…、A21，下游測點為B1、B2、B3、…、B21，具體如圖4所示。

圖2 荷載試驗測試截面布置

圖3 測試截面應變測點布置

圖4 主梁豎向變形測點布置

3.4 塔頂偏位測點布置

分別在南、北岸側主塔頂部布置1個水平位移觀測點，試驗時采用TS-50全站儀進行觀測。

3.5 溫度測點布置

在每個試驗截面布置1個溫度傳感器進行溫度測量。

3.6 試驗工況

根據(jù)設計資料，大橋設計荷載為地鐵B1型列車，軌道交通荷載由2輛首車和6輛標準車組成，軸重140 kN，總長118.6 m，設計行車速度為75 km·h-1，計算分布荷載為29.9 kN·m-1。根據(jù)混凝土斜拉橋的受力特點和規(guī)范要求，結合理論計算結果，試驗采用軸重140 kN的B1型列車(6組編)進行等效加載，車輛載位按照內(nèi)力影響線布置，每個工況分正載和偏載。荷載試驗效率和加載截面如表1所示。

表1 靜力荷載試驗加載效率和對應截面

3.7 靜載試驗結果分析

3.7.1 撓度測試結果

通過對主跨、邊跨、側跨最大正彎矩截面對應荷載作用下主梁撓度實測值與理論值進行比較(表2～4)，得出各測點撓度實測值均小于理論值，卸載后的殘余變形均小于20%，表明橋梁剛度滿足設計要求，橋梁處于彈性工作狀態(tài)。

3.7.2 塔頂偏位測試結果

在主跨最大正彎矩工況和救援工況下，采用TS-50智能全站儀對橋塔塔頂位移進行測試，結果如表5所示。由表5可知，在最大試驗荷載作用下，橋塔均對向偏移(向江心方向)，卸載后橋塔能迅速恢復偏位。

表2 主跨最大正彎矩工況下的撓度測試結果

表3 邊跨最大正彎矩工況下的撓度測試結果

3.7.3 應變測試結果

荷載試驗作用下主梁應力測試結果見表6～9[13]。從中可知，在試驗荷載作用下，主梁各測試截面實測應力值均小于理論值，卸載后相對殘余應力均小于20%，說明結構強度滿足設計要求，結構處于良好的彈性工作狀態(tài)。

3.7.4 最大索力增量測試結果

在每種試驗工況下，利用索力動測儀對部分斜拉索進行索力增量測試。實測的斜拉索索力增量校驗系數(shù)在0.64～0.83之間，最大相對殘余索力小于20%，表明拉索處于較好的彈性工作狀態(tài)[14-16]。

注：向南岸側方向為“-”；向北岸側方向為“+”。

表7 邊跨最大正彎矩截面應力測試結果

表8 側跨最大正彎矩截面應變測試結果

表9 主塔處主梁最大負彎矩截面應變測試結果

4 動載試驗

動載試驗主要包括脈動試驗和行車試驗，用于了解橋梁的自振特性及其在荷載作用下的動力響應，以確定該橋的動力性能[17-18]。

4.1 橋跨結構動力特性分析

實測豎向各階頻率均大于計算頻率，說明結構豎向剛度良好，詳細測試結果見表10。

表10 橋跨結構自振特性參數(shù)測試結果

4.2 行車試驗

行車試驗分為跑車、會車、剎車3個部分內(nèi)容進行。試驗結果見表11～13。

(1)通過計算分析得出，該橋前4階自振模態(tài)實測各階頻率大于計算頻率，說明結構豎向動剛度指標良好。

(2)行車試驗測試結果表明，結構在設計荷載作用下的動力響應較好。

4.3 橋墩橫向振動測試

車輛在10、30、60 km·h-1三種速度下，采用百分表對橋墩的橫向振動進行測試，測試結果(表14)表明，隨著列車行駛速度的增加，橋墩的橫向位移逐步增大。

表11 跑車試驗動力響應檢測結果

注：J1截面為135 m邊跨跨中截面；J2截面為250 m中跨跨中截面。

表12 會車、剎車試驗動力響應檢測結果

表13 跑車試驗各動應力測點應力增大系數(shù)

注：應力增大系數(shù)為應力時域曲線中最大動應力與最大靜應力的比值。

表14 橋墩橫向振動測試結果

5 結 語

(1)在靜力試驗荷載下，主梁及橋塔各控制部位的應力增量及變形狀況與理論計算值吻合，應力和變形校驗系數(shù)均小于1。斜拉索活載應力與理論結果吻合，恒、活載總應力均小于規(guī)范容許拉應力。在對稱加載情況下，大橋橋面和橋塔變形小，主梁應力的對稱性良好，結構整體受力均衡。

(2)在不同行車速度的車輛荷載作用下，主梁的動應力峰值與動態(tài)增量均較小，主梁各部位的動態(tài)應力放大系數(shù)大部分介于1.00～1.05 之間，說明沖擊效應與行車速度無相關性，而與軌道的平整度及列車行駛穩(wěn)定性有關。

(3)在環(huán)境振動下，大橋一階豎向彎曲、扭轉及橫向彎曲振動頻率分別為0.482、0.728、0.080 Hz。橋面豎向彎曲的阻尼比介于0.28～0.60%之間，一般隨振動頻率增大而減小。大橋固有振動振型階次與理論計算值吻合(圖5、6)，實測頻率略高于理論值。

圖5 一階振型

圖6 二階振型

(4)列車行駛過程中橋塔(墩)的橫向振動測試結果表明，橋墩橫向振幅隨行車速度的提高逐漸增大，高速行駛時列車晃動明顯，建議在設計時對此進行考慮。