大跨度簡支拱形鋼桁梁橋靜動力性能試驗研究

孟令強

（1.鐵正檢測科技有限公司，濟南 250014；2.中鐵十四局集團有限公司，濟南 250014）

橋梁承載能力評估方法［1］主要包括外觀調(diào)查、橋梁檢算、荷載試驗、可靠度分析、專家系統(tǒng)評估、模糊數(shù)學(xué)評估等。因橋梁荷載試驗的評定結(jié)果更直觀、可靠，該方法被廣泛采用。橋梁荷載試驗通過在橋梁結(jié)構(gòu)上施加與控制荷載［2］相當?shù)耐夂奢d，采用分級加載的方法，利用檢測儀器測試橋梁結(jié)構(gòu)指定部位在各級試驗荷載作用下的應(yīng)力、位移、裂縫、速度、加速度、振幅等，將測試值與對應(yīng)荷載作用下的計算值及相關(guān)規(guī)范限值對比，從而了解橋跨結(jié)構(gòu)的工作狀況，檢驗實際承載能力，判斷其使用壽命。

大跨度鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)由于具有受力好、重量輕、跨度大、滿足較高強度和剛度要求等優(yōu)點，成為跨越河流、深溝峽谷的理想橋型，在我國鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。文獻［3-9］對高速鐵路和普速鐵路中存在的簡支、連續(xù)鋼桁梁進行了理論分析和現(xiàn)場荷載試驗研究，但針對大跨度簡支拱形鋼桁梁橋相關(guān)試驗研究卻很少。

本文以京張高鐵官廳水庫特大橋主橋為對象，通過理論分析和現(xiàn)場靜動載試驗，開展橋梁靜動力性能試驗研究，檢驗橋梁整體靜動力性能是否滿足設(shè)計及規(guī)范要求，為交工驗收提供參考數(shù)據(jù)。

1 工程概況

京張高速鐵路是2022年北京冬奧會重要交通保障設(shè)施，是世界上首條最高設(shè)計時速350 km 的智能、抗高寒、抗大風沙高速鐵路。官廳水庫特大橋是京張高速鐵路全線控制性工程之一，橋梁全長9077 m，雙線設(shè)計，線間距5.0 m。橋梁平面位于直線上，縱斷面位于2.0‰的上坡段和-2.0‰的下坡段，豎曲線半徑25 km。主引橋過渡墩采用分離式墩身，在兩側(cè)引橋混凝土箱梁與主橋鋼梁之間設(shè)置阻尼器。主橋采用8×110 m簡支鋼桁梁結(jié)構(gòu)（圖1），是我國修建的第一座大跨簡支拱形鋼桁梁橋，設(shè)計活載為ZK活載。

圖1 官廳主橋

主橋單孔鋼梁長109.7 m、質(zhì)量1863 t，鋼梁采用上弦變高度桁式結(jié)構(gòu)，近似拱形。主桁支點高11.0 m，跨中高19.0 m，寬13.8 m，節(jié)間長10.8 m；橋面系為正交異性鋼橋面板；鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)主桁桿件及鋼橋面板采用Q370qE 鋼，上平縱聯(lián)桿件及橋門架、中間橫聯(lián)桿件采用Q345qE 鋼。軌道采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，無縫線路，60 kg/m 的重軌。鋼梁支座均采用球型鋼支座，每孔梁設(shè)置1 套固定支座、縱向活動支座、橫向活動支座和多向活動支座。

2 靜載試驗

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil 2019 建立110 m 簡支拱形鋼桁梁橋空間桿系有限元模型進行ZK 活載和試驗荷載作用下的桿件應(yīng)力及結(jié)構(gòu)整體變形分析。模型主桁、拱肋、橫聯(lián)、橫梁、縱梁采用梁單元；門架、上平聯(lián)斜桿采用桁架單元；橋面板及U 肋、I肋采用板單元。ZK 活載作用下結(jié)構(gòu)整體變形見圖2。

圖2 ZK活載作用下結(jié)構(gòu)整體變形（單位：mm）

考慮第8 跨橋面搭設(shè)有腳手架，橋下檢測小車?？吭诖丝?，便于安裝傳感器。因此，選取第8孔鋼桁梁進行靜載試驗。靜載測點布置見圖3。

圖3 靜載測點布置

2.2 測試方法

1）應(yīng)力測試。采用弦式應(yīng)變傳感器進行應(yīng)變測試，同時配套自動化綜合測試系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)力測試數(shù)據(jù)的實時采集、處理和預(yù)警。

2）撓度觀測。采用2臺高精度電子水準儀分別進行上行側(cè)、下行側(cè)主桁下弦節(jié)點位置的撓度觀測。

3）支座縱向位移及梁端轉(zhuǎn)角測試。采用百分表測試支座縱向位移和梁端豎向位移，通過計算將梁端豎向位移轉(zhuǎn)化為梁端轉(zhuǎn)角。

2.3 試驗荷載及工況

根據(jù)橋梁截面控制桿件的軸力影響線確定最不利輪位，按最大試驗荷載進行分級加載。靜載試驗中要求荷載效率處在0.8 ～1.0。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用DF4機車、K13型和K13K型風動卸砟車進行加載，列車編組為1×DF4+2×K13（滿載）+4×K13K（滿載），左右線各1 列。不同工況加載輪位見圖4。加載車理論軸重和軸距見圖5。測試對象的荷載效率見表1。

圖4 不同工況加載輪位（單位：kN）

圖5 加載車理論軸重和軸距（單位：mm）

表1 靜載試驗測試對象荷載效率

2.4 測試結(jié)果分析

2.4.1 應(yīng)力測試結(jié)果

最不利工況下橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試結(jié)果見表2?？芍簯?yīng)力校驗系數(shù)為0.48 ～0.89，均小于1.0，表明結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求［10］；相對殘余應(yīng)力為5.50% ～9.28%，滿足規(guī)范相對殘余應(yīng)力小于20%的要求［2］。

表2 橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試結(jié)果

2.4.2 撓度測試結(jié)果

最不利工況下橋跨結(jié)構(gòu)撓度測試結(jié)果見表3?？芍簱隙刃ｒ炏禂?shù)為0.72 ～0.79，均小于1.0；根據(jù)表2 中的荷載效率將主桁跨中節(jié)點實測撓跨比換算為ZK 活載對應(yīng)的撓跨比1/5230，滿足設(shè)計文件中小于1/3396 的要求，遠小于規(guī)范限值1/1500［11］；相對殘余撓度為1.53%～2.36%，滿足規(guī)范相對殘余撓度小于20%的要求。

表3 橋跨結(jié)構(gòu)撓度測試結(jié)果

2.4.3 梁端轉(zhuǎn)角測試結(jié)果

梁端轉(zhuǎn)角測試結(jié)果見表4。可知：中縱梁梁端轉(zhuǎn)角最大值為1.260 ‰rad，換算為ZK 活載的轉(zhuǎn)角最大值為1.416‰rad，小于規(guī)范轉(zhuǎn)角限值1.616‰rad。

表4 梁端轉(zhuǎn)角測試結(jié)果 ‰rad

2.4.4 支座縱向位移測試結(jié)果

試驗荷載作用下E0 支座最大縱向位移僅有1.24 mm，發(fā)生在張家口方向，遠小于理論值8.85 mm。主要原因是支座摩擦力約束了部分縱向位移。

綜上，應(yīng)力測試結(jié)果滿足規(guī)范相關(guān)要求，撓度、梁端轉(zhuǎn)角和支座縱向位移實測值均滿足要求，且殘余撓度較小，彈性恢復(fù)能力較強，表明橋梁結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，彈性工作狀態(tài)良好。

3 動載試驗

3.1 試驗內(nèi)容

1）動力特性試驗。利用自然激勵采用振動傳感器對橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率進行測試。

2）動力響應(yīng)試驗。測試正常運營列車過橋時橋梁振動規(guī)律、動應(yīng)力和動撓度變化規(guī)律，以及橋梁安全運營的其他技術(shù)參數(shù)。

動力特性試驗測點布置：在左桁下弦各節(jié)點布置橫向、豎向振動測點，在左桁上弦各節(jié)點布置橫向振動測點，在右桁下弦各節(jié)點布置豎向振動測點。動力響應(yīng)試驗測點布置見表5。

表5 動力響應(yīng)試驗測點布置

3.2 測試方法

1）動力特性試驗。選用中國地震局工程力學(xué)研究所研制生產(chǎn)的941B型傳感器及配套放大器，匹配北京東方振動研究所INV-306U 動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率128 Hz。

2）動力響應(yīng)試驗。振動測試同樣選用941B 型傳感器及配套放大器，匹配INV-306U 采集系統(tǒng)，采樣頻率512 Hz；動應(yīng)變測試選用應(yīng)變片匹配揚州晶明JM3848 無線動靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，采樣頻率128 Hz；動撓度測試選用北京光電技術(shù)研究所研制生產(chǎn)的BJQN-5B型橋梁撓度檢測儀。

選用儀器的主要技術(shù)指標見表6。

表6 選用儀器的主要技術(shù)指標

3.3 測試結(jié)果分析

3.3.1 動力特性測試結(jié)果

1）自振頻率。通過對自然激勵下所得時程曲線進行頻譜分析，基于FFT（Fast Fourier Transform）方法得到自振頻率實測值，見表7。

表7 自振頻率實測值及理論值 Hz

由表7 可知：實測橋跨橫向自振頻率（1.61 Hz）大于理論計算值（0.73 Hz），表明該橋橫向剛度足夠；實測橋跨豎向自振頻率（2.44 Hz）大于理論計算值（1.95 Hz），表明該橋豎向剛度足夠。

2）阻尼比。截取橋梁結(jié)構(gòu)過車后的余振信號，采用INV 阻尼計法計算得到該橋第1 階阻尼比為1.58%，與一般鋼結(jié)構(gòu)阻尼比1.00%～3.00%接近。

3.3.2 動力響應(yīng)測試結(jié)果

采用中國鐵路總公司統(tǒng)一調(diào)配的CRH380AJ-0203（8 輛編組）綜合檢測列車按照規(guī)定的速度級進行3 個單程的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測試。綜合檢測列車作用下實測數(shù)據(jù)最大值見表8。

由表8可知：

表8 綜合檢測列車作用下實測數(shù)據(jù)最大值

1）跨中振幅。①實測跨中橫向振幅最大值為0.15 mm，實測跨中豎向振幅最大值為1.01 mm，實測墩頂橫向振幅最大值為0.050 mm，小于規(guī)范通常值0.051 mm［12］，滿足要求；②梁體跨中、墩頂橫向振幅與行車速度關(guān)系不明顯，梁體跨中豎向振幅隨行車速度的提高而增大；③實測梁體跨中橫向、豎向振幅及墩頂橫向振幅均較?。虎茉谠囼炣囁俜秶鷥?nèi)未發(fā)生共振現(xiàn)象。

2）跨中豎向加速度。實測跨中豎向加速度最大值為0.65 m/s2，滿足在強振頻率（小于等于20 Hz）作用下，橋面豎向振動加速度限值5.0 m/s2的要求［13］；梁體跨中豎向加速度與行車速度關(guān)系不明顯。

3）動應(yīng)變動力系數(shù)。由于A1′E0′，A5E4 桿件的動應(yīng)變動力系數(shù)實測值小于E4E5 桿件，因此表中僅給出了E4E5桿件的實測數(shù)據(jù)。E4E5桿件動應(yīng)變動力系數(shù)最大值為1.20，動應(yīng)變動力系數(shù)與行車速度關(guān)系不明顯。

另外，對E0橫梁動撓度及動應(yīng)變動力系數(shù)進行了測試。綜合檢測列車作用下，E0橫梁豎向動撓度最大值為0.38 mm，滿足限值1.0 mm 的要求［13］；動應(yīng)變動力系數(shù)最大值為1.14，對應(yīng)的速度級為330 km/h。

4 結(jié)論

針對110 m 雙線下承式拱形鋼桁梁橋進行了理論分析和現(xiàn)場靜動載性能試驗研究，得到結(jié)論如下：

1）靜力荷載作用下主桁主要受力桿件應(yīng)力實測值均小于理論計算值，表明結(jié)構(gòu)的強度滿足設(shè)計要求；主桁下弦節(jié)點及端橫梁跨中節(jié)點撓度、中縱梁梁端轉(zhuǎn)角、支座縱向位移實測值均滿足要求，且殘余撓度較小，彈性恢復(fù)能力較強，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，彈性工作狀態(tài)良好。

2）梁體跨中橫向振幅、墩頂橫向振幅、梁體跨中豎向加速度、動力系數(shù)與行車速度關(guān)系不明顯，但梁體跨中豎向振幅隨行車速度的提高而增大；在試驗車速范圍內(nèi)未發(fā)生共振現(xiàn)象。

3）墩頂橫向振幅、梁體跨中豎向加速度、端橫梁豎向動撓度均滿足規(guī)范要求；梁體橫向、豎向自振頻率大于理論計算值，表明該橋有足夠的橫向、豎向剛度。