敦格鐵路小跨徑單線鐵路連續(xù)箱梁橋荷載試驗與結構評定

張時超，趙中巖

(1．中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都611731;2．四川華騰公路試驗檢測有限責任公司，四川成都611730)

敦格鐵路小跨徑單線鐵路連續(xù)箱梁橋荷載試驗與結構評定

張時超1，趙中巖2

(1．中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都611731;2．四川華騰公路試驗檢測有限責任公司，四川成都611730)

依托敦(煌)格(爾木)鐵路疏解線立交橋主橋(32+48+32)m預應力混凝土單線鐵路連續(xù)箱梁橋，通過有限元分析后確定3種加載工況，觀測橋梁控制截面靜載下的變形與應力，同時結合動載下的結構自振頻率、振幅、加速度與動力系數測試，分析了主橋的固有振動特性與列車荷載下的動力性能。試驗結果表明，該橋設計理論準確，施工質量可靠，橋梁剛度與承載能力滿足設計及運營要求。

單線鐵路;連續(xù)箱梁橋;荷載試驗;結構評定

1 工程概況

新建鐵路敦煌至格爾木線為設計速度120 km/h的國鐵Ⅰ級單線鐵路，其中疏解線特大橋位于飲馬峽站站前戈壁區(qū)域，為跨越飲馬峽西聯(lián)絡線及既有青藏鐵路西格線而設。主橋為單線預應力混凝土(32+48 +32)m連續(xù)梁橋，起于DSIK526+376.78，止于DSIK526+490.23。

梁截面為單箱單室，梁底變化段采用二次拋物線，邊支點及跨中梁高為2.6 m，中支點梁高3.4 m。箱梁頂寬7.5 m，底寬4.5 m，頂板厚0.35 m，底板厚0.40～0.60 m，腹板厚0.50～0.70 m。39#墩墩高13 m，40#墩墩高13.5 m，箱梁采用C50混凝土，橋墩采用C30混凝土。

為了解該橋梁結構在列車荷載作用下的實際工作狀態(tài)，需要對橋梁結構進行靜、動載試驗，綜合分析結構在各種荷載作用下的工作狀態(tài)和承載能力，對該橋的強度、剛度進行綜合評估［1-4］。

2 測點布設

2.1 測試截面選擇

采用橋梁結構專業(yè)分析程序Midas對該橋進行結構靜動力分析，全橋結構離散成58個單元，77個節(jié)點，求得連續(xù)梁橋在設計荷載下的內力、位移包絡圖以及主橋一階自振頻率，確定主梁最不利內力控制截面。即在主橋上分別設置3個試驗控制斷面，分別為邊跨最不利截面(A截面)、40#墩中跨側根部截面(B截面)和中跨跨中截面(C截面)，如圖1所示。

圖1 試驗控制斷面(單位:cm)

2.2 測點布置

靜載試驗應變測點設在梁底板、梁頂板和腹板上，沿縱橋向布置于3個控制截面上，見圖2。撓度測點設在橋面上，主邊跨撓度測試位置均為L/4，L/2，3L/4截面和各支點截面，共計26個測點，見圖3。將動態(tài)測點布置在中跨與邊跨的振幅較大截面處，相應A，C截面選擇3個應力測點作為動應力測點進行橋跨結構的動力性能測試。在邊跨跨中、中跨跨中截面、主墩側面相應的位置上安裝垂直和水平拾振器測點，測試橋梁動力特性。

圖2 測點橫橋向布置(單位:cm)

圖3 測點順橋向布置(單位:cm)

3 靜載試驗

3.1 靜載試驗加載工況

由于該橋跨徑較小，試驗加載車擬采用3臺DF型內燃機車進行編組。根據橋梁結構形式、跨度，計算各個加載截面的內力與位移影響線，按最不利位置加載，確定試驗荷載重量及縱向布置。加載位置如圖4所示，測試工況如表1所示。

圖4 3種工況加載示意(單位:cm)

表1 主橋加載工況的計算彎矩、試驗彎矩及相應的荷載效率系數

3.2 靜載試驗結果分析

3.2.1 撓度測試結果

為了獲得結構荷載-應力(變形)連續(xù)曲線和避免結構受到損傷，靜力試驗分成預加載和分級加載的方式，逐級遞加直到最大荷載，然后逐級卸載到零級荷載。加載過程中撓度測試采用精密水準儀測量主要受力構件4分點撓度測點的豎向變形。由于篇幅所限，本文只列出部分測試結果。各工況撓度測量數據見表2，工況C各測點撓度對比見圖5。

表2 各工況撓度測試結果

圖5 工況C各測點撓度對比

由表2可知在試驗荷載作用下，各測點結構校驗系數均小于1，橋梁結構平均校驗系數為0.72～0.78。符合《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運函〔2004〕120號)［5］10.0.8條要求。其中，實測跨中最大撓度為5.4 mm，換算中-活載撓度為8.68 mm，換算中-活載撓度比為1/5 526，小于撓跨比通常值1/1 800，符合文獻［5］10.0.3條要求，表明該橋的豎向剛度較好。另外，結構殘余變形非常小，說明在試驗過程中結構處于彈性工作狀態(tài)［6］。

3.2.2 應力測試結果

加載過程中應力測試，采用在試驗截面貼設阻值120Ω的混凝土應變片，并考慮對環(huán)境溫度等因素的補償(在不同位置粘貼補償應變片)，應變采用數字應變儀自動采集存儲。應力測試結果表明:在試驗荷載作用下，各測點結構校驗系數均小于1，橋梁結構平均校驗系數為0.73～0.75。其中工況C加載時各測點應力數據比較見表3。

表3 工況C加載時各測點應力數據比較

4 動載試驗

4.1 試驗數據采集

結合現(xiàn)場實際情況對該橋進行脈動試驗，即在橋面無交通荷載、橋梁附近無規(guī)則振源的情況下，測定橋跨結構由于橋址處各種環(huán)境激振而引起的橋跨結構微幅振動響應。該橋試驗主要利用頻域分析的頻域幅值譜來測定橋跨結構固有模態(tài)頻率［7-8］。采用3輛DF機車聯(lián)掛之后沿橋梁線路以10，20，30，40，50 km/h的速度往返通過橋跨結構，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用下的加速度響應和動力系數。

4.2 動載試驗結果分析

4.2.1 自振特性實測結果

通過實測脈動信號，經分析處理得到結構自振頻率，其中橫向自振頻率見表4。

表4 橫向自振頻率Hz

由表4可以看出該橋主梁與主墩的實測橫向1階自振頻率均大于文獻［5］第10.0.5與10.0.7條中的自振頻率通常值，滿足規(guī)范要求。

4.2.2 行車試驗動力響應測試結果分析

通過采集該橋A，C截面的動應變、豎向與橫向加速度、以及39#，40#主墩橫向加速度，分析得到動力響應隨車速變化測試結果，其中部分截面振幅與動力系數如表5所示。

表5 主橋振幅與動力系數

實測該橋主梁中跨最大豎向振幅為0.27 mm，最大橫向振幅為0.25 mm，振幅均較小，表明該橋豎向、橫向剛度能滿足行車需求。

實測該橋兩主墩(39#，40#墩)墩頂橫向最大振幅分別為0.07 mm與0.08 mm，遠遠小于文獻［5］中10.0.7條中規(guī)定的鐵路橋梁墩頂橫向振幅通常值0.61 mm與0.64 mm。

實測該橋中跨最大橫向加速度為0.09 m/s2，符合文獻［5］中10.0.5條中橋跨結構在荷載平面的橫向振動加速度不應超過1.4 m/s2的規(guī)定。

實測該橋中跨最大動力系數為1.081，根據《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》［9］(TB 10002.1—2005)規(guī)定，該橋動力系數為1.154，實測值明顯小于規(guī)范計算值。

5 結論

1)在試驗荷載作用下，各位移測點實測值均小于理論計算值，結構校驗系數＜1.0;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1/5 526，小于通常值1/1 800，表明該橋的豎向剛度較好。

2)在試驗荷載作用下，各應力測點應變值均小于理論值，結構校驗系數＜1.0，表明試驗時橋梁強度滿足設計要求。

3)在試驗時主梁各控制截面相對殘余變形及殘余應變很小，表明卸載之后結構的變形能夠及時恢復，結構處于彈性工作狀態(tài)。

4)由模態(tài)試驗基頻和理論計算值對比可以看出，實測梁體跨中橫向自振頻率值和橋墩橫向自振頻率大于規(guī)范通常值，表明結構的橫向剛度較好。

5)行車試驗表明梁體試驗截面的動應變、加速度和振幅響應正常，墩頂橫向振幅小于通常值，主橋中跨C截面的最大動力系數1.081小于規(guī)范值1.154。

6)本次試驗曾采用3輛DF機車和DF機車+C62重車的編組形式進行加載試算，仍達不到《鐵路橋梁檢定規(guī)范》要求的荷載效率系數，建議結合我國鐵路的實際荷載狀態(tài)和單線鐵路連續(xù)梁橋的內力狀態(tài)對《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的荷載效率系數限值開展進一步的研究。

目前《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的限值均是針對簡支梁，其他結構形式鐵路橋梁運營性能檢驗相關參照文獻較少，建議開展更具廣泛性的研究。

［1］崔琳．預應力混凝土連續(xù)箱梁荷載試驗分析［D］．西安:長安大學，2011．

［2］寧剛，馬福，張少華．預應力混凝土箱型連續(xù)梁橋的動荷載試驗研究［J］．中國科技論文，2015，10(7):855-859．

［3］陳韻，劉伯奇．預應力混凝土連續(xù)箱梁加寬改造后安全評估［J］．鐵道建筑，2015(6):24-26．

［4］陳通，曾小廣．多跨預應力混凝土連續(xù)梁橋荷載試驗分析［J］．交通科技，2013(6):19-21．

［5］中華人民共和國鐵道部．鐵運函［2004］120號鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2004．

［6］黃力，石雪飛，徐亮，等．大跨度連續(xù)梁橋動靜載試驗及結構評定［J］．石家莊鐵道大學學報(自然科學版)，2012，25 (3):24-29．

［7］施洲，夏招廣，葛玉梅．高墩大跨連續(xù)梁鐵路橋動力試驗［J］．西南交通大學學報，2006，41(3):349-354．

［8］黃勝前，楊永清．高墩大跨連續(xù)箱梁鐵路橋動力性能試驗研究［J］．鐵道標準設計，2012(12):35-39．

［9］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

Load Test and Structure Evaluation of Small-span Single-track Railway Continuous Box Girder Bridge on Dunhuang－Golmud Railway

ZHANG Shichao1，ZHAO Zhongyan2
(1．China Railway Southwest Research Institute Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 611731，China; 2．Sichuan Huateng Highway Examination Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 611730，China)

A(32+48+32)m continuous prestressed concrete box girder bridge，which is the main bridge of an overpass bridge on distribution line of Dunhuang－Golmud single-track railway，was studied．T hree load cases were suggested based on the finite element analysis．T he deformation and stress at the critical sections under static loads were measured．Also，the dynamic test for main bridge was conducted to analyze the natural vibration properties and structural dynamic response，including frequency，amplitude，acceleration and impact factor．T he test results suggest a sound design and construction．T he bridge stiffness and bearing capacity satisfy the requirements of design and operation．

Single-track railway;Continuous box girder bridge;Load test;Structure evaluation

U448．21+5;U446．1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．05

1003-1995(2016)12-0017-04

(責任審編孟慶伶)

2016-08-09;

2016-10-09

張時超(1987—)，男，工程師，碩士。