洛湛鐵路石良角潯江特大橋主橋(64+2×104+64)m單線鐵路連續(xù)梁荷載試驗與結(jié)構(gòu)評定

盛興旺,李金光

(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,長沙 410075)

1 工程概述

洛湛鐵路系Ⅰ級干線單線鐵路,設(shè)計時速為 140 km。潯江特大橋位于廣西梧州,跨越潯江,主橋為(64+2×104+64)m 4跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋,全長337.3m。單箱單室結(jié)構(gòu),縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系?？缰辛焊?4.5m、支點梁高 7.6m、箱梁頂全寬 7.0m、箱梁底寬 5.0m、全橋頂板厚 42 cm,邊跨端塊處頂板厚由 42 cm漸變至 80 cm,底板厚 40～90 cm,腹板厚40～70 cm。17號、21號兩邊墩采用圓端形實體墩,18號、19號、20號墩采用圓端形空心墩。該連續(xù)梁采用輕型掛籃分段懸臂澆筑施工。

2 靜載試驗

靜載試驗是使試驗荷載在指定位置對橋梁進(jìn)行加載,測試橋面撓度、梁體控制截面應(yīng)變的增量,確定橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)與設(shè)計期望值是否相符,并判定結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、運營安全度。它是檢驗橋梁結(jié)構(gòu)強度、剛度等的最直接、有效的方法[1～3]。

2.1 測點布置

位移測點:選取了 11個控制截面,每個截面在橋面左右對稱設(shè)置 2個測點,共計 22個位移測點,如圖1所示。

應(yīng)變測點:選取 5個控制截面,分別為圖1中的3、7、9、13、15號截面。每個截面在頂 、底板布置縱向應(yīng)變測點;3、9、15號截面在頂板底中部布置橫向測點;7、15號截面在腹板中性軸位置布置應(yīng)變花。

2.2 試驗荷載及工況

試驗荷載采用等效荷載法確定。結(jié)合該橋?qū)嶋H情況,選擇了 5種最不利荷載工況進(jìn)行靜載試驗,靜載試驗工況如表1所示。為了確定各種工況的最不利等效荷載,采用橋梁計算軟件 MIDAS計算在設(shè)計荷載作用下的各控制截面的最大設(shè)計彎矩,按影響線采用等效加載方式確定實際加載車輛數(shù)及其縱向布置。測試工況見表1。

表1 試驗工況列車編組及荷載效率

2.3 靜載試驗結(jié)果分析

校驗系數(shù)是反映靜載試驗結(jié)果數(shù)據(jù)有效性以及結(jié)構(gòu)受力合理性的一個重要參數(shù),它是某一測點的實測值與相應(yīng)的理論計算值的比值,實測值可以是撓度、位移、應(yīng)力或力的大小。結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下產(chǎn)生效應(yīng)(應(yīng)力、撓度)的理論值是按照實際結(jié)構(gòu)尺寸建立MIDAS空間三維有限元模型計算得到的。

2.3.1 應(yīng)變分析(表2、圖2、圖3)

(1)箱梁截面縱向及橫向應(yīng)變分析

各試驗工況荷載作用下各測試截面實測應(yīng)變結(jié)果列于表2,試驗結(jié)果表明:

①實測縱向、橫向應(yīng)變值均小于理論值,校驗系數(shù)主要分布在 0.6～0.7,均較預(yù)應(yīng)力混凝土梁的通常值0.6～0.9[4]為低。其差值分析認(rèn)為主要來源于結(jié)構(gòu)剛度(實際的大)和彈性模量(實際的彈性模量高于理論值)的影響;

②箱梁在試驗荷載下縱向應(yīng)變沿豎向截面變化情況符合平截面變形規(guī)律。

表2 各工況縱向及橫向應(yīng)變測試結(jié)果

(2)箱梁支點截面主應(yīng)變分析

實測 7、13號截面腹板最大主拉應(yīng)變?yōu)?27.1με,最大主壓應(yīng)變?yōu)?24.3με,小于理論計算值,更遠(yuǎn)小于材料容許值。

2.3.2 撓度測試結(jié)果處理(表3、圖4、圖5)

由表3和圖4、圖5可知:

(1)實測撓度曲線和理論計算撓度曲線形狀和規(guī)律吻合,校驗系數(shù)為 0.70～0.80,符合《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]的要求,也表明實際結(jié)構(gòu)剛度大于理論剛度;

(2)按實測值換算到中-活載時的撓跨比,中跨跨中最大撓跨比為 1/2 726,邊跨跨中最大撓跨比為 1/6 720,滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]第 10.0.3條的要求。

表3 各工況撓度測試結(jié)果

3 動載試驗

結(jié)構(gòu)的動力分析主要研究結(jié)構(gòu)在動荷載(如行駛車輛、風(fēng)、地震荷載)作用下的力學(xué)行為,其內(nèi)容主要包括確定結(jié)構(gòu)的自振特性以及動力激勵源作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。通過檢測橋梁的自由振動特性及在豎向動荷載(車輛移動與沖擊)作用下的強迫振動反應(yīng),判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和行車性能,從而評價橋梁的動力性態(tài)。

3.1 測點布置及測試設(shè)備

3.1.1 振動測試

振動測點的布置選在各跨跨中及支點位置,剎車試驗時把 19號～20號墩跨中橫向傳感器變?yōu)轫槝蛳?。具體布置如圖6所示。

圖6 動力測點布置

振動測試時,加速度或位移振動信號由 941B型拾振器拾取,經(jīng)相應(yīng)的放大器放大后,進(jìn)入 INV306振動分析儀的數(shù)采裝置進(jìn)行采集并記錄,并可實時在筆記本電腦上觀察采集的時程曲線。

3.1.2 動力系數(shù)測試

動力系數(shù)采用測動應(yīng)變的方法測試。動應(yīng)變測試需布置電阻應(yīng)變測點,電阻應(yīng)變計布置在 17號～18號墩、18號墩～19號墩跨跨中截面箱梁頂板底面,2個測點。采用半橋溫度補償技術(shù)進(jìn)行測試,動應(yīng)變的數(shù)據(jù)采集采用 DH5937動態(tài)測試系統(tǒng)進(jìn)行。

3.2 行車動力響應(yīng)測試及結(jié)果分析

試驗列車以 40、60、80 km/h速度駛過大橋,測量橋梁各主要特征部位的動力響應(yīng),如橋跨結(jié)構(gòu)動位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)、動力系數(shù)等。每個車速跑車 3～4次。

實測該橋主梁邊、中跨最大豎向振幅分別為 0.85 mm和 1.04mm,該橋豎向振幅較小,豎向剛度能滿足行車要求。

實測該橋主梁邊、中跨最大橫向振幅分別為 0.81 mm和 1.06mm,該橋橫向振幅較小,橫向剛度能滿足行車要求。

實測該橋邊、中跨跨中最大橫向加速度分別為0.13m/s2和 0.24m/s2,該值均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]規(guī)定的當(dāng)列車通過時,橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動加速度不應(yīng)超過 1.4m/s2的限值。

實測該橋兩中墩(18號、19號墩)墩頂橫向最大振幅別為 0.76mm和 0.93mm,小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的鐵路橋梁墩頂橫向振幅通常值 1.68mm((Amax)5%=H/25+0.4=1.68mm);固定墩 (19號墩)順橋向最大振幅為 0.58mm。

實測邊跨最大應(yīng)力動力系數(shù)為 1.062,中跨最大應(yīng)力動力系數(shù)為 1.057;《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》[5]規(guī)定,橋梁動力系數(shù) 1+μ=1+12/(30+L),按上式計算,邊跨動力系數(shù) 1.128,中跨動力系數(shù) 1.083,實測值均明顯小于規(guī)范計算值。

3.3 剎車動力響應(yīng)測試及結(jié)果分析

試驗列車以 40 km/h速度駛過大橋,在 19號～20號跨跨中及 19號墩頂剎車。測量大橋各特征部位的豎向振幅、橫向振幅和縱向振幅。試驗共進(jìn)行 3次,試驗結(jié)果取平均值。測試結(jié)果見表4。

表4 剎車動位移測試結(jié)果 mm

由表4可以看出,實測剎車各工況下,該橋特征部位的振幅較小。

3.4 橋跨結(jié)果動力特性測試及結(jié)果分析

利用高靈敏度拾振儀,采用在 40 km/h行車條件下測量的橋梁的自振特性。該橋一階自振頻率測試結(jié)果見表5。

表5 橋梁一階自振頻率及相應(yīng)阻尼比

由表5可以看出該橋?qū)崪y豎、橫向一階自振頻率均比相應(yīng)的理論值稍大,說明該橋?qū)嶋H豎向、橫向剛度大于理論值,施工質(zhì)量良好;該橋?qū)崪y橫向最低自振頻率為 1.19 Hz,該值大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》第10.0.5及第 10.0.6條有關(guān)自振頻率通常值,滿足要求。

4 結(jié)論與建議

通過對洛湛鐵路石良角潯江特大橋主橋(64+2×104+64)m 4跨預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路連續(xù)箱梁橋的靜、動載試驗,得出以下基本結(jié)論。

(1)箱梁各測試截面的靜應(yīng)力分布符合平截面假定,實測各測試截面的縱向、橫向應(yīng)變均小于理論計算值,校驗系數(shù)主要分布在 0.6～0.7,主要是由于結(jié)構(gòu)實際剛度過大和梁體混凝土彈性模量比設(shè)計理論值大,結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)符合預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的常值,箱梁設(shè)計理論正確。

(2)實測靜載撓度曲線和理論計算撓度曲線形狀和規(guī)律吻合,校驗系數(shù)在 0.70～0.80,表明實際結(jié)構(gòu)剛度大于理論剛度;按實測值換算到中-活載時的撓跨比,中跨跨中最大撓跨比為 1/2 726,邊跨跨中最大撓跨比為 1/6 720,滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]的要求。

(3)DF4雙機(jī)牽引 9輛 C62重車在 40～80 km/h的試驗荷載下,實測最大動力系數(shù):邊跨 64 m梁為1.062,中跨 104m梁為 1.057,均低于《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》[5]規(guī)定的設(shè)計值 1.128和 1.083。

(4)實測跨中橫向最大振幅:邊跨 0.81mm、中跨1.06mm;最大加速度邊跨 0.13m/s2,中跨 0.24m/s2;連續(xù)梁橫向一階自振頻率為 1.19Hz,均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]限值的要求。

(5)實測兩中墩墩頂橫向最大振幅僅為 0.76mm和 0.93mm,小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]規(guī)定的通常值,橋墩具有良好的橫向剛度。固定墩在跑車工況下實測縱向最大振幅為 0.58 mm,制動工況下為0.97mm。

(6)該連續(xù)梁梁體和橋墩的施工質(zhì)量符合設(shè)計要求,其承載能力達(dá)到設(shè)計中-活載的標(biāo)準(zhǔn),并滿足列車按設(shè)計速度安全運行的要求。

(7)本次試驗采用 2臺 DF4機(jī)車聯(lián)掛 9輛 C62車輛荷載,仍達(dá)不到《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]要求的荷載效率系數(shù),建議結(jié)合我國普鐵的實際荷載狀態(tài)對荷載標(biāo)準(zhǔn)和《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]的荷載效率系數(shù)限值開展研究。

(8)目前《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]的限值均是針對簡支梁,建議對其他結(jié)構(gòu)型式橋梁開展有針對性的研究。

[1]JTGD 60—2004,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[2]馬坤全,蔣 鵬,王水龍,等.鐵路連續(xù)梁橋荷載試驗與結(jié)構(gòu)評定[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2007(12):37-40.

[3]李桂華,許士斌,吳曉媛,等.大型橋梁動力特性檢測方法[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報,1996,13(1):48-52.

[4]鐵運函[2004]120號,鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].

[5]TB 10002.1— 2005,鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].