30 t軸重重載貨車作用下常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁動(dòng)力響應(yīng)的試驗(yàn)分析

蔡超勛，劉吉元，肖祥淋，胡所亭，蘇永華

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

30 t軸重重載貨車作用下常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁動(dòng)力響應(yīng)的試驗(yàn)分析

蔡超勛，劉吉元，肖祥淋，胡所亭，蘇永華

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

對(duì)朔黃鐵路線上7座常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋，在30 t軸重重載貨車作用下梁體的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，取得了大量數(shù)據(jù)。通過(guò)分析得到以下結(jié)論:實(shí)測(cè)梁體動(dòng)力響應(yīng)均在通常值范圍內(nèi)，滿足安全限值要求;實(shí)測(cè)梁體撓度、應(yīng)變與大軸重列車加載效應(yīng)直接相關(guān)，實(shí)測(cè)值與軸重等級(jí)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而梁體豎、橫向振幅及加速度與列車軸重關(guān)系不明顯;實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證部分和理論分析成果為大軸重重載技術(shù)研究提供了數(shù)據(jù)支持，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法可為類似試驗(yàn)提供參考。

30 t軸重 重載貨車 鐵路橋梁 動(dòng)力響應(yīng) 測(cè)試分析

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊市黃驊港站，全長(zhǎng)585 km，為國(guó)家Ⅰ級(jí)雙線電氣化重載鐵路，與神朔鐵路組成我國(guó)“西煤東運(yùn)”的第二大通道。目前，朔黃鐵路主要開(kāi)行軸重25 t及以下、牽引質(zhì)量萬(wàn)噸及以下的重載列車，而增大貨車軸重、開(kāi)行長(zhǎng)大編組重載組合列車是提高鐵路運(yùn)輸能力的最佳途徑?；诖耍?013年朔黃鐵路公司承擔(dān)了國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“軸重30 t以上煤炭運(yùn)輸重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備研制(2013BAG20B00)”，其中任務(wù)七為“重載線路基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)化措施研發(fā)”。在項(xiàng)目研究中，2013年7月11日至2013年7月28日在朔黃鐵路重載運(yùn)輸綜合示范段(北大?！伉P區(qū)間K65+47—K108+443)進(jìn)行了30 t軸重重載列車綜合試驗(yàn)。

30 t軸重及以上重載運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低受到世界各國(guó)的廣泛重視，我國(guó)學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了大量研究并取得了很多成果。關(guān)于大軸重重載列車對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)的影響，柯在田［1］對(duì)重載鐵路工務(wù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了述評(píng);胡所亭、王麗等［2-3］對(duì)新建重載條件下橋梁設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究;余志武等［4］對(duì)大軸重重載運(yùn)輸條件下鐵路橋梁疲勞性能進(jìn)行了研究;蔣麗忠等［5］對(duì)重載鐵路的一種加固方法進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)分析;夏禾、張楠等［6-7］對(duì)重載貨車作用下車橋動(dòng)力相互作用進(jìn)行了研究。這些研究大都是采用理論分析、仿真計(jì)算或者模型試驗(yàn)等研究方法，對(duì)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行研究公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)還不多見(jiàn)。

朔黃鐵路30 t軸重重載貨車綜合試驗(yàn)是我國(guó)第一次開(kāi)展30 t軸重貨車線路運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)。實(shí)測(cè)30 t軸重貨車作用下橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和響應(yīng)特征，對(duì)研究30 t軸重重載貨車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)既有線鐵路橋梁重載強(qiáng)化改造技術(shù)研究均具有重要意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)橋梁

朔黃鐵路30 t軸重重載貨車綜合試驗(yàn)共測(cè)試14座橋涵結(jié)構(gòu)，其中常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋7座，梁體結(jié)構(gòu)包括跨度16，20，24及32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，跨度16 m低高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，跨度24 m與32 m的超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，基本包括我國(guó)既有鐵路常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁梁體結(jié)構(gòu)。表1為試驗(yàn)橋梁概況。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)主要測(cè)試:試驗(yàn)橋梁1～7號(hào)工點(diǎn)梁體自振頻率、梁體跨中橫向振幅及加速度、梁體跨中豎向振幅及加速度、列車速度;試驗(yàn)橋梁3～7號(hào)工點(diǎn)梁體跨中截面底緣混凝土應(yīng)變;梁體跨中撓度。

1.3 試驗(yàn)列車

試驗(yàn)列車編組50輛(含機(jī)車和工作車)，牽引質(zhì)量共計(jì)4 360～4 680 t，長(zhǎng)度686.6 m。具體編組采用SS4(機(jī)車)+客車+2節(jié)C96+10節(jié)C80+8節(jié)C96+ 6KM96B+1節(jié)KM96+10節(jié)C70+8節(jié)C64K+SS4(機(jī)車)。

試驗(yàn)編組列車中C64K，C70及C80貨車分別按名義軸重21，23，25 t一次裝載完成，而大軸重重載貨車(KM96，KM96B與C96)均分別按25，27及30 t軸重進(jìn)行3次裝載。每次裝載完成后，進(jìn)行速度級(jí)65 km/h與75 km/h的運(yùn)行試驗(yàn)，每速度級(jí)進(jìn)行3次試驗(yàn)。在大軸重重載貨車裝載至軸重30 t時(shí)，增加了3次80 km/h速度級(jí)試驗(yàn)。

為比較大軸重重載貨車與運(yùn)營(yíng)列車的區(qū)別，試驗(yàn)期間還測(cè)試了大量運(yùn)營(yíng)列車，包括運(yùn)營(yíng)C64貨列、運(yùn)營(yíng)C70貨列和運(yùn)營(yíng)C80貨列。

大軸重綜合試驗(yàn)列車編組包含目前我國(guó)主型貨車車輛類型，包括軸重21 t的C64貨車、軸重23 t的C70貨車、軸重25 t的C80貨車以及裝載軸重分別為25，27與30 t的新型30 t軸重重載列車C96和KM96，各類型車輛的車輛長(zhǎng)度、軸距、鄰軸距、荷載密度參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)橋梁概況

表2 試驗(yàn)編組列車參數(shù)對(duì)比

1.4 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容主要分為振幅與加速度、位移、應(yīng)變與列車速度。振幅及加速度傳感器采用國(guó)家地震局哈爾濱工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的891-Ⅱ傳感器與積分放大器;應(yīng)變傳感器采用日本KYOWA公司生產(chǎn)的KFW-5-120應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀;位移傳感器采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院生產(chǎn)的LVDT差動(dòng)變壓器式位移計(jì)與位移放大器;列車速度傳感器采用永磁磁鋼。各傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)電纜連接至動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)物理量的測(cè)量。

2 數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)

2.1 梁體振動(dòng)響應(yīng)的濾波

試驗(yàn)中橋梁梁體振動(dòng)加速度均采用濾波處理，梁體橫向加速度統(tǒng)一按10 Hz低通濾波，豎向加速度統(tǒng)一按30 Hz低通濾波。

2.2 裝載偏差的消除

橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試中撓度、應(yīng)變與車輛參數(shù)(軸距及軸重)的加載效應(yīng)直接相關(guān)，車輛裝載偏差會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果無(wú)法真實(shí)反映相關(guān)參數(shù)與車輛軸重的關(guān)系，故在分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)采用裝載修正系數(shù)消除裝載偏差對(duì)梁體應(yīng)變和撓度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的影響。對(duì)于試驗(yàn)編組列車中C64，C70，C80車輛，根據(jù)其裝載軸重、軸距序列，按各橋梁跨度分別修正至名義軸重21，23及25 t條件下;對(duì)于C96，KM96及KM96B貨車，分別按不同裝載條件修正至名義裝載軸重25，27及30 t條件下。

以跨度為L(zhǎng)的梁體跨中截面底緣混凝土應(yīng)力為例來(lái)說(shuō)明如何進(jìn)行裝載偏差修正。

以某類型貨物列車運(yùn)行方向?yàn)閤軸，設(shè)第1軸的位置x=0，可根據(jù)車輛軸距建立編組列車的初始軸位序列Lw0(n)。Lw0(n)表示編組列車第n號(hào)軸的位置。根據(jù)車輛軸重的實(shí)測(cè)稱重結(jié)果，可建立對(duì)應(yīng)軸位的軸重序列P(n)。

集中力P作用下，梁體跨中截面彎矩影響線為M(x)。x為集中力與梁體位置的關(guān)系。x=0時(shí)，集中力位于梁端;x=0.5L時(shí)，集中力作用于梁體跨中位置。彎矩影響線計(jì)算公式如下

設(shè)計(jì)算步長(zhǎng)為ΔL，計(jì)算至N步時(shí)，軸距序列Lw(n)=N×ΔL+Lw0(n)，則此時(shí)編組列車引起的橋梁跨中截面彎矩為

式中，NW為該貨物列車總軸數(shù)。

通過(guò)逐步計(jì)算該貨物列車進(jìn)橋Lw(1)=0至出橋Lw(NW)=L這一過(guò)程中橋梁跨中截面彎矩，找出其最大值Mmax。將實(shí)際裝載軸重計(jì)算至名義裝載軸重，只需將軸重序列P(n)改成名義軸重，再計(jì)算得出該名義軸重下橋梁跨中截面彎矩最大值M名義max。

由于梁體跨中截面底緣混凝土應(yīng)變與該截面彎矩影響線一致，故用梁體跨中截面實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)變乘以裝載偏差系數(shù)(M名義max/Mmax)，即可對(duì)裝載偏差進(jìn)行修正。

對(duì)梁體撓度分析時(shí)，采用了集中力作用下梁體撓度影響線計(jì)算公式進(jìn)行裝載偏差修正。

2.3 混凝土彈性模量

實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力時(shí)直接測(cè)試的物理量一般為混凝土應(yīng)變，再由混凝土應(yīng)變乘以彈性模量來(lái)得出混凝土應(yīng)力。本試驗(yàn)中，混凝土彈性模量由梁體靜載試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的梁體撓度計(jì)算得出。

3 數(shù)據(jù)分析

大軸重綜合試驗(yàn)共測(cè)試7座常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋，涵蓋朔黃鐵路常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁所有梁體類型:16，20，24與32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁(簡(jiǎn)稱:普高梁)和16，24與32 m超(低)高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁(簡(jiǎn)稱:低高梁)。以下按梁體類型對(duì)動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總分析。

3.1 梁體自振頻率

梁體豎向自振頻率采用脈動(dòng)法測(cè)試。16，20，24，32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的豎向一階自振頻率分別為13.38，9.42，7.72，5.61 Hz;16，24，32 m(超)低高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的豎向一階自振頻率分別為9.24，4.77，4.69 Hz。

3.2 梁體振動(dòng)響應(yīng)

測(cè)試的梁體振動(dòng)響應(yīng)包括梁體豎向振幅、梁體豎向加速度、梁體橫向振幅與梁體橫向加速度。大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明梁體振動(dòng)響應(yīng)有一定的離散性，實(shí)測(cè)結(jié)果與列車軸重及車輛豎向加載效應(yīng)關(guān)系并不明顯。表3與表4分別給出了梁體橫向振幅與豎向振幅最大值的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)表。

表3 實(shí)測(cè)梁體跨中橫向振幅最大值統(tǒng)計(jì)mm

表4 實(shí)測(cè)梁體跨中豎向振幅最大值統(tǒng)計(jì)mm

3.3 車輛軸重對(duì)梁體撓度與應(yīng)變的影響分析

試驗(yàn)列車中大軸重重載列車分別按25，27及30 t軸重裝載，下面主要就大軸重重載貨車C96和KM96不同裝載軸重時(shí)引起的梁體撓度和應(yīng)變進(jìn)行分析。

表5與表6分別給出了大軸重貨車C96與KM96不同裝載軸重條件下，梁體應(yīng)變、梁體撓度的實(shí)測(cè)值。實(shí)測(cè)各種不同跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁跨中撓度與梁體應(yīng)變?cè)隽侩S車輛軸重的增加而增大，不同跨度的梁體增大幅度存在一定的區(qū)別。

表5 C96與KM 96不同裝載軸重作用下梁體應(yīng)變與軸重的關(guān)系×10-6

表6 C96與KM 96不同裝載軸重作用下梁體撓度與軸重的關(guān)系mm

以25 t裝載軸重為基準(zhǔn)，C96和KM96裝載至27 t軸重時(shí)，普通高度16，20，24與32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁和(超)低高度16，24與32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁跨中平均應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)范圍分別為5.2%～12.7%，5.1%～10.4%;裝載至30 t軸重時(shí)分別增加16.8%～22.8%，18.6%～23.3%(圖1)。

以25 t裝載軸重為基準(zhǔn)，C96和KM96裝載至27 t軸重時(shí)，普通高度16，20，24與32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁和(超)低高度16，24與32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁跨中平均撓度增長(zhǎng)范圍分別為4.2%～12.6%， 3.2%～9.9%;裝載至30 t軸重時(shí)分別為14.4%～21.5%，14.8%～23.5%(圖2)。

圖1 C96不同裝載軸重作用下梁體跨中應(yīng)變值對(duì)比

圖2 C96不同裝載軸重作用下梁體跨中撓度值對(duì)比

3.4 車輛類型對(duì)梁體撓度與應(yīng)變的影響分析

鄰軸距、車體長(zhǎng)度等車輛參數(shù)對(duì)不同跨度橋梁加載效應(yīng)的影響不同。根據(jù)理論分析結(jié)果，在軸重和轉(zhuǎn)向架固定軸距一定的條件下，鄰軸距主要影響跨度20 m以下橋梁結(jié)構(gòu)，車體長(zhǎng)度主要影響跨度20 m以上橋梁結(jié)構(gòu)［2，8］。

對(duì)于車長(zhǎng)的影響，C96與C80兩種車型的鄰軸距基本一致，但C80比C96車體長(zhǎng)度短，裝載軸重為25 t時(shí)，實(shí)測(cè)16，20，24及32 m簡(jiǎn)支梁跨中撓度和應(yīng)變?cè)隽恐礐96貨車均小于C80貨車，其中對(duì)于32 m簡(jiǎn)支梁C96作用時(shí)產(chǎn)生的梁體撓度和應(yīng)變活載增量值分別為C80貨車活載效應(yīng)值的87.8%和88.9%，見(jiàn)表7、表8。

對(duì)于鄰軸距的影響，KM96鄰軸距長(zhǎng)度小于C96。在相同裝載軸重時(shí)，C96作用下16 m簡(jiǎn)支梁跨中撓度和應(yīng)變的活載增量值均小于KM96。圖3、圖4即為裝載軸重25 t時(shí)C96與KM96在梁體跨中產(chǎn)生的應(yīng)變和撓度的對(duì)比。

3.5 梁體應(yīng)變及撓度校驗(yàn)系數(shù)

編組列車準(zhǔn)靜態(tài)作用下，普通高度16，20，24，32 m與(超)低高度16，24，32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)分別為0.83～0.88，0.88～0.90，0.93～0.96，0.94～1.01與0.90，1.00～1.01，0.98～1.01，除部分工況下應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》預(yù)應(yīng)力混凝土梁的底緣混凝土應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)通常值1.0外，其余均在規(guī)范應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)通常值范圍內(nèi);各類型梁體撓度校驗(yàn)系數(shù)依次為0.71～0.74，0.62～0.66，0.63～0.67，0.65～0.67，0.62～0.68，0.54～0.58，0.56～0.58，均在《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中預(yù)應(yīng)力混凝土梁的撓度校驗(yàn)系數(shù)通常值范圍內(nèi)。

表7 試驗(yàn)編組列車作用下梁體跨中應(yīng)變與車輛類型的關(guān)系×10-6

表8 試驗(yàn)編組列車作用下梁體跨中撓度與車輛類型的關(guān)系mm

圖3 裝載軸重為25 t時(shí)C80，C96與KM 96梁體跨中應(yīng)變對(duì)比

圖4 裝載軸重為25 t時(shí)C80，C96與KM 96梁體跨中撓度對(duì)比

4 結(jié)論

1)在25，27和30 t軸重級(jí)試驗(yàn)編組列車與運(yùn)營(yíng)列車作用下，實(shí)測(cè)橋涵結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)值在通常值范圍內(nèi)，均滿足安全限值要求。

2)實(shí)測(cè)梁體撓度、應(yīng)變與大軸重列車加載效應(yīng)直接相關(guān)，實(shí)測(cè)值與軸重等級(jí)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì);實(shí)測(cè)梁體橫向振幅、橫向加速度、豎向振幅與豎向加速度等實(shí)測(cè)值均有一定的離散性，實(shí)測(cè)值與運(yùn)營(yíng)貨車作用下的量值基本相當(dāng)，與列車軸重的關(guān)系不明顯。

3)鄰軸距、車體長(zhǎng)度等車輛參數(shù)對(duì)不同跨度橋梁加載效應(yīng)的影響不同。根據(jù)理論分析結(jié)果，在軸重和轉(zhuǎn)向架固定軸距一定的條件下，鄰軸距主要影響跨度20 m以下橋梁結(jié)構(gòu)，車體長(zhǎng)度主要影響跨度20 m以上橋梁結(jié)構(gòu)。對(duì)于車長(zhǎng)的影響，C96與C80兩種車型的鄰軸距基本一致，但C80比C96車體長(zhǎng)度短，裝載軸重為25 t時(shí)，實(shí)測(cè)16，20，24及32 m簡(jiǎn)支梁跨中撓度和應(yīng)變活載增量值C96貨車均小于C80貨車，其中對(duì)于32 m簡(jiǎn)支梁C96作用時(shí)產(chǎn)生的梁體撓度和應(yīng)變活載增量值分別為C80貨車活載效應(yīng)值的87.8%和88.9%。對(duì)于鄰軸距的影響，KM96鄰軸距長(zhǎng)度小于C96，在相同裝載軸重時(shí)，C96作用下16 m簡(jiǎn)支梁跨中撓度和應(yīng)變的活載增量值均小于KM96。

［1］柯在田.重載鐵路工務(wù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的研究［C］//發(fā)展鐵路重載運(yùn)輸貨車暨工務(wù)研討會(huì)論文集.齊齊哈爾:中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)，2011.

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Experimental analysis on dynamic response of common span prestressed concrete simply-supported girder under loading of 30 t axle load freight train

CAI Chaoxun，LIU Jiyuan，XIAO Xianglin，HU Suoting，SU Yonghua
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The dynamic responses of the seven common-span prestressed concrete bridges under 30 t Axle Load Freight were measured in Shuozhou-Huanghuagang Railway.Through the test and analysis，conclusions can be drawn as follows.The measured dynamic responses of the griders were within the range of the Ordinary-Values，and comformed to the Limit Values for the traffic safety.The measured deflection and strain of the griders were directly related to the effect of the 30 t axle load.Either the vertical or the lateral amplitude and acceleration was not significantly related to the effect of the30 t axle load.The measured results and the theoretical analysis can be used to study the heavy haul technology with large axle load，and the method of data processing can be applied to other similar tests.

30 t axle load;Heavy haul freight;Railway bridges;Dynamic response;Test and analysis

U441+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.01

1003-1995(2015)01-0001-06

(責(zé)任審編 孟慶伶)

2014-10-10;

2014-11-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAG20B00)

蔡超勛(1982—)，男，湖南益陽(yáng)人，助理研究員，碩士。