普速鐵路下承式大跨簡支鋼梁橋動載試驗研究

翁 艷 張 明 徐亞光

(1.四川廣播電視大學(xué),四川 成都 610072； 2.中國鐵路成都局集團有限公司,四川 成都 610081)

既有普速鐵路線中，下承式簡支鋼桁梁數(shù)量較多，在32 m～80 m的中等跨度的橋梁中占有絕對地位。一般大于80 m跨度的簡支鋼桁梁可以稱為大跨度橋梁。而對于較大跨度的鋼桁梁橋，隨著現(xiàn)今重載運輸量增大，橋梁承受的動載也加大，導(dǎo)致橋梁的荷載效應(yīng)變大。因此有必要對既有線橋梁結(jié)構(gòu)進行動載試驗，分析并掌握其病害，保障列車的運營安全。

1 橋梁概況

渡口支線某鋼梁橋全長為297.20 m，主跨為176 m雙線簡支鋼桁梁(見圖1)，共設(shè)有22個節(jié)間，節(jié)間布置為(22×8)m。桁高24 m，主桁中心距10 m，橋面系采用縱橫梁體系，縱梁中心距2 m，線間距4 m。主桁采用拼接工字型截面，連接系采用角鋼或拼接工字型截面，橫梁和縱梁采用拼接工字型截面。其《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計，活載設(shè)計等級為“舊中—24級”，檢定等級為“舊中—33.2級”。設(shè)計恒載采用14.0 t/m兩桁(包括橋面1.4 t/m兩桁)，風(fēng)載分別采用100 kg/m2(橋上無車時)、120 kg/m2(橋上有車)和70 kg/m2(安裝時)。

鋼梁采用輥軸支座，小里程端為固定支座，大里程端為活動支座。主桁(局部受力立桿及掛桿除外)、橫梁、頂梁及頂梁托架采用16Mn低合金鋼，其他桿件材料采用A3q碳鋼，全橋采用鉚接，鉚釘采用ML2碳鋼。

2 動載試驗

試驗時對該梁跨中振幅、加速度、動撓度、梁體自振頻率、動應(yīng)力及活動支座縱向位移進行測試，并測試該橋3號、4號墩墩頂橫向振幅。過路列車通過時也需測試以上內(nèi)容。

2.1 模態(tài)測點布置

選取鋼桁梁測試其前5階自振頻率及相應(yīng)振型。測點布置見表1。

表1 大橋脈動試驗測點布置

2.2 動載測點布置

大橋動載試驗測點布置見表2，其中主桁桿件動應(yīng)力測點均取截面靜載應(yīng)力最大點位，縱橫梁跨中上、下翼緣各取1個測點。

2.3 動載試驗工況

本次動載試驗采用試驗專用列車進行加載，動載試驗列車編組采用SS3+10C70(重車)+12C70(空車)+SS3。試驗列車速度等級為5 km/h,40 km/h,50 km/h,60 km/h,70 km/h,75 km/h，除5 km/h速度級跑車1次外，其余每速度級要求跑車3次，共16趟車。試驗時，每提高一個速度級均對上一速度級測試數(shù)據(jù)進行分析、判斷，確認無危險后才進行下一速度級試驗。試驗期間，對通過貨運列車也進行測試，貨車測試19趟。

表2 動載試驗測點布置

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 動載應(yīng)力及動力系數(shù)

3.1.1主桁桿件動載應(yīng)力及動力系數(shù)

鋼桁梁主桁桿件的實測最大動應(yīng)力及動力系數(shù)見表3。

表3 鋼桁梁主桁桿件最大動載應(yīng)力及動力系數(shù)

由主桁桿件動應(yīng)力測試結(jié)果可知，動載試驗車通過時，上、下弦桿實測應(yīng)力動力系數(shù)為1.003～1.127，斜桿實測應(yīng)力動力系數(shù)為1.002～1.127，豎桿實測應(yīng)力動力系數(shù)為1.001～1.052，均小于設(shè)計動力系數(shù)1.130。

3.1.2縱橫梁動載應(yīng)力及動力系數(shù)

鋼桁梁縱橫梁各桿件的實測最大動應(yīng)力及相應(yīng)動力系數(shù)見表4。

表4 鋼桁梁縱橫梁跨中最大動載應(yīng)力及動力系數(shù)

由縱橫梁動應(yīng)力測試結(jié)果可知，動載試驗車通過時，鋼桁梁縱梁實測應(yīng)力動力系數(shù)為1.00～1.11(過路車：0.98～1.09)，小于設(shè)計動力系數(shù)1.583；橫梁實測應(yīng)力動力系數(shù)為1.02～1.22(過路車：1.08～1.49)，小于設(shè)計動力系數(shù)1.500。

3.2 動撓度

在試驗車作用下，實測鋼桁梁及鋼板梁橋跨中截面動撓度最大值分別為71.006 mm(75 km/h，上行)和22.602 mm(75 km/h，上行)。鋼桁梁和鋼板梁最大撓度動力系數(shù)分別為1.054和1.046，均發(fā)生在試驗列車以75 km/h通過時。鋼桁梁與鋼板梁最大撓度動力系數(shù)小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(下稱《橋檢規(guī)》)動力系數(shù)參考值1.130(鋼桁梁)及1.389(鋼板梁)，滿足規(guī)范要求。鋼桁梁及鋼板梁跨中動撓度與車速的關(guān)系見圖2。

鋼桁梁撓度動力系數(shù)大致隨試驗列車速度的提高呈現(xiàn)增大，在50 km/h～70 km/h速度范圍內(nèi)，鋼桁梁撓度動力系數(shù)變化很小，在車速達到75 km/h時，撓度動力系數(shù)顯著增大；鋼板梁撓度動力系數(shù)也大致隨試驗列車速度的提高呈現(xiàn)增大，在車速不小于60 km/h時，動力系數(shù)顯著增大。

3.3 活動支座位移

大橋鋼桁梁共4個支座，鋼梁采用輥軸支座，本次試驗大里程端活動支座縱向位移測試結(jié)果為：上游側(cè)動載試驗車通過時為20.42 mm，貨車通過時為20.35 mm，下游側(cè)動載試驗車通過時為18.76 mm，貨車通過時為20.54 mm，位移值均在設(shè)計范圍之內(nèi)，表明活動支座工作正常。

3.4 端橫梁動位移

鋼桁梁端橫梁動撓度最大值為0.50 mm(過路車0.73 mm)，參照日本《鐵路結(jié)構(gòu)物設(shè)計標準及其解釋——變位限制》(2006年2月)規(guī)定的端橫梁動撓度應(yīng)不大于4 mm，《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》規(guī)定的端橫梁撓度不大于2 mm，說明該橋端橫梁動撓度正常。

3.5 伸縮縱梁動位移

本次試驗伸縮縱梁的縱向位移測試結(jié)果見表5。

表5 鋼桁梁伸縮縱梁最大縱向位移結(jié)果表 mm

由伸縮縱梁動位移測試結(jié)果可知，動載作用下伸縮縱梁工作狀態(tài)正常。

3.6 振動結(jié)果分析

3.6.1鋼桁梁自振特性

1)脈動法測試結(jié)果。

鋼桁梁自振頻率采用脈動法測定，測試結(jié)果見表6。

表6 鋼桁梁自振頻率結(jié)果表 Hz

2)余振法測試結(jié)果。

橋跨結(jié)構(gòu)橫向自振頻率采用結(jié)構(gòu)余振自由衰減振動法測定，鋼桁梁、鋼板梁及橋墩余波自振測試結(jié)果見表7。

表7 鋼桁梁、鋼板梁及3號、4號墩自振頻率結(jié)果表 Hz

3.6.2梁體跨中橫向振幅

通過對試驗車及過路列車測試，梁體跨中橫向振幅與試驗車速度的關(guān)系散點圖見圖3。

由測試結(jié)果數(shù)據(jù)分析可得：

試驗車作用下，實測鋼桁梁跨中橫向振幅最大值為3.06 mm，小于《橋檢規(guī)》貨列重車跨中橫向最大振幅通常值[Amax]5%=L/(2.2B)=8.00 mm，也小于《橋檢規(guī)》安全限值[Amax]5%=L/(75L+3 500)=10.54 mm；

過路貨車作用下，鋼桁梁跨中橫向振幅最大值為3.18 mm，通過速度為30 km/h，小于《橋檢規(guī)》貨列重車跨中橫向最大振幅通常值(Amax)5%=L/(2.2B)=8.00 mm，小于《橋檢規(guī)》安全限值[Amax]5%=L/(75L+3 500)=10.54 mm。

綜上，說明在過路貨車和過路客車作用下，鋼桁梁的橫向振幅小于《橋檢規(guī)》安全限值。

3.6.3梁體跨中豎向振幅

通過對試驗車及過路列車測試，梁體跨中豎向振幅與試驗車速度的關(guān)系散點圖見圖4。

由測試結(jié)果數(shù)據(jù)分析可得：

在試驗列車作用下，鋼桁梁跨中豎向最大振幅為1.99 mm(動載試驗車，速度75 km/h)；在過路貨車作用下，鋼桁梁跨中豎向最大振幅為1.29 mm(過路貨車，速度39 km/h)。如圖4所示橋梁豎向振幅最大值隨著試驗列車速度的增大而增大，且較為明顯。

3.6.4梁體跨中加速度

通過對試驗車及過路列車測試，實測梁體跨中橫、豎向加速度分別經(jīng)40 Hz低通濾波、20 Hz低通濾波后，得到：

1)按40 Hz低通濾波得到的鋼桁梁梁體最大橫向加速度為0.61 m/s2(動載試驗車，速度75 km/h)，滿足《橋檢規(guī)》要求；鋼板梁梁體最大橫向加速度為1.52 m/s2(動載試驗車，速度60 km/h)，不滿足《橋檢規(guī)》要求。

2)按20 Hz低通濾波得到的鋼桁梁梁體最大豎向加速度為0.56 m/s2(動載試驗車，速度75 km/h)。且振動加速度值隨試驗列車速度的提高有增大的趨勢。

3.6.5橋墩橫向振動

通過對試驗車及過路列車測試，墩頂最大橫向振幅與試驗車速度的關(guān)系散點圖見圖5。

由測試結(jié)果數(shù)據(jù)分析可得，試驗車作用下的3號、4號墩最大橫向振幅分別為0.09 mm，0.13 mm，均小于規(guī)定的墩頂橫向振幅通常值要求，說明橋墩橫向剛度較好。

4 結(jié)語

通過對鋼桁梁、鋼板梁及橋墩進行動載試驗，得出主要結(jié)論如下：

1)鋼桁梁弦桿實測應(yīng)力動力系數(shù)、斜桿實測應(yīng)力動力系數(shù)、豎桿實測應(yīng)力動力系數(shù)、縱梁實測應(yīng)力動力系數(shù)、橫梁實測應(yīng)力動力系數(shù)均小于設(shè)計動力系數(shù)；

2)鋼桁梁、鋼板梁跨中撓度動力系數(shù)小于《橋檢規(guī)》動力系數(shù)參考值；

3)動載試驗車通過時，活動支座最大縱向位移均在設(shè)計范圍之內(nèi)，表明支座工作狀態(tài)正常；

4)鋼桁梁端橫梁動撓度最大值為0.50 mm(過路車0.73 mm)，參照日本《鐵路結(jié)構(gòu)物設(shè)計標準及其解釋——變位限制》(2006年2月)規(guī)定的端橫梁動撓度應(yīng)不大于4 mm，《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》規(guī)定的端橫梁撓度不大于2 mm，說明該橋端橫梁動撓度正常；

5)鋼桁梁、鋼板梁實測橫向自振頻率滿足《橋檢規(guī)》要求，3號、4號墩橫向自振頻率不滿足《橋檢規(guī)》要求；

6)實測鋼桁梁梁體跨中橫向振幅最大值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定的要求，說明鋼桁梁橫向剛度較強；實測鋼板梁梁體跨中橫向振幅最大值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定的要求；

7)實測墩頂最大橫向振幅均滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定的墩頂橫向振幅通常值；

8)建議定期對3號、4號墩進行橫向振幅自振測試。