大準鐵路增二線黃河特大橋動載試驗

胡 泊

(神華準格爾能源有限公司基建中心 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

大準鐵路增二線黃河特大橋動載試驗

胡 泊

(神華準格爾能源有限公司基建中心 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

進行大準鐵路增二線黃河特大橋成橋動力試驗，檢測其自振特性以及動載通過時的橋跨結構動力響應。試驗結構表明，在動力試驗荷載作用下，大準增二線黃河大橋連續剛構橋的動力特性、橋梁動力穩定性和安全性、列車過橋時橋梁運行平穩性和安全性測試過程中均未見異常，橋梁動力性能良好。

動載試驗；特性；振動

一、概況

改建鐵路大同至準格爾線增二線二道河至點岱溝段黃河特大橋位于內蒙古自治區清水河縣境內岔河口村，橋位在既有大準線黃河橋上游31.0m處，規劃航道等級為Ⅳ。主橋為(96+132+96)m的預應力混凝土連續剛構體系，引橋采用9×32m簡支梁。主橋梁體采用單箱單室變截面箱梁，梁體為三向預應力體系，剛壁墩采用矩形空心墩，基礎結構均采用鉆孔灌注樁[1]。橋梁中心里程為DK235+921.73，全長636.37m。橋型及橫截面布置見圖1所示。

(a)立面布置圖(單位：m)

(b)支點截面圖(單位：cm)

(c)跨中截面圖(單位：cm)

橋梁結構動載試驗是檢驗結構整體的動力性能是否達到設計要求的重要手段，也是綜合判斷結構的承載能力和安全運用條件的重要依據。通過有限元方法進行橋梁結構動力特性計算，建立動力試驗的理論依據。然后進行大橋現場動載試驗，將測試結果進行分析比對，進而評價橋梁的實際狀態。

二、試驗內容

橋梁結構的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結構的聯合震動特性是動載試驗研究的主要內容，這些特性參數是表征橋梁總體狀況的重要指標。本次黃河特大橋動載試驗主要包括脈動試驗和強迫震動試驗部分，通過測試確定橋梁的橫、豎向動力剛度，結構的自震頻率，列車作用下梁體的加速度等相關參數，能夠更加全面的了解該橋梁的動力特性[2]。

(一)有限元模型

主梁有限元模型采用變截面的三維空間梁單元模擬，縱梁本身的剛度作為梁單元的剛度。在主梁單元中除了縱梁本身的質量外，橋面鋪裝及橋面附屬物質量將均布于其中，主梁梁單元的其他性質不改變，有限元模型如圖2所示。

圖2 黃河特大橋動力計算模型

(二)脈動試驗

脈動試驗是建立在假設環境激勵為平穩的各態歷經基礎之上的，認為在橋梁振動頻率的中低頻段內，環境振動的激勵譜比較平坦，橋梁各階的模態阻尼比較小，模態之間的耦合可以略去；在環境激勵的頻率與橋梁的自振頻率接近或一致時，由于共振效應橋梁吸收環境激勵的能量，結構響應較大；在環境激勵的頻率與橋梁自振頻率相差較大時，結構響應較小。脈動試驗就是利用這種響應差異確定橋梁自振特性。

脈動試驗采用在橋面上、下游布置891速度傳感器進行測試，具體測點布置如圖3所示。

圖3 脈動試驗測點布置示意圖

(三)行車試驗

行車試驗是用試驗列車對橋梁施加動荷載，測試特定位置的振幅、加速度、動位移等動力響應值，并分析、獲取橋梁的動力響應特性，進而對它們進行評估。試驗列車以5、20、40、50、60、70、80km/h速度駛過大橋，測量橋梁結構及車輛的動力響應，各個速度在大同—準格爾方向各一次。

(四)沖擊系數

沖擊系數表現的是橋梁強迫振動響應情況，強迫振動主要與激振力、激振力頻率、固有頻率、跨度以及激振力和振動的耦合作用關系等因素相關。激振力屬荷載本身的固有因素，主要跟橋梁的材料特性、剛度、質量分布、結構形式有關，激振力頻率及激振力和橋梁振動的耦合作用關系則與橋面的不平整度息息相關[3]。因此，沖擊系數與橋梁跨度、橋面線路平整度、實際剛度、材料性質等因素均相關。

三、測試結果與分析

通過在橋梁空間結構上設置合適的測點，并布置高靈敏度的傳感器，對環境激勵下引起的橋梁結構振動長時間、大樣本的記錄，對記錄下來的振動時程信號進行時域和頻域處理、分析。通過對功率譜曲線(自譜和互譜)的峰值和相位的測試，橋梁的各階空間自振頻率和各階模態空間振型可以確定，然后通過幅頻圖上各峰值處的半功率帶寬或時域上的自相關確定各階模態阻尼比。試驗的各類數據整理結果如下。

(一)主梁橫向振幅值

實測的主梁橫橋向振幅與車速關系圖見圖4，圖中振幅數值為兩次相同速度行車試驗的平均值。

圖4 主梁橫向振幅與車速關系圖

各車速下9#-10#跨和11#-12#跨橫向振幅安全限值10.75mm，通常值2.76mm；10#-11#跨橫向振幅安全限值14.67mm，通常值=3.77mm[4]。實測橫向振幅值小于規范要求的安全限值和通常值。

(三)橫向加速度值

實測橋梁加速度值最大值見表1:

表1 加速度測試結果

實測主梁豎向加速度最大值為1.31m/s2，道渣橋面強振頻率不大于20Hz的豎向振動加速度a≤0.35g=3.50m/s2，實測值小于規范值，滿足規范要求。橫向加速度實測最大值為0.52 m/s2，規范要求橋跨結構在荷載平面內的橫向振動加速度不應超過1.4 m/s2，實測值小于規范限值，滿足要求。

(三)動力系數

準格爾—大同方向各進行一次測量，實測各車速下橋梁跨中豎向動力系數列于表2。

表2 動力系數值

本橋動力系數規范計算值為1+μ1.074，實測最大值為1.071，實測值均小于設計值，滿足規范要求。

(四)橋跨結構的頻率

用環境脈動測試法測試結構的自振頻率和阻尼比，采用時間窗函數進行譜分析，根據實際情況設置低通，保證數據的可靠性。分析得出橋梁的自振頻率，實測頻率及阻尼比與理論計算值的比較見表3。

表3 主梁固有頻率實測及計算結果

大橋實測橫向一階彎曲振動頻率為1.00 Hz，大于計算值0.85Hz；實測豎向一階彎曲振動頻率為1.60Hz，大于計算值1.43Hz。均大于計算值，說明橋梁橫、豎向動力剛度滿足設計要求。本橋實測阻尼比在1.46%～1.90%之間。

根據規范要求，各種橋跨結構在荷載平面處實測最低橫向自振頻率通常值≥90/L=90/132=0.68Hz，由表3可以看出，實測最低橫向自振頻率為1.00Hz，實測值大于規范值，滿足要求。

四、試驗結論

動載試驗的主要結果均滿足《鐵路橋梁檢定規范》的要求，說明該橋具有足夠的強度及剛度，列車以規定的速度通過時，能夠保證列車過橋的安全性和舒適性。在動力試驗荷載作用下，大準增二線黃河大橋連續剛構橋的動力特性、橋梁動力穩定性和安全性、列車過橋時橋梁運行平穩性和安全性測試過程中均未見異常，說明該橋的動力特性良好。

[1]鐵道第三勘察設計院集團有限公司： 《改建鐵路大同至準格爾線增二線二道河至點岱溝段黃河特大橋施工圖》.

[2]唐懷平,王鳳勤.大跨徑橋梁自振特性試驗的環境隨機激振法[J].西南交通大學學報，2000，35(2)：126-128.

[3]任志剛,盧哲安,魏文暉,陳應波,楊華. 立交預應力連續箱梁橋的動力測試及分析[J]. 武漢理工大學學報,2005,27:42-44.

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵路橋梁檢定規范[S].北京:中國鐵道出版社,2004.

胡泊(1975-)，男，漢族，助理工程師，神華準格爾能源有限公司基建中心，橋隧方向。