重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋靜動(dòng)載試驗(yàn)分析

朱占龍 王永東

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000）

神朔鐵路橋涵結(jié)構(gòu)自建成通車以來(lái)，主要開(kāi)行23 t以下軸重的貨物列車，近年來(lái)開(kāi)始開(kāi)行25 t軸重列車。該橋已運(yùn)營(yíng)20多年，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)以評(píng)估梁體的各項(xiàng)性能指標(biāo)能是否滿足安全運(yùn)營(yíng)的要求［1-3］。

1 橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容及方法

神朔鐵路于1996 年7 月建成通車，為雙線鐵路，支座均采用搖軸支座?，F(xiàn)投入運(yùn)營(yíng)的車輛有C64，C70，C80等車型，運(yùn)營(yíng)機(jī)車類型以SS4型及神華號(hào)為主［4-5］。試驗(yàn)橋梁位于神朔線保德站—王家寨區(qū)間內(nèi)，全橋?yàn)楹?jiǎn)支T 梁橋，跨徑組合為4×32 m。其中，32 m 主梁（專橋2039 圖號(hào)）截面高度為2.60 m，截面形心距梁體底緣1.40 m。橋梁采用雙線圓端形橋墩，橋跨大里程側(cè)1#墩墩高13.40 m，墩底橫向?qū)?.41 m，屬低墩，采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)深19.9 m。橋跨小里程側(cè)2#墩墩高30.40 m，墩底橫向?qū)挾?.98 m，屬中高墩，采用挖井基礎(chǔ)，基礎(chǔ)深0.8 m。

考慮車輛調(diào)配情況及測(cè)試效率，本次試驗(yàn)調(diào)配1列“DF4+8×C80”進(jìn)行靜載試驗(yàn)。動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，重載貨車編組情況均為“SS4B×2+58×C80+SS4B×2+58×C80”，經(jīng)過(guò)測(cè)試得到6 組C80 貨車數(shù)據(jù)（實(shí)測(cè)速度為30.9～48.2 km/h）。本文選取不同速度級(jí)的3 組測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

試驗(yàn)橋簡(jiǎn)支T 梁采用原“中-活載”設(shè)計(jì)，通過(guò)MIDAS/Civil 有限元軟件建立雙片T 梁有限元計(jì)算模型［6-7］進(jìn)行理論分析。以跨中截面正彎矩最大值進(jìn)行加載效率控制［8-9］，靜載試驗(yàn)各級(jí)加載圖示見(jiàn)圖1。第1級(jí)—第3級(jí)加載輪位作用下跨中彎矩加載效率分別為0.46，0.65，0.88；第3 級(jí)加載輪位跨中撓度加載效率為0.86。第3級(jí)加載輪位作用下跨中彎矩加載效率為0.88，跨中撓度加載效率為0.86，滿足鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中對(duì)試驗(yàn)荷載效率取0.8～1.0的要求。

圖1 靜載試驗(yàn)各級(jí)加載圖示（單位：cm）

試驗(yàn)內(nèi)容：梁體跨中靜載應(yīng)力與撓度；梁體跨中橫向振動(dòng)，包括強(qiáng)振頻率、跨中振幅、自振頻率、跨中橫向加速度；梁體跨中豎向振動(dòng)，包括自振頻率、動(dòng)撓度、豎向加速度；2#墩橫向自振頻率；墩頂橫向振幅。

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于主梁跨中向小里程方向偏移0.5 m處，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件撓度測(cè)點(diǎn)布置于跨中截面上緣，見(jiàn)圖2。

圖2 跨中截面測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

2 靜載試驗(yàn)結(jié)果

各級(jí)加載條件下主梁關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和撓度分別見(jiàn)表1和表2。

由表1 可知，實(shí)測(cè)雙片T 梁截面下緣最大拉應(yīng)力6.21 MPa，小于理論值7.83 MPa。主測(cè)截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.79，小于鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)中的通常值（0.9～1.0）。卸載時(shí)箱梁實(shí)測(cè)殘余應(yīng)變很小。

表1 各級(jí)加載條件下主梁關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

表2 各級(jí)加載條件下主梁測(cè)點(diǎn)撓度

由表2 可知，實(shí)測(cè)跨中最大撓度11.73 mm，小于理論值17.34 mm。主測(cè)截面撓度校驗(yàn)系數(shù)稍小于鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)中的通常值（0.7～0.8）。卸載時(shí)箱梁實(shí)測(cè)殘余撓度較小。實(shí)測(cè)靜載最大撓度換算至中-活載作用下的撓度為13.64 mm，小于鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)的通常值L/1 800=17.7 mm（L為跨度）。

測(cè)試結(jié)果表明，梁體靜載抗彎強(qiáng)度及抗彎剛度滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)荷載下結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)。

3 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

3.1 跨中豎向振動(dòng)

經(jīng)智能數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析儀處理，得到動(dòng)載條件下跨中梁體豎向振動(dòng)參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 動(dòng)載條件下跨中梁體豎向振動(dòng)參數(shù)

基頻可以綜合反映跨度、剛度、恒載等因素對(duì)梁體自振特性的影響，簡(jiǎn)支梁基頻計(jì)算公式為

式中：EI為梁體的剛度；q1，q2分別為單位長(zhǎng)度梁體的自重和二期恒載；g為重力加速度。

32 m 簡(jiǎn)支雙片T 梁豎向基頻數(shù)值計(jì)算結(jié)果為3.97 Hz，通常值為23.58L0.592=3.03 Hz。重載貨車條件下由環(huán)境微振動(dòng)法測(cè)得梁體豎向基頻5.21 Hz 大于理論值及通常值，主梁動(dòng)載剛度較大［6，10］。由于忽略了軌道結(jié)構(gòu)約束對(duì)主梁豎向剛度的貢獻(xiàn)［11-12］，故梁體豎向基頻現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比理論值偏大。本文32 m 梁體撓度動(dòng)力系數(shù)設(shè)計(jì)值為1.19，實(shí)測(cè)撓度動(dòng)力系數(shù)最大值1.09小于設(shè)計(jì)值。

3.2 橫向振動(dòng)

動(dòng)載條件下梁體橫向振動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表4?？缰辛后w橫向1階自振頻率理論值為3.08 Hz，由表4可知，環(huán)境微振動(dòng)法測(cè)得橫向1階自振頻率大于理論值及通常值。另外，實(shí)測(cè)C80貨車運(yùn)行條件下梁體橫向振幅及橫向加速度最大值遠(yuǎn)小于通常值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)橫向剛度較大［13-14］。

動(dòng)載條件下橋墩橫向振動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表5。測(cè)試2#墩墩身橫向平均寬度計(jì)算值為7.64 m，墩高為30.40 m；1#墩墩身橫向平均寬度計(jì)算值為7.11 m，墩高為15.40 m。由表5 可知，橫向1 階自振頻率、橫向振幅實(shí)測(cè)值均滿足規(guī)范給出的通常值要求。

表4 動(dòng)載條件下主梁橫向振動(dòng)參數(shù)

表5 動(dòng)載條件下橋墩橫向振動(dòng)參數(shù)

通過(guò)截取振動(dòng)時(shí)域波形中列車的最大振幅時(shí)段做最大熵法頻譜分析，求取機(jī)車和車輛對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率。貨車以50 km/h 通過(guò)橋梁時(shí)，由采集到的振動(dòng)時(shí)域圖得到主梁強(qiáng)振頻率在0.65～1.75 Hz，與梁體橫豎向自振頻率相差較大，不會(huì)出現(xiàn)共振情況。

3.3 支座位移

動(dòng)載條件下支座位移見(jiàn)表6?？芍?，同類貨車不同時(shí)速通行時(shí)，實(shí)測(cè)32 m 預(yù)應(yīng)力混凝土梁活動(dòng)支座縱向及豎向、固定支座豎向變形均勻，無(wú)異?，F(xiàn)象。

表6 動(dòng)載條件下支座位移

4 結(jié)論

1）本文鐵路橋在最大運(yùn)營(yíng)重車條件下實(shí)測(cè)梁體的橫向自振頻率正常，列車通過(guò)時(shí)梁體橫向振幅正常，梁體橫向剛度尚能滿足鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中的相關(guān)要求?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中高墩橫向自振頻率、墩頂橫向振幅有一定富余量。

2）同類重載貨車條件下，隨著行車速度的變化，主梁豎向加速度、跨中撓度動(dòng)力系數(shù)、跨中橫向振幅實(shí)測(cè)值與車速之間無(wú)線性變化趨勢(shì)；不同行車速度下?lián)u軸鋼支座活動(dòng)正常。