成昆線鋼拱橋運(yùn)營性能試驗(yàn)測試與分析

宋國華，王進(jìn)軍，王 巍，柯在田，劉 劼

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司吉林工務(wù)段，吉林吉林 132001；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；4.中國鐵路昆明局集團(tuán)公司工務(wù)部，云南昆明 650000）

1 工程概況

桐模甸2號橋修建于20世紀(jì)60年代末，孔跨式樣為：1×16 m 普通鋼筋混凝土Π 形梁+2×64 m 上承式栓焊連續(xù)鋼桁梁+1×112 m 鋼拱橋+1×16 m 普通鋼筋混凝土Π形梁?？缍葹?12 m的鋼拱橋采用栓焊代替了鉚接，橋梁采用16Mn 橋鋼［1］。鋼拱橋立面圖見圖1。目前，橋上運(yùn)營客車速度100 km/h、貨車速度80 km/h，牽引的機(jī)車類型主要為SS3型電力機(jī)車，貨車車輛類型主要為 C70，C64，C62 等。該橋在 1972年曾進(jìn)行過1 次常規(guī)檢定試驗(yàn)，2016年進(jìn)行了第2 次常規(guī)檢定試驗(yàn)。

圖1 鋼拱橋立面

2 鋼拱橋上拱度

橋梁上拱度的設(shè)置是按照恒載和半個靜活載所產(chǎn)生的撓度曲線，將其反向數(shù)值作為預(yù)設(shè)上拱度曲線。預(yù)拱度是通過剛性梁下弦大節(jié)點(diǎn)的弦桿每邊縮短8 mm 來完成的，上弦小節(jié)點(diǎn)的弦桿有轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角通過弦桿錯位來實(shí)現(xiàn)。上拱度采用自動安平水準(zhǔn)儀在無活載情況下進(jìn)行測量，對鋼梁每個橫梁兩側(cè)頂面高程進(jìn)行實(shí)測然后取平均值，見表1。鋼拱橋上拱度對比曲線見圖2。

由表1和圖2可知，經(jīng)過多年運(yùn)營后，橋梁的上拱度比建成時減小了12～39 mm，整體線形基本圓順。上拱度出現(xiàn)下降的原因主要是橋梁在長期的列車荷載作用下，桁梁節(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)角發(fā)生了改變。這種現(xiàn)象在鐵路鋼橋上普遍存在，目前沒有方法使其恢復(fù)到設(shè)計上拱度，只能通過調(diào)整軌枕或者墊板高度來保持軌道的平順性。

表1 鋼拱橋上拱度mm

圖2 鋼拱橋上拱度對比曲線

3 靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)是將試驗(yàn)荷載停于預(yù)定加載位置對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)變、靜位移等測定，以了解桁梁桿件的實(shí)際內(nèi)力、梁跨中點(diǎn)的撓度、活動支座的水平位移等，從而判斷結(jié)構(gòu)在靜載作用下的工作狀態(tài)。

3.1 靜載試驗(yàn)編組和工況［2］

根據(jù)試驗(yàn)的有關(guān)要求和路局提供的車輛情況，靜載試驗(yàn)列車的編組形式為：1輛DF8B+6輛KZ70滿載重車+1輛DF8B。靜載試驗(yàn)列車編組軸式如圖3所示。

考慮該橋?yàn)榱汗敖M合體系，故以受壓桿件、受拉桿件、拉壓桿件的控制內(nèi)力以及縱橫梁產(chǎn)生的最大彎矩為依據(jù)制定加載工況，見表2。

圖3 靜載試驗(yàn)列車編組軸式（單位：m）

表2 鋼拱橋靜載試驗(yàn)加載工況

3.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)

結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)系數(shù)ξ是結(jié)構(gòu)實(shí)測應(yīng)力（或變位）與理論計算應(yīng)力（或變位）的比值，反映結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)。其計算式為

式中：Se為實(shí)測應(yīng)力（或變位）；Ss為理論計算應(yīng)力（或變位）。

ξ＜1.0，說明理論計算偏于安全，結(jié)構(gòu)尚有一定的安全儲備；ξ＞1.0，則表示結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，可能是計算方法不夠安全或結(jié)構(gòu)存在某些問題，應(yīng)進(jìn)行全面的分析與研究［3］。鋼拱橋測試桿件靜載應(yīng)力及結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)見表3。

由表3可知，上弦桿、下弦桿和腹桿的校驗(yàn)系數(shù)范圍分別為0.62～0.89 、0.78～0.88 和0.86～0.93，縱梁、橫梁的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)分別為0.58 和0.59；拱肋校驗(yàn)系數(shù)范圍在0.90～0.96，吊桿為0.75。

由于鐵運(yùn)函〔2014〕120 號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［4］（以下簡稱《橋檢規(guī)》）未對鋼拱橋的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)通常值進(jìn)行規(guī)定，因此將表3中的規(guī)范通常值為上承式桁梁的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)通常值。對比校驗(yàn)系數(shù)與通常值可知：由于受到拱肋和吊桿的影響，上弦桿結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)分布范圍較大；下弦桿和腹桿的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)的分布范圍與上承式桁梁的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)范圍接近；縱橫梁的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)低于上承式桁梁結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)的下限。對于拱肋和吊桿，沒有可以對比的評價標(biāo)準(zhǔn)［5］。

表3 測試桿件靜載應(yīng)力及結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)

3.2.2 組合應(yīng)力

在恒載和活載作用下，鋼拱橋的主桁和拱肋各構(gòu)件主要承受軸向力作用，屬于軸向受力構(gòu)件。拉桿按凈截面檢算強(qiáng)度，壓桿按毛截面檢算強(qiáng)度和穩(wěn)定性［6］。對比組合應(yīng)力與容許應(yīng)力，以判斷結(jié)構(gòu)工作狀況。構(gòu)件的強(qiáng)度計算見式（2），整體穩(wěn)定性計算見式（3）。

中心受拉時組合應(yīng)力σ為

中心受壓時

式中：N為計算軸向力；A為檢算截面上的計算面積，拉桿時為凈截面面積，壓桿時為毛截面面積；Am為毛截面面積；φ1為中心受壓桿件的容許應(yīng)力折減系數(shù)；［σ］為容許應(yīng)力。

根據(jù)試驗(yàn)荷載效率，將實(shí)測軸向應(yīng)力換算為設(shè)計活載（考慮動力系數(shù)），再與設(shè)計恒載應(yīng)力疊加，得到主力組合工況下各測試桿件的實(shí)際應(yīng)力，見表4。

表4 工況下各測試桿件的實(shí)際應(yīng)力

由表4可知，所有桿件的組合應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，說明桿件的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。拱肋應(yīng)力儲備較小，其值在16%～27%；上弦桿的應(yīng)力儲備最大，其值在69%～87%，這主要與拱肋的加強(qiáng)作用有關(guān)。

3.2.3 豎向撓跨比

撓度是橋梁豎向剛度的主要衡量指標(biāo)之一?？刂茦蛄旱呢Q向剛度主要是為了保證列車運(yùn)行的平穩(wěn)性以及司機(jī)和旅客的舒適度，還要防止列車在橋上脫軌。鋼拱橋在靜載編組試驗(yàn)列車作用下，實(shí)測最大豎向撓度見表5。

表5 鋼拱橋?qū)崪y最大豎向撓度

由表5可知：

1）實(shí)測撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.89和0.90，上承式鋼桁梁的撓度校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.75～0.85，鋼拱橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)大于上承式鋼桁梁撓度校驗(yàn)系數(shù)通常值的上限。

2）跨中實(shí)測最大撓度上游側(cè)為56.64 mm，下游側(cè)為56.67 mm，實(shí)測跨中撓度換算到中—活載時的撓跨比為1/1 481，小于《橋檢規(guī)》中豎向撓跨比通常值1/1 250，表明鋼拱橋的豎向剛度滿足規(guī)范要求。

鋼拱橋?qū)崪y撓度曲線與理論撓度曲線對比見圖4?？芍?，實(shí)測撓度曲線與理論撓度曲線的線形變化一致，說明橋梁豎向變形正常。

圖4 鋼拱橋?qū)崪y撓度曲線與理論撓度曲線對比

4 動載試驗(yàn)

動載試驗(yàn)的目的是試驗(yàn)荷載以不同速度通過試驗(yàn)橋梁時對其進(jìn)行動應(yīng)力、動位移、橫向振動測試，以了解結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)、橫向振幅、橫向加速度等，用以判斷結(jié)構(gòu)在動載作用下的工作狀態(tài)。

4.1 動載試驗(yàn)編組與工況

動載編組列車的選取原則通常是運(yùn)行車輛類型中對橋梁振動影響最不利的車輛，要求車輛狀態(tài)良好。本次動載試驗(yàn)列車的編組形式為：1輛DF8B+10輛KZ70滿載重車+10 輛C62空車（或C64空車）+1 輛DF8B。編組列車在橋上分別以正向5，40，50，60，65，70，75 km/h的速度勻速運(yùn)行。

4.2 動載試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 動力系數(shù)

鋼拱橋各桿件動載應(yīng)力測點(diǎn)選擇下游側(cè)桿件靜載測試截面產(chǎn)生最大應(yīng)力的測點(diǎn)。測試桿件應(yīng)力動力系數(shù)與速度關(guān)系見圖5?？芍?，在編組試驗(yàn)列車動載作用下，實(shí)測應(yīng)力最大動力系數(shù)上弦桿為1.078、下弦桿為1.063、縱梁為1.130、橫梁為1.099、拱肋為1.058，均小于設(shè)計動力系數(shù)。測試桿件應(yīng)力的動力系數(shù)隨試驗(yàn)列車速度的增大而增大。

鋼拱橋跨中實(shí)測最大動撓度為58.95 mm，相應(yīng)的動力系數(shù)為1.031。跨中撓度動力系數(shù)與列車速度的關(guān)系見圖6。可知，動力系數(shù)隨試驗(yàn)列車速度的增大而增大。

4.2.2 跨中橫向振幅

運(yùn)營列車荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的跨中橫向振幅是反映結(jié)構(gòu)橫向剛度的指標(biāo)之一，該項(xiàng)指標(biāo)既與梁體本身狀況有關(guān)，也與通過車輛的類型有關(guān)。如果橫向振幅超出規(guī)范通常值，在確保運(yùn)營車輛狀態(tài)良好的情況下，則需要對橋梁進(jìn)行檢查，查明橋梁結(jié)構(gòu)是否有隱藏的病害。實(shí)測編組試驗(yàn)列車荷載平面處（跨中上弦）最大橫向振幅為3.55 mm，《橋檢規(guī)》對于鋼拱橋橫向振幅限值未作規(guī)定，參照同跨度簡支上承式鋼桁梁，其橫向振幅的通常值為8.85 mm，安全限值為9.41 mm。實(shí)測最大橫向振幅值小于通常值，表明鋼拱橋具有較好的橫向剛度。

圖5 測試桿件應(yīng)力動力系數(shù)與速度關(guān)系

圖6 鋼拱橋跨中撓度動力系數(shù)與列車速度的關(guān)系

鋼拱橋跨中橫向振幅與速度的關(guān)系見圖7?？芍缰袡M向振幅與速度的變化關(guān)系不明顯。

4.2.3 橫向加速度

橋梁結(jié)構(gòu)的橫向振動加速度反映了列車對橋跨結(jié)構(gòu)沖擊作用的大小。日本鐵道綜合技術(shù)研究所對于鐵路列車在跨度50 m 以下的鋼橋上進(jìn)行了脫軌試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)梁的橫向加速度達(dá)到1.0～2.0 m/s2時，列車容易脫軌［7］?！稑驒z規(guī)》中規(guī)定梁體橫向振動加速度不應(yīng)超過1.4 m/s2。鋼拱橋?qū)崪y橫向加速度最大值為0.66 m/s2，滿足規(guī)范要求。

鋼拱橋跨中橫向加速度與速度關(guān)系見圖8?？芍?，橫向加速度隨列車速度的增加而增大。

圖7 鋼拱橋跨中橫向振幅與速度關(guān)系

圖8 鋼拱橋跨中橫向加速度與速度關(guān)系

5 脈動試驗(yàn)

梁體自振頻率采用脈動法測定。頻譜分析結(jié)果見圖9。可知實(shí)測橋梁的一階橫向自振頻率為0.92 Hz。1972年橫向自振周期的測試結(jié)果為1.08～1.02 s（即0.93～0.98 Hz）。2 次測試結(jié)果接近，說明梁體橫向剛度變化不大，且滿足設(shè)計要求的橫向自振周期小于1.12 s（即 0.89 Hz）。

圖9 橫向自振頻譜分析結(jié)果

6 結(jié)論

1）橋梁的上拱度與成橋時的上拱度相比出現(xiàn)下降，這是長期運(yùn)營的鋼橋普遍存在的現(xiàn)象。建議定期測量橋梁的上拱度，通過調(diào)節(jié)軌枕或者墊板的高度保持軌道的平順性。

2）靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)結(jié)果表明，橋梁的強(qiáng)度、豎向剛度、應(yīng)力、撓度動力系數(shù)、跨中橫向振幅和跨中橫向加速度均滿足運(yùn)營性能的要求。

3）采用脈動法測得橫向自振頻率為0.92 Hz，滿足設(shè)計要求的橫向自振頻率不小于0.89 Hz。