重載運(yùn)輸條件下64m 單線(xiàn)鋼桁梁橋靜動(dòng)力學(xué)性能分析

牟志鈺

（國(guó)能朔黃鐵路肅寧分公司，河北 滄州 061800）

我國(guó)鐵路橋梁常用的一種結(jié)構(gòu)形式是64m 鋼桁梁，這種結(jié)構(gòu)形式主要應(yīng)用于單線(xiàn)橋，為了提高64m 單線(xiàn)鋼桁梁橋的堅(jiān)固性和穩(wěn)定性，在重載運(yùn)輸條件下，如何科學(xué)地分析和研究64m 單線(xiàn)鋼桁梁橋動(dòng)力學(xué)性能是技術(shù)人員必須思考和解決的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次試驗(yàn)?zāi)康闹饕w現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）通過(guò)采用靜載試驗(yàn)的方式，可以全面了解和掌握橋梁結(jié)構(gòu)所承載的實(shí)際能力。根據(jù)橋梁評(píng)定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病害結(jié)構(gòu)的定量分析和定性分析，然后，通過(guò)分析和判斷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以全面了解和掌握病害與橋梁結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[1]。（2）通過(guò)采用動(dòng)載試驗(yàn)的方式，可以全面了解和掌握橋梁振幅、頻率、加速度等動(dòng)力特性，為后期科學(xué)分析和找出橋梁振動(dòng)規(guī)律提供重要的依據(jù)和參考。此外，列車(chē)行駛速度不同，所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力性能實(shí)測(cè)值也存在一定的差異，在確定橋梁運(yùn)營(yíng)條件時(shí)，技術(shù)人員要充分考慮列車(chē)動(dòng)力性能這一特性。（3）針對(duì)靜動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，充分利用理論計(jì)算相關(guān)知識(shí)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行全方位判斷，同時(shí)，還要根據(jù)靜動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果，不斷修改、優(yōu)化和完善理論計(jì)算模型。（4）采用靜動(dòng)載試驗(yàn)的方式，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和檢測(cè)，為后期評(píng)定和研究橋梁性能提供重要的依據(jù)和參考。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包含結(jié)構(gòu)檢算、靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)三大模塊。其中，結(jié)構(gòu)檢算主要是指按照設(shè)計(jì)荷載檢算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，對(duì)撓度、內(nèi)力等指標(biāo)進(jìn)行控制。靜載試驗(yàn)包含以下環(huán)節(jié)，分別是主要桿件控制截面測(cè)試、活動(dòng)支座縱向測(cè)試、活動(dòng)支座豎向測(cè)試和主梁橫截面撓度測(cè)試。動(dòng)載試驗(yàn)主要包含以下幾個(gè)環(huán)節(jié)，分別是控制界面測(cè)試、桿件動(dòng)力系數(shù)測(cè)試、跨中截面撓度測(cè)試、支座縱向參數(shù)測(cè)試、橋跨結(jié)構(gòu)豎向振幅測(cè)試。

1.3 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

在對(duì)鐵路橋梁進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)的過(guò)程中，經(jīng)常用到以下兩種判別值，一種是行車(chē)安全通常值，另一種是行車(chē)安全限值。一旦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法達(dá)到行車(chē)安全通常值的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求時(shí)，技術(shù)人員要及時(shí)查找、分析超限原因，并對(duì)其進(jìn)行解決。橋梁結(jié)構(gòu)在具體的設(shè)計(jì)中，必須要滿(mǎn)足行車(chē)安全限值這一指標(biāo)，避免因出現(xiàn)超限現(xiàn)象而降低橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。這兩種判別值使用注意事項(xiàng)如下：（1）橋跨結(jié)構(gòu)豎向撓跨比所對(duì)應(yīng)的通常值必須要達(dá)到：1/1250。（2）橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅所對(duì)應(yīng)的鋼桁梁長(zhǎng)度要在40m 到96m 之間。梁體橫向自振頻率必須要符合鐵路橋梁相關(guān)規(guī)定，避免空載貨車(chē)在行駛的過(guò)程中，出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象，此外列車(chē)行駛速度不同所對(duì)應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)橫向自振頻率也會(huì)存在很大的差異，需要技術(shù)人員根據(jù)列車(chē)行駛速度，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)調(diào)整和控制。（3）為了保證鋼桁梁結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、完整性和真實(shí)性，技術(shù)人員要按照如表1 所示的橋梁結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)通常值，不斷提高橋梁結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性和穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足人們的安全出行需求[2]。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)通常值

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)列車(chē)編組

在進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)的過(guò)程中，首先要做好對(duì)試驗(yàn)荷載的控制和確定，同時(shí)還要采用特定編組列車(chē)的方式，實(shí)現(xiàn)鐵路橋梁靜動(dòng)載性能的科學(xué)測(cè)試和試驗(yàn)。此外，還要在充分結(jié)合鐵路橋梁荷載效率的基礎(chǔ)上，完成對(duì)列車(chē)的科學(xué)編組，鐵路橋梁規(guī)范相關(guān)文件明確指出靜動(dòng)載試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的荷載效率必須在0.80～100 之間。為了保證試驗(yàn)列車(chē)編組結(jié)果的準(zhǔn)確性、完整性和真實(shí)性，提高靜動(dòng)載試驗(yàn)荷載效率，要優(yōu)先選用軸重量大、軸間距小的車(chē)輛。然后，采用理論計(jì)算的方式，將本次試驗(yàn)列車(chē)設(shè)置為重列車(chē)，以滿(mǎn)足本線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)需求。此外，還要在綜合考慮靜動(dòng)載試驗(yàn)荷載效率、機(jī)車(chē)智能性等因素的基礎(chǔ)上，將試驗(yàn)列車(chē)編組的機(jī)車(chē)型號(hào)設(shè)置為DF4B，將滿(mǎn)載重車(chē)和空車(chē)分別設(shè)置為8 輛。通過(guò)利用相關(guān)計(jì)算軟件，完成對(duì)鐵路橋梁有限元模型的構(gòu)建，在荷載影響下，精確計(jì)算和設(shè)計(jì)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的彎矩和撓度值，然后嚴(yán)格按照靜動(dòng)載試驗(yàn)荷載效率相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，科學(xué)控制和確定試驗(yàn)列車(chē)荷載值以及具體的加載位置。

2.2 試驗(yàn)工況

將靜動(dòng)載試驗(yàn)過(guò)程、靜載試驗(yàn)過(guò)程、動(dòng)載試驗(yàn)過(guò)程分別劃分為11 工況、2 工況、9 工況。然后在進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)的過(guò)程中，要采用控制試驗(yàn)橋梁區(qū)間的方式，保證列車(chē)行駛速度的平穩(wěn)性，同時(shí)還要提取和匯總所有工況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將最終的匯總結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，在保證工況關(guān)鍵數(shù)據(jù)滿(mǎn)足相關(guān)理論值的基礎(chǔ)上，盡可能提高工況的安全儲(chǔ)備值，為開(kāi)展下一工況測(cè)試工作提供重要的依據(jù)和參考，一旦發(fā)現(xiàn)工況關(guān)鍵數(shù)據(jù)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)值范圍，需要在第一時(shí)間暫停試驗(yàn)操作[3]。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

鋼桁梁靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)總體布置示意圖如圖1 所示，在上弦桿、下弦桿、橋門(mén)架斜桿、斜桿以及豎桿的某一截面上設(shè)置五個(gè)不同的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；在縱梁上下翼緣和橫梁的上下翼緣的同一截面上設(shè)置兩個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖1 鋼桁梁靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)總體布置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1 撓度測(cè)試結(jié)果分析

在試驗(yàn)列車(chē)的影響下，鐵路橋梁主桁撓度、縱橫梁撓度和支座位移三個(gè)參數(shù)的實(shí)測(cè)值如表2 和圖2 所示。

表2 主桁撓度、縱橫梁撓度及支座位移實(shí)測(cè)值

圖2 主桁撓度、縱橫梁撓度及支座位移實(shí)測(cè)值柱狀圖

從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，在試驗(yàn)列車(chē)的影響下，主桁撓度實(shí)測(cè)值、理論值以及校驗(yàn)系數(shù)分別達(dá)到了39.71mm、42.38mm 和0.94。經(jīng)過(guò)換算處理后，在活載影響下，撓跨比達(dá)到了1/1499，撓度校驗(yàn)系數(shù)超過(guò)了鐵路橋梁相關(guān)規(guī)定值，但是撓跨度卻低于鐵路橋梁相關(guān)規(guī)定值，同時(shí)鐵路橋梁豎向剛度的安全儲(chǔ)備能力較低。

3.1.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

在試驗(yàn)列車(chē)影響下，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析，得知鋼桁梁桿件硬度不達(dá)標(biāo)，有待加強(qiáng)。朔黃鐵路南運(yùn)河特大橋位于黃河地區(qū)，該地區(qū)環(huán)境比較潮濕，部分構(gòu)件出現(xiàn)嚴(yán)重侵蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了橋梁剛度，為了保證橋梁的堅(jiān)固性和穩(wěn)定性，技術(shù)人員要加強(qiáng)對(duì)橋梁銹蝕部位的除銹操作，同時(shí)還要做好防銹保護(hù)工作，在條件允許的情況下，可以對(duì)全橋進(jìn)行全方位的防銹處理，為進(jìn)一步提高橋梁的穩(wěn)定性、可靠性和安全性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，為了有效地解決橋梁部分桿件剛度不足問(wèn)題，還要采用增加鋼板的方式，盡可能擴(kuò)大桿件的橫截面積，以達(dá)到提高橋梁結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性的目的。另外，還要在綜合考慮施工難度、施工需求的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照施工連續(xù)運(yùn)營(yíng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，做好對(duì)桿件的栓接處理。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅

橋跨結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅，在試驗(yàn)列車(chē)的影響下，當(dāng)橋跨結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅地域鐵路橋梁規(guī)定值時(shí)，橋梁體橫向剛度較大，且安全儲(chǔ)備能力較高。當(dāng)列車(chē)速度在5km/h～50km/h 之間時(shí)，在列車(chē)行駛速度的不斷提高下，橫向振幅對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)。當(dāng)列車(chē)行駛速度超過(guò)50km/h 時(shí)，橫向振幅對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值有所下降，并逐漸向平穩(wěn)不變的趨勢(shì)轉(zhuǎn)變，由此可見(jiàn)，當(dāng)列車(chē)行駛速度在60km/h 到80km/h 之間時(shí)，如果列車(chē)行駛速度不斷上升，不會(huì)對(duì)橫向振幅產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

3.2.2 橋跨結(jié)構(gòu)橫向加速度

橫向加速度主要是指在單位時(shí)間內(nèi)，對(duì)速度改變的幅度，真實(shí)地反映出了橋梁結(jié)構(gòu)橫向受力實(shí)際情況。橋跨結(jié)構(gòu)跨中橫向加速度。對(duì)于橋跨結(jié)構(gòu)而言，其橫向加速度如果低于鐵路橋梁規(guī)定值，那么隨著列車(chē)行駛速度的不斷提高，橫向加速度會(huì)呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，當(dāng)列車(chē)行駛速度在20km/h 與30km/h 之間時(shí)，橫向加速度值達(dá)到最低。由此可見(jiàn)，對(duì)于橋跨結(jié)構(gòu)而言，其跨中橫向振幅與動(dòng)力系數(shù)均符合鐵路橋梁相關(guān)規(guī)范和要求。

3.2.3 橋跨結(jié)構(gòu)豎向振幅

對(duì)于橋跨結(jié)構(gòu)而言，其豎向振幅在某種程度上可以真實(shí)、形象地反映出橋跨結(jié)構(gòu)的豎向剛度大小，橋跨結(jié)構(gòu)豎向振幅在列車(chē)行駛速度的不斷上升下，橋跨結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的豎向振幅實(shí)測(cè)值也呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，并且上升幅度逐漸增大，由此可見(jiàn)，列車(chē)速度的大小對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)豎向振幅產(chǎn)生直接性的影響。

3.2.4 墩頂橫向及縱向振幅

對(duì)于橋墩墩頂而言，其橫向振幅值可以直觀、形象地反映出橋墩橫向強(qiáng)度和剛度。當(dāng)列車(chē)行駛速度不斷上升，橋墩墩頂橫向振幅所對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，始終低于通常值，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是橋墩高寬比在2.5 以下，被視為“低墩領(lǐng)域”，由此可見(jiàn)，對(duì)于橋墩墩頂而言，其橫向強(qiáng)度和剛度相對(duì)較高，且具有良好的安全儲(chǔ)備能力。另外，當(dāng)列車(chē)行駛速度不斷上升時(shí)，橋墩墩頂縱向振幅所對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，由此可見(jiàn)，列車(chē)行駛速度的大小直接影響了橋墩墩頂?shù)目v向振幅。因此，為了科學(xué)調(diào)整和控制橋墩墩頂縱向振幅，技術(shù)人員要重視對(duì)列車(chē)行駛速度這一因素的控制，只有這樣，才能提高橋梁結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性和穩(wěn)定性，為保障人們出行的安全性和方便性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，列車(chē)的行駛速度是影響橋跨縱向振幅、豎向振幅的重要因素。所以，為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性和堅(jiān)固性，技術(shù)人員要重視對(duì)列車(chē)行駛速度的科學(xué)控制和調(diào)整，確保人們出行的安全性和方便性，為促進(jìn)鐵路行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展提供有力的保障。