渡口河特大橋成橋的靜、動(dòng)力荷載試驗(yàn)分析

陳志偉, 蒲黔輝, 李曉斌, 高玉峰

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁作為交通樞紐，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，尤其是近20年來(lái)，我國(guó)興建了大量形式各異的橋梁[1-3].然而，這些橋梁成橋過(guò)程中和以后長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中容易在外界各種因素綜合作用下出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量問(wèn)題，如承載力、剛度以及耐久性等指標(biāo)的下降，進(jìn)而縮短了橋梁的使用壽命，甚至?xí)l(fā)生垮塌，嚴(yán)重影響交通的正常運(yùn)營(yíng)和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全[4-5].因此，對(duì)新建橋梁和現(xiàn)役橋梁進(jìn)行健康評(píng)估具有十分重要的意義.

對(duì)橋梁進(jìn)行健康評(píng)估，通常采用橋梁荷載試驗(yàn)來(lái)開(kāi)展工作.橋梁荷載試驗(yàn)的目的是對(duì)新建橋梁竣工驗(yàn)收和已建橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)進(jìn)行承載力的評(píng)定,檢測(cè)橋梁整體受力性能是否滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,是評(píng)定橋梁運(yùn)營(yíng)荷載等級(jí)最直接和最有效的辦法[6].橋梁荷載試驗(yàn)分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn).靜載試驗(yàn)是通過(guò)測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下控制截面的應(yīng)變、位移或裂縫,分析判定橋梁的承載能力.動(dòng)載試驗(yàn)是通過(guò)測(cè)試橋梁在動(dòng)載作用下的響應(yīng),分析橋梁的頻率、阻尼和振型等模態(tài)參數(shù),根據(jù)動(dòng)力響應(yīng)和模態(tài)參數(shù)進(jìn)行橋梁承載能力評(píng)定[7-8].

采用現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)相結(jié)合的檢測(cè)方法,并結(jié)合有限元理論分析,對(duì)新建的渡口河大橋健康狀況進(jìn)行了評(píng)估[9],為今后維修、加固補(bǔ)強(qiáng)提供了翔實(shí)的技術(shù)資料.

1 工程概況

宜萬(wàn)鐵路宜昌至萬(wàn)州段新建工程渡口河特大橋是一座鐵路專用特大型橋梁，其主墩高度128 m，為世界鐵路橋梁墩高之最，見(jiàn)圖1.

圖1 渡口河大橋?qū)嵕癋ig. 1 Live-action of the Dukouhe bridge

全橋布置為：主橋?yàn)?72 m+128 m+72 m)連續(xù)剛構(gòu)，宜昌端引橋?yàn)?×32 m簡(jiǎn)支梁，萬(wàn)州端引橋?yàn)?×32 m+1×24 m簡(jiǎn)支梁，中心里程DK250+051.76，橋全長(zhǎng)為634.71 m.

本橋設(shè)計(jì)行車速度為160 km/h，為預(yù)留復(fù)線I級(jí)鐵路，設(shè)計(jì)荷載為中-活荷載，宜昌端為直線，萬(wàn)州端位于曲線上，線間距由4.2 m漸變至6.27 m.主橋箱梁各控制截面梁高分別為：端支座處及邊跨直線段和中跨跨中處為4.2 m，邊跨直線段長(zhǎng)8.7 m(含兩端梁端至邊支座中心0.7 m)；中支點(diǎn)處梁高9.2 m，平段長(zhǎng)8.0 m；梁高按圓曲線變化，圓曲線半徑為362.5 m.箱梁底板寬6.4 m，頂板寬10.7 m，頂板厚0.42 m，腹板厚0.4 m～0.8 m，底板厚由跨中的0.4 m變化至中支點(diǎn)梁根部的1.0 m；箱梁腹板上梗肋40 cm×120 cm(豎×橫)，下梗肋40 cm×40 cm(豎×橫).

2 試驗(yàn)概況

本次測(cè)試選擇在具有代表性的主橋72 m+128 m+72 m連續(xù)剛構(gòu)橋宜昌端半跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動(dòng)載試驗(yàn)，并建立渡口河大橋的整體模型開(kāi)展數(shù)值分析工作.測(cè)試的內(nèi)容主要包括：橋梁變位、主要構(gòu)件受力狀況、橋梁的自振特性以及在各種車速和列車緊急制動(dòng)時(shí)橋梁主要測(cè)點(diǎn)振幅、沖擊系數(shù)、脫軌系數(shù)和減載率等.

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)荷載

根據(jù)試驗(yàn)相關(guān)要求及當(dāng)?shù)乜赡芴峁┑能囕v,本次靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)中，靜載試驗(yàn)荷載采用HXD3C型機(jī)車牽引C62AT、C62BK、C64T、C64K、C70等多種貨車進(jìn)行加載，即針對(duì)每一個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目，計(jì)算所需的設(shè)計(jì)控制荷載，之后結(jié)合列車具體的重量和編組，進(jìn)而選定每個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目所需的車輛類型.動(dòng)載試驗(yàn)則是采用貨車單向和雙向?qū)﹂_(kāi)行車方式，其中，行車和制動(dòng)試驗(yàn)貨車由：1HXD3/1HXD3C機(jī)車+14C62AT/C62BK/C64T/C64K/C70+1HXD3/1HXD3C機(jī)車組成.

3.2 靜載試驗(yàn)

靜力加載試驗(yàn)包括偏載工況及正載工況，先進(jìn)行偏載工況，再進(jìn)行正載工況，并根據(jù)測(cè)試內(nèi)容的不同采用不同的列車編組形式，加載工況包括以下4個(gè)工況：①主梁梁體宜昌端邊跨跨中附近最大正彎矩截面(A-A)Mmax加載；②主梁梁體4#墩頂部附近最大負(fù)彎矩截面(B-B)Mmin加載；③主梁梁體4#墩墩頂附近最大剪力截面(C-C)Vmax加載；④主梁梁體中跨跨中附近最大正彎矩截面(D-D)Mmax加載.根據(jù)上述4個(gè)加載工況，對(duì)3.1節(jié)試驗(yàn)荷載中各種類型列車進(jìn)行解編，以滿足各種加載工況的最不利要求.

3.3 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)包括脈動(dòng)試驗(yàn)、行車試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn).其中，脈動(dòng)試驗(yàn)是為了測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型及阻尼比；行車試驗(yàn)是為了研究運(yùn)行荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，行車速度包括：5 km/h(標(biāo)定車速試驗(yàn))、20、40、60、80 km/h；制動(dòng)試驗(yàn)是為了測(cè)定在車輛制動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)載響應(yīng)，制動(dòng)試驗(yàn)以40 km/h的速度運(yùn)行.行車試驗(yàn)主要采用貨車單向和雙向?qū)﹂_(kāi)行車方式.行車和制動(dòng)試驗(yàn)所需的貨車均由1HXD3/1HXD3C機(jī)車+14C62AT/C62BK/C64T/C64K/C70+1HX D3/1HXD3C機(jī)車組成.在試驗(yàn)過(guò)程中，首先進(jìn)行單向行車和制動(dòng)試驗(yàn)，最后進(jìn)行雙向?qū)﹂_(kāi)行車試驗(yàn).動(dòng)載試驗(yàn)工況選取4#墩墩頂?shù)慕孛?B-B)、128 m中跨跨中附近截面(D-D)、3#墩支座進(jìn)行，見(jiàn)圖2.

圖2 渡口河大橋主橋動(dòng)載試驗(yàn)截面布置示意圖(單位：cm)Fig. 2 Distribution of cross-sections in the main bridge of the Dukouhe bridge

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1.1 撓度測(cè)試結(jié)果

各工況的荷載效率系數(shù)在0.68～0.83范圍，靜載試驗(yàn)各工況撓度實(shí)測(cè)值及與計(jì)算值的比較如表1所示.

綜合分析表1可知，撓度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值符合較好.橋跨結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.44～0.83之間，處于合理范圍，表明橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度.

表1撓度實(shí)測(cè)值及與計(jì)算值比較

Tab. 1Comparisonsbetweenmeasuringtheresultsandthecalculatedresultsofthedeflectionandbendingangle

注:撓度數(shù)據(jù)向下為負(fù)值，向上為正值.

4.1.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

各試驗(yàn)工況的荷載效率系數(shù)在0.68～0.83范圍，靜載試驗(yàn)各工況試驗(yàn)截面應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.

綜合分析表2可知，應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值符合較好.橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.39～0.88之間，處于合理范圍，表明橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度.

表2 應(yīng)力實(shí)測(cè)值及與計(jì)算值比較

注:應(yīng)力數(shù)值受壓為負(fù)值，受拉為正值.

4.1.3 梁端轉(zhuǎn)角測(cè)試結(jié)果

在靜載試驗(yàn)中A-A工況下，渡口河宜昌端3#墩墩頂梁端轉(zhuǎn)角實(shí)測(cè)值為0.60‰.參考《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》在中-活荷載乘以動(dòng)力系數(shù)作用下，梁體下?lián)系牧憾宿D(zhuǎn)角不得大于2.00‰.實(shí)測(cè)渡口河最大動(dòng)力系數(shù)為1.196，計(jì)入動(dòng)力系數(shù)后，渡口河T構(gòu)宜昌端梁端轉(zhuǎn)角為0.72‰，小于規(guī)定值，滿足要求.

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.2.1 自振特性實(shí)測(cè)結(jié)果

通過(guò)開(kāi)展脈動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)定了橋跨結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型及阻尼比，自振特性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 橋跨結(jié)構(gòu)自振特性測(cè)試結(jié)果

綜合分析上述實(shí)測(cè)結(jié)果可知：①主梁橫向基頻為0.781 Hz，參照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中所規(guī)定簡(jiǎn)支梁的限定[f]=90/L=0.625 Hz，實(shí)測(cè)橫向基頻略大于規(guī)范規(guī)定限值，可以認(rèn)為主梁橫向剛度較好；②頻率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合較好；實(shí)測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)的阻尼為0.018～0.050，表明渡口河大橋結(jié)構(gòu)的阻尼比較小，衰減較慢，這與結(jié)構(gòu)的形式是一致的.

4.2.2 動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果

基于橋跨結(jié)構(gòu)各測(cè)試部位實(shí)測(cè)的應(yīng)變時(shí)域數(shù)據(jù)，分析得到動(dòng)力系數(shù)見(jiàn)圖3和圖4.圖3和圖4顯示，主梁跨中截面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)力系數(shù)介于1.02～1.19；4#墩墩頂附近截面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)力系數(shù)介于1.01～1.16.

圖3 主梁測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)力系數(shù)(下行)Fig. 3 Dynamic coefficients on measuring cross section in the main beam (downlink)

圖4 主梁測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)動(dòng)力系數(shù)(雙向)Fig. 4 Dynamic coefficients on measuring cross section in the main beam (two directions)

從測(cè)試結(jié)果及分析可以得出，各工況下實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變曲線相對(duì)于影響線有輕微的波動(dòng)現(xiàn)象，且不同的行車速度引起的波動(dòng)程度也有所不同，表明在行車時(shí)存在動(dòng)力沖擊作用，在雙向行車速度為80 km/h時(shí)，測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系數(shù)達(dá)到最大值1.19，實(shí)測(cè)動(dòng)力系數(shù)相對(duì)較大，表明行車制動(dòng)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用較明顯.

4.2.3 加速度實(shí)測(cè)結(jié)果

基于渡口河大橋橋跨結(jié)構(gòu)各測(cè)試部位的實(shí)測(cè)加速度時(shí)域數(shù)據(jù)，分別得到了橋跨結(jié)構(gòu)各截面處實(shí)測(cè)加速度，結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 主梁下行線跨中附近橋面實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度Fig. 5 Measuring accelerations on the bridge near the midspan downlink of the main beam

綜合分析圖5可知，主梁下行線跨中附近橋面豎向、橫向加速度分別介于0.086～0.693 m/s2和0.150～1.029 m/s2之間，而根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》10.0.4條第2項(xiàng)規(guī)定：“橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動(dòng)加速度αmax不應(yīng)超過(guò)1.4 m/s2”.在雙向行車速度為60 km/h時(shí)，實(shí)測(cè)橋跨下行線跨中附近橋面橫向加速度達(dá)到最大值，其值為1.029 m/s2，小于規(guī)定的橫向加速度限值1.4 m/s2，充分說(shuō)明橋跨結(jié)構(gòu)橫向動(dòng)力性能良好.

4.2.4 動(dòng)位移和振幅實(shí)測(cè)結(jié)果

基于渡口河大橋橋跨結(jié)構(gòu)各測(cè)試部位的動(dòng)位移時(shí)域數(shù)據(jù)，分別得到了橋跨結(jié)構(gòu)各截面處振幅結(jié)果見(jiàn)表4.由表4可知，主梁下行線跨中附近橋面的豎向、橫向振幅分別介于0.02～0.18 mm和0.08～1.19 mm；4#墩墩頂橫向、縱向振幅分別介于0.04～0.47 mm、0.14～1.01 mm.

根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定，參照預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，橋梁跨中橫向最大振幅應(yīng)滿足下式的規(guī)定：Amax≤14.2 mm，其中L為跨度(m)，在下行行車速度為80 km/h時(shí)，實(shí)測(cè)跨中橫向最大振幅為1.19 mm<14.2 mm，滿足檢定規(guī)范要求.

根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定和本橋墩身、基礎(chǔ)和地基情況，橋梁墩頂橫向振幅通常值應(yīng)滿足下式的規(guī)定：

當(dāng)H1/B≥2.5(中高墩)時(shí)，

其中H為墩高(m)，B為墩身橫向平均寬度(m).當(dāng)車速≤60 km/h時(shí)，Δh=0;車速>60 km/h時(shí)，Δh=1.

[Amax]≤(H+Δh)2/(100B)+0.2=

(92+0)2/(100×8.8)+0.2=9.82 mm,

其中H為墩高(m).在制動(dòng)速度為40 km/h時(shí)，實(shí)測(cè)4#墩墩頂橫向最大振幅為0.47 mm<9.82 mm，滿足檢定規(guī)范要求.

表4主梁中跨下行線跨中附近的橋面實(shí)測(cè)振幅及4#墩墩頂截面實(shí)測(cè)振幅

Tab. 4Measuringamplitudeofthebridgefloornearthemidspanofthemainbeamandthetopofpier

5 結(jié)論

通過(guò)渡口河大橋的靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1) 在靜載試驗(yàn)中，橋跨結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.44～0.83之間，橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.39～0.80，兩者處于合理的范圍，表明渡口河大橋主橋的橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和良好的強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求.

(2) 在靜載試驗(yàn)中，渡口河大橋宜昌端3#墩墩頂梁端轉(zhuǎn)角實(shí)測(cè)值為0.60‰.參考《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》在中-活荷載乘以動(dòng)力系數(shù)作用下，梁體下?lián)系牧憾宿D(zhuǎn)角不得大于2‰.最大動(dòng)力系數(shù)為1.196，計(jì)入動(dòng)力系數(shù)后，渡口河大橋T構(gòu)宜昌端梁端轉(zhuǎn)角為0.72‰，小于規(guī)定值，滿足要求.

(3) 橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)橫向基頻率大于規(guī)范規(guī)定限值，渡口河大橋主橋的橫向剛度較好.

(4) 在雙向行車速度為80 km/h時(shí)，測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)動(dòng)力系數(shù)較大，行車制動(dòng)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用較明顯；在雙向行車速度為60 km/h時(shí)，實(shí)測(cè)橋跨梁體跨中橫向加速度達(dá)到1.029 m/s2(<1.4 m/s2)，橋跨結(jié)構(gòu)橫向動(dòng)力性能良好；在下行行車速度為80 km/h時(shí)，實(shí)測(cè)跨中橫向最大振幅為1.19 mm(<14.2 mm)，在制動(dòng)速度為40 km/h時(shí)，實(shí)測(cè)4#墩墩頂橫向最大振幅為0.47 mm(<9.82 mm)，滿足符合“橋檢規(guī)”的要求.

綜上所述，靜、動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，動(dòng)力性能良好，能夠滿足設(shè)計(jì)的荷載等級(jí)和運(yùn)營(yíng)要求.