淺談跨座式單軌3m×20m小半徑剛構(gòu)梁橋受力性能

王玉林

中鐵（上海）投資集團(tuán)有限公司 上海 200120

引言

跨座式單軌是通過(guò)單根梁式軌道支持車輛的運(yùn)營(yíng)荷載并在運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)向車輛，保證車輛運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定，車輛采用橡膠輪胎騎在軌道梁上運(yùn)行的軌道交通制式[1]。跨座式單軌屬中等運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)為噪聲低、適應(yīng)性強(qiáng)、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、能有效適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌環(huán)境[2]。

軌道梁是支撐、引導(dǎo)跨座式單軌列車運(yùn)行的主要結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)興起于20世紀(jì)70年代的日本。在日本，跨座式軌道梁結(jié)構(gòu)體系主要采用簡(jiǎn)支或連續(xù)鉸支的結(jié)構(gòu)體系，梁體類型主要采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，對(duì)于中大跨度采用連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)[3]。國(guó)內(nèi)跨座式軌道結(jié)構(gòu)體系和日本類似，也大量采用簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁，部分跨度較大或特殊地段采用鋼軌道梁或雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)軌道梁。蕪湖1號(hào)線全部采用高架線路，考慮到運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等因素，1號(hào)線大量采用了這種先簡(jiǎn)支后連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力軌道梁。為驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)的靜力性能及動(dòng)力性能，選取蕪湖1號(hào)線一座跨度3m×20m的小半徑連續(xù)剛構(gòu)PC梁，按照設(shè)計(jì)最不利荷載模式組織運(yùn)營(yíng)車輛進(jìn)行了靜、動(dòng)載試驗(yàn)，本文重點(diǎn)介紹了本次試驗(yàn)的方法、過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)論。

1 結(jié)構(gòu)概況

試驗(yàn)橋?yàn)橐宦?lián)跨度3m×20m的曲線連續(xù)剛構(gòu)PC軌道梁橋，曲線半徑R=122.3，位于蕪湖軌道1號(hào)線衡山路站～龍山路站QJ04-30號(hào)墩～QJ04-33號(hào)墩。該試驗(yàn)梁段為先簡(jiǎn)支后連續(xù)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛性結(jié)構(gòu)。蓋梁按部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，墩柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

PC梁截面采用實(shí)心矩形截面，跨中梁高1.600m，支點(diǎn)梁高2.200m，梁寬0.69m，每聯(lián)梁?jiǎn)蝹?cè)梁縫取值25mm。墩柱采用矩形截面，蓋梁采用花瓶型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)橫斷面布置示意圖見圖。

預(yù)制部分梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60。橋墩蓋梁頂以下5m范圍內(nèi)先澆段采用C50混凝土，后澆段采用強(qiáng)度等級(jí)為C50的干硬性補(bǔ)償收縮混凝土。墩底以上（H-5000）范圍內(nèi)采用C40混凝土。

設(shè)計(jì)活載采用6輛編組的車輛荷載，軸重P=138KN。沖擊系數(shù)：μ=20/（50+L）（混凝土結(jié)構(gòu)）。

2 試驗(yàn)荷載及方法

2.1 靜載試驗(yàn)

2.1.1 加載方式。采用與設(shè)計(jì)空載軸重（AW0狀態(tài)）相同的試運(yùn)營(yíng)列車，每節(jié)車廂按照設(shè)計(jì)荷載均勻配置沙袋，直至達(dá)到設(shè)計(jì)軸重（AW3狀態(tài)）。列車按設(shè)計(jì)計(jì)算最不利加載位置緩慢移動(dòng)，依次布置于軌道梁頂面指定位置。

2.1.2 加載計(jì)算。采用Midas軟件建立有限元分析模型，分別選取邊跨（A截面）、中跨（C截面）最大正彎矩截面和墩頂（B截面）最大負(fù)彎矩截面進(jìn)行加載計(jì)算。

2.1.3 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試內(nèi)容。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及車輛運(yùn)行特點(diǎn)，在測(cè)試截面底緣最不利區(qū)布置應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn)，測(cè)試典型截面應(yīng)力、撓度值，分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度狀況。

2.1.4 荷載效率。荷載效率的計(jì)算公式如下：

式中：Sstat——在試驗(yàn)荷載作用下，檢測(cè)部位的變位或力的計(jì)算值；

S——在標(biāo)準(zhǔn)活載作用下，檢測(cè)部位的變位或力的計(jì)算值；

（1+μ）——檢定取用的動(dòng)力系數(shù)。

本橋設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)取為1.286，采用與設(shè)計(jì)相同軸重的荷載加載，因此荷載效率為0.778。

當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程發(fā)生以下狀況時(shí)，應(yīng)立即停止試驗(yàn)，并查找分析故障原因，在確?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員及橋梁結(jié)構(gòu)處于完全安全的狀態(tài)下，方可恢復(fù)加載。

2.1.4.1 橋梁沿跨徑長(zhǎng)度方向的撓度曲線分布規(guī)律與理論模型計(jì)算分析結(jié)果有明顯差距時(shí)。

2.1.4.2 控制截面測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)撓度值或應(yīng)力值已達(dá)到或超過(guò)規(guī)定的控制極限時(shí)。

2.1.4.3 橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫寬度或長(zhǎng)度迅速增加，或超過(guò)允許裂縫寬度值的裂縫迅速增多，或有大量新的裂縫產(chǎn)生時(shí)。

2.1.4.4 試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生其他影響橋梁承載能力或正常使用的損壞時(shí)。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

2.2.1 加載方式。采用達(dá)到設(shè)計(jì)軸重的列車，按照設(shè)計(jì)運(yùn)行圖進(jìn)行逐級(jí)提速跑車試驗(yàn)，分級(jí)速度分別為5、30、50、60、80km/h，試驗(yàn)最高速度為設(shè)計(jì)運(yùn)行圖規(guī)定速度值。

2.2.2 測(cè)試內(nèi)容。分別在邊跨中、墩頂、中跨中位置布置豎向、橫向振幅、橫向加速度測(cè)點(diǎn)，掌握結(jié)構(gòu)在不同車速下動(dòng)力響應(yīng)情況，參考鐵路相關(guān)規(guī)范評(píng)價(jià)橋梁舒適度狀況；對(duì)比分析結(jié)構(gòu)自振頻率與理論計(jì)算自振頻率，了解結(jié)構(gòu)整體剛度情況，圖1、2分別給出了理論計(jì)算一階豎向、橫向振型及頻率值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

數(shù)據(jù)采集分析階段主要工作包含：①理論計(jì)算分析。按照被檢橋梁實(shí)際加載狀況對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力和變形進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)、裂縫寬度等數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)解析。分析處理荷載試驗(yàn)原始記錄，提取原始數(shù)據(jù)中有價(jià)值的關(guān)鍵信息。③報(bào)告的編寫。通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算值的分析比對(duì)，對(duì)本次荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，形成橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告。

3.1 靜載試驗(yàn)

3.1.1 應(yīng)變分析。實(shí)測(cè)A、B、C截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別為0.938、0.537、0.595，截面主控測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0。

3.1.2 撓度分析。實(shí)測(cè)A、C截面撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.965、0.829，實(shí)測(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果探討。主控截面應(yīng)變與撓度測(cè)試結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)最不利情況下，實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、撓度均小于理論計(jì)算值，也就是校驗(yàn)系數(shù)小于1.0；另外，試驗(yàn)荷載卸除后各測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余也均小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性變形狀態(tài)；參考《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）8.3條關(guān)于荷載試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定的相關(guān)內(nèi)容，結(jié)構(gòu)的承載能力滿足使用要求。

另外也可以看到，本次試驗(yàn)的連續(xù)剛構(gòu)軌道梁，試驗(yàn)荷載相對(duì)明確、截面特性也與理論相差不大，這種試驗(yàn)方式接近梁場(chǎng)預(yù)制梁的原位試驗(yàn)，從以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看這種單梁試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)基本接近1.0，而本試驗(yàn)邊跨應(yīng)力、撓度校驗(yàn)系數(shù)也接近1.0，中跨由于受空間體系、橋墩實(shí)際約束剛度等因素的影響，實(shí)測(cè)校驗(yàn)系數(shù)略小。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

3.2.1 自振頻率分析。實(shí)測(cè)梁體豎向一階自振頻率10.74Hz，大于理論計(jì)算值（9.82Hz）；實(shí)測(cè)墩梁一體橫向一階自振頻率2.637Hz，大于理論計(jì)算頻率（2.60 Hz）。實(shí)測(cè)頻率結(jié)果表明結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)頻譜分析可知，由于墩柱較輕柔，結(jié)構(gòu)縱向振動(dòng)特征明顯，因此在豎向振動(dòng)頻譜圖中存在明顯的在低頻段振動(dòng)（5Hz以內(nèi)），縱向振動(dòng)與豎向振動(dòng)形成耦合振動(dòng)，因此，對(duì)類似軌道梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性設(shè)計(jì)驗(yàn)算分析時(shí)，應(yīng)充分考慮這種空間特點(diǎn)。

3.2.2 動(dòng)力響應(yīng)分析。①實(shí)測(cè)試驗(yàn)列車作用下梁體邊跨、中跨跨中橫向振動(dòng)加速度（10Hz濾波）最大值分別為0.366、0.373m/s2，該值滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》對(duì)橋梁橫向加速度限值1.4m/s2的要求，同時(shí)該值隨車速增加未出現(xiàn)明顯增大，表明振動(dòng)舒適度上沒有明顯降低；②實(shí)測(cè)梁體跨中豎向、橫向振幅隨車速增大存在輕微增大的趨勢(shì)。結(jié)果表明，這種類型結(jié)構(gòu)對(duì)車輛速度變化的反應(yīng)并不是太敏感。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3m×20m小半徑跨座式連續(xù)剛構(gòu)梁橋的靜、動(dòng)載試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

靜載試驗(yàn)下結(jié)構(gòu)主控截面的應(yīng)變及撓度數(shù)值均小于理論計(jì)算數(shù)值，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足受力要求。

受空間效應(yīng)的影響，連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)較中跨偏大。

實(shí)測(cè)橋梁連續(xù)剛構(gòu)豎向、橫向一階頻率均大于理論分析計(jì)算值，測(cè)試結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求；高墩跨座式連續(xù)剛構(gòu)橋橫向自振頻率體現(xiàn)為墩梁一體的橫向自振頻率，同時(shí)梁體豎向振動(dòng)與橋墩縱向振動(dòng)耦合明顯。

梁體振動(dòng)橫向加速度值小于參考限值要求，梁體橫向舒適度滿足規(guī)范要求。

試驗(yàn)表明，3m×20m小半徑跨座式連續(xù)剛構(gòu)梁橋靜動(dòng)力性能滿足使用要求。