我國(guó)既有普速鐵路橋梁檢定若干問(wèn)題探討

王 巍，宋國(guó)華，柯在田，齊法琳，楊宜謙，董振升，王一干

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

橋梁結(jié)構(gòu)作為鐵路的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其狀態(tài)是影響鐵路運(yùn)輸效率的重要因素，鐵路橋梁檢定評(píng)估工作是確定橋梁運(yùn)用條件、制定橋梁大修及技術(shù)改造計(jì)劃的重要技術(shù)支撐。為保證鐵路運(yùn)輸安全，《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（普速鐵路部分）》規(guī)定：技術(shù)復(fù)雜及重要的橋梁檢定，每十年不少于一次［1］。既有普速鐵路橋梁的檢定評(píng)估主要依據(jù)是鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［2］（下文簡(jiǎn)稱《橋檢規(guī)》）。

《橋檢規(guī)》是2004 年由原鐵道部組織有關(guān)部門和單位總結(jié)完成的，由于該規(guī)范沒(méi)有條文說(shuō)明，部分條款在執(zhí)行過(guò)程中存在一些難點(diǎn)，如梁體橫向振動(dòng)加速度是否要低通濾波及濾波截止頻率等。近年來(lái)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論、測(cè)試技術(shù)也有了較大發(fā)展。

本文結(jié)合近年來(lái)鐵路橋梁檢定工作的相關(guān)實(shí)踐，對(duì)既有普速鐵路橋梁承載能力評(píng)定方法、鋼桁梁有限元模型、鋼桁梁桿件截面應(yīng)力的測(cè)試位置等問(wèn)題進(jìn)行探討，供既有普速鐵路橋梁檢定參考。

1 橋梁承載能力評(píng)定方法

鐵路橋梁檢定工作一般包括橋梁現(xiàn)狀檢查、結(jié)構(gòu)及墩臺(tái)承載能力的檢算、運(yùn)營(yíng)性能檢驗(yàn)、橋梁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等。各鐵路局每年會(huì)安排部分特殊結(jié)構(gòu)橋梁的檢定任務(wù)，委托下屬橋檢隊(duì)或者鐵路行業(yè)內(nèi)有相關(guān)資質(zhì)的單位開(kāi)展檢定工作。此類橋梁檢定一般為橋梁現(xiàn)狀檢查，并以現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)來(lái)確定橋梁的承載能力和以動(dòng)載試驗(yàn)確定橋梁的運(yùn)營(yíng)性能。

為保證橋梁靜載試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，一般橋梁靜載試驗(yàn)安排在無(wú)風(fēng)及溫差較小的夜間進(jìn)行，且靜載試驗(yàn)涉及單位較多，包括總工室、工務(wù)處、機(jī)務(wù)處、車輛處、電務(wù)處、調(diào)度所、安監(jiān)室等單位［3］。對(duì)于運(yùn)輸任務(wù)繁忙的既有線路開(kāi)展橋梁靜載試驗(yàn)較為困難，且安全壓力較大，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)靜載試驗(yàn)無(wú)法按計(jì)劃完成的情況。

《橋檢規(guī)》并未對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)開(kāi)展的前提條件進(jìn)行規(guī)定。公路行業(yè)橋梁承載能力評(píng)定主要依據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》［4］，該規(guī)范對(duì)公路橋梁荷載試驗(yàn)開(kāi)展的前提條件進(jìn)行了明確規(guī)定：當(dāng)檢算的作用效應(yīng)與抗力效應(yīng)的比值在1.0 ～1.2 時(shí)，應(yīng)通過(guò)荷載試驗(yàn)評(píng)定承載能力［4］。從實(shí)踐情況看，公路橋梁通過(guò)外觀檢查和承載能力檢算，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害橋梁，也可以定量給出橋梁的承載能力。與靜載試驗(yàn)相比，橋梁外觀檢查和承載能力檢算更為簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，對(duì)正常的交通影響較小。

相比于公路橋梁，既有普速鐵路橋梁活載更為明確，貨車車輛超載情況極少，開(kāi)展承載能力檢算更為簡(jiǎn)便，對(duì)鐵路運(yùn)輸影響更小，且更為經(jīng)濟(jì)。因此，對(duì)于既有普速鐵路運(yùn)營(yíng)荷載沒(méi)有較大變化或未出現(xiàn)缺陷、損傷的橋梁，建議通過(guò)結(jié)構(gòu)檢算確定橋梁承載能力；對(duì)于出現(xiàn)缺陷、損傷或加固改造后的橋梁，建議結(jié)合結(jié)構(gòu)檢算，通過(guò)靜載試驗(yàn)確定橋梁承載能力。

2 鋼桁梁有限元模型

結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)系數(shù)是試驗(yàn)荷載作用下測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)彈性變形值或應(yīng)變值與相應(yīng)的理論計(jì)算值的比值，反映結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)越小，結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大。

校驗(yàn)系數(shù)中的理論計(jì)算結(jié)果對(duì)校驗(yàn)系數(shù)影響較大，采用有限元模型計(jì)算是得到理論計(jì)算結(jié)果的常用手段。有限元模型是靜載試驗(yàn)工作的基礎(chǔ)，《橋檢規(guī)》給出了鋼橋按平面理論分析、橋道縱梁按簡(jiǎn)支計(jì)算的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)［2］。

我國(guó)鐵路鋼橋采用的桁架結(jié)構(gòu)是一種空間結(jié)構(gòu)，各桿件之間的連接是剛性連接，最佳的計(jì)算方法是按空間結(jié)構(gòu)來(lái)分析。但是實(shí)際工作中有時(shí)仍沿用《橋檢規(guī)》簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，即將桁架結(jié)構(gòu)分成若干個(gè)平面結(jié)構(gòu)如主桁、縱梁、橫梁、平縱聯(lián)、橫向連接系、橋門架等，并假設(shè)節(jié)點(diǎn)為鉸接，按各自平面上的荷載來(lái)計(jì)算桿件內(nèi)力。這種計(jì)算方法無(wú)法考慮節(jié)點(diǎn)剛性和結(jié)構(gòu)空間作用的影響。

以潯江大橋?yàn)槔?，潯江大橋?yàn)? 孔下承式連續(xù)鋼桁梁，設(shè)計(jì)圖號(hào)為“專橋（68）0120-6”，材料為16Mn 低合金鋼，計(jì)算跨度Lp=64 m，每孔8個(gè)節(jié)間，節(jié)間長(zhǎng)度8 m，主桁高度11 m，主桁中心距5.75 m，縱梁中心距2 m。采用MIDAS軟件分別建立平面模型（見(jiàn)圖1，取對(duì)稱結(jié)構(gòu)的一半）和空間模型（見(jiàn)圖2）進(jìn)行理論值計(jì)算，靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 潯江大橋平面有限元模型

表1 潯江大橋主測(cè)桿件軸向應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

從表1中可以看出：①對(duì)于上下弦桿，以平面模型的計(jì)算結(jié)果為理論值，下弦桿的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.70～0.74，上弦桿的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.79～0.95；以空間模型的計(jì)算結(jié)果為理論值，下弦桿的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.86～0.89，上弦桿的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.93～1.00。兩者結(jié)果差距較大，空間模型更接近于實(shí)測(cè)結(jié)果。②對(duì)于吊桿和腹桿，以平面模型的計(jì)算結(jié)果為理論值，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.81～1.07，以空間模型的計(jì)算結(jié)果為理論值，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.90～1.03，兩者結(jié)果接近。

對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)的縱橫梁，縱梁的支撐狀態(tài)與支撐在橫梁上的連續(xù)梁類似，橫梁的受力狀態(tài)在一定程度上類似于彈性嵌固于主桁節(jié)點(diǎn)的固端梁。采用《橋檢規(guī)》簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)，縱橫梁的邊界條件與其真實(shí)的邊界條件相差較大，簡(jiǎn)化模型計(jì)算得到的理論值偏大，表2給出了潯江大橋縱橫梁結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)?？芍臻g模型下的縱橫梁結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均大于平面模型下的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)，空間模型更接近于實(shí)測(cè)值。

表2 潯江大橋縱、橫梁結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)ξσ

近年來(lái)，隨著有限元軟件的大規(guī)模應(yīng)用，橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算水平已有了大幅提高，建議鐵路鋼桁梁計(jì)算模型由原來(lái)的平面模型逐漸向空間模型過(guò)渡，從而提高有限元模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 鋼桁梁桿件截面應(yīng)力測(cè)試位置

鋼桁梁桿件的實(shí)際受力狀態(tài)與空間梁更為接近，外荷載作用下，桿件不僅要承受軸向力作用，還要承受彎矩、剪力和扭矩的作用［5-6］。除軸向力以外的所有內(nèi)力、構(gòu)造及施工原因引起的桿件應(yīng)力統(tǒng)稱為次應(yīng)力。在鋼結(jié)構(gòu)中，一般很難避免由于構(gòu)件的偏心、節(jié)點(diǎn)的剛性、橋面的變形等因素引起的次應(yīng)力。但我國(guó)鐵路鋼桁梁設(shè)計(jì)中大多都忽略桿件次應(yīng)力的影響，按軸向受力設(shè)計(jì)桿件的截面。TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)主桁桿件截面的高度與節(jié)長(zhǎng)之比在連續(xù)桁梁中大于1/15、簡(jiǎn)支梁中大于1/10時(shí)應(yīng)計(jì)算由節(jié)點(diǎn)剛性引起的次應(yīng)力［7］。

如前所述，結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)系數(shù)是反映結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)的指標(biāo)，有限元模型計(jì)算中通常無(wú)法重現(xiàn)由于構(gòu)造、施工等原因?qū)е碌臈U件偏心引起的桿件次應(yīng)力?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)變計(jì)一般沿桿件的軸向布置，測(cè)量得到的是荷載作用下桿件所受縱向正應(yīng)力之和［8］。如何盡量降低桿件次應(yīng)力對(duì)桿件軸向力測(cè)試結(jié)果及結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響就顯得尤為重要。實(shí)踐表明，合理選擇鋼桁梁桿件應(yīng)力的測(cè)試位置可以降低桿件次應(yīng)力的影響［8］，但《橋檢規(guī)》并未給出鋼橋桿件截面應(yīng)力的測(cè)試位置建議。

成昆線桐模甸2 號(hào)橋128 m 簡(jiǎn)支鋼桁梁和2×64 m上承式連續(xù)鋼桁梁靜載試驗(yàn)中在鋼桁梁個(gè)別桿件上布置5 個(gè)斷面的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，以分析節(jié)點(diǎn)次應(yīng)力的傳遞規(guī)律。128 m 簡(jiǎn)支鋼桁梁選擇下游側(cè)E6E7下弦桿的E6端節(jié)點(diǎn)附近進(jìn)行4 個(gè)斷面的次應(yīng)力測(cè)試，最近的斷面距節(jié)點(diǎn)板為5 cm，測(cè)試斷面間距為5 cm，每個(gè)斷面布置4 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，如圖3 所示。同時(shí)，在桿件中部斷面布置4 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，端節(jié)點(diǎn)附近斷面與桿件中部斷面軸向應(yīng)力和次應(yīng)力系數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

圖3 E6A7斜桿的E6端節(jié)點(diǎn)次應(yīng)力測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

2×64 m 上承式連續(xù)鋼桁梁選擇下游側(cè)E7A8下弦桿的E8端節(jié)點(diǎn)附近進(jìn)行4 個(gè)斷面的次應(yīng)力測(cè)試，最近的斷面距節(jié)點(diǎn)板為5 cm，測(cè)試斷面間距為5 cm，每個(gè)斷面布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4 所示。同時(shí)，在桿件中部斷面布置4 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，端節(jié)點(diǎn)附近斷面與桿件中部斷面軸向應(yīng)力和次應(yīng)力系數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。

圖4 E7A8斜桿的E8端節(jié)點(diǎn)次應(yīng)力測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

表4 E7A8斜桿E8端節(jié)點(diǎn)附近斷面與桿件中部斷面軸向應(yīng)力和次應(yīng)力系數(shù)對(duì)比

從表3 和表4 中可以看出，桿件的軸向應(yīng)力由節(jié)點(diǎn)板邊緣向桿件中部方向呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，桿件次應(yīng)力系數(shù)在桿件端部大于桿件中部。對(duì)于鋼桁梁桿件，由于節(jié)點(diǎn)板處受力比較復(fù)雜，桿件截面應(yīng)力測(cè)試時(shí)，建議布置到靠近桿件中部的部位，以盡量降低桿件次應(yīng)力的影響。

4 梁體橫向振動(dòng)加速度濾波的截止頻率

日本國(guó)鐵技術(shù)研究所對(duì)跨度50 m 以下的鋼橋橫向振動(dòng)加速度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)論是當(dāng)橋梁的水平橫向加速度達(dá)到0.1g～ 0.2g時(shí)，車輛容易脫軌［9］。我國(guó)《橋檢規(guī)》中規(guī)定：當(dāng)列車通過(guò)時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向加速amax不應(yīng)超過(guò)1.4 m/s2［2］。但振動(dòng)加速度頻率范圍沒(méi)有明確界定。

橋梁在列車荷載作用下的橫向振動(dòng)以列車加載頻率為主，引起車橋系統(tǒng)橫向振動(dòng)的激勵(lì)源主要是車輛蛇行運(yùn)動(dòng)，車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率通常介于按自由輪對(duì)假設(shè)和按剛性定位轉(zhuǎn)向架假設(shè)計(jì)算的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率之間，蛇行運(yùn)動(dòng)頻率要低于自由輪對(duì)的蛇行頻率，高于剛性定位轉(zhuǎn)向架假設(shè)的蛇行頻率［10］。假定車輛車輪經(jīng)過(guò)磨耗后的車輪踏面等效錐度由初始狀態(tài)的0.05 變化為 0.10，C80貨車以 80 km/h 左右通過(guò)時(shí)，蛇行運(yùn)動(dòng)頻率介于 1.49 ～ 2.36 Hz；客車以160 km/h 左右通過(guò)時(shí)，蛇行運(yùn)動(dòng)頻率介于1.96 ～3.82 Hz。實(shí)測(cè)結(jié)果［11］為：C80貨車以 80 km/h 左右通過(guò)時(shí)，梁體橫向強(qiáng)迫振動(dòng)頻率最大約為2.0 Hz；客車以160 km/h 左右通過(guò)時(shí)，梁體橫向強(qiáng)迫振動(dòng)頻率最大約為2.2 Hz。由此可見(jiàn)，鐵路橋梁橫向振動(dòng)以低頻為主。梁體橫向振動(dòng)與運(yùn)營(yíng)列車車輛構(gòu)架橫向加速度相關(guān)性較強(qiáng)，我國(guó)TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》引用歐盟規(guī)范UIC 518—2005Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour-safety-track fatigue-ride quality的規(guī)定，車輛構(gòu)架橫向加速度濾波0.5 ～10 Hz［12］。為與車體構(gòu)架橫向加速度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一致，梁體橫向振動(dòng)加速度建議采用10 Hz低通數(shù)字濾波處理，且采用10 Hz低通濾波能夠保證梁體橫向振動(dòng)頻率不高于5 Hz的振動(dòng)信號(hào)不失真［13］。

5 結(jié)語(yǔ)

基于近年來(lái)鐵路橋梁檢定工作的相關(guān)實(shí)踐，對(duì)既有普速鐵路橋梁檢定的一些問(wèn)題進(jìn)行了探討，建議：

1）對(duì)于既有普速鐵路運(yùn)營(yíng)荷載沒(méi)有較大變化或未出現(xiàn)缺陷、損傷的橋梁，建議通過(guò)結(jié)構(gòu)檢算確定橋梁承載能力；對(duì)于出現(xiàn)缺陷、損傷或加固改造后的橋梁，建議結(jié)合結(jié)構(gòu)檢算，通過(guò)靜載試驗(yàn)確定橋梁承載能力。

2）鐵路鋼桁梁有限元計(jì)算模型采用空間模型，以提高有限元模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）由于節(jié)點(diǎn)板處受力復(fù)雜，鋼桁梁桿件的應(yīng)力測(cè)試位置宜盡量靠近桿件中部，以降低桿件次應(yīng)力的影響。

4）鐵路橋梁的橫向振動(dòng)加速度建議采用10 Hz 低通數(shù)字濾波處理。

相關(guān)成果可供鐵路工作者開(kāi)展既有普速鐵路橋梁檢定工作和規(guī)范修訂參考。