普速鐵路下承式大跨簡支鋼梁橋動載試驗研究

翁 艷 張 明 徐亞光

(1.四川廣播電視大學,四川 成都 610072； 2.中國鐵路成都局集團有限公司,四川 成都 610081)

既有普速鐵路線中，下承式簡支鋼桁梁數量較多，在32 m～80 m的中等跨度的橋梁中占有絕對地位。一般大于80 m跨度的簡支鋼桁梁可以稱為大跨度橋梁。而對于較大跨度的鋼桁梁橋，隨著現今重載運輸量增大，橋梁承受的動載也加大，導致橋梁的荷載效應變大。因此有必要對既有線橋梁結構進行動載試驗，分析并掌握其病害，保障列車的運營安全。

1 橋梁概況

渡口支線某鋼梁橋全長為297.20 m，主跨為176 m雙線簡支鋼桁梁(見圖1)，共設有22個節間，節間布置為(22×8)m。桁高24 m，主桁中心距10 m，橋面系采用縱橫梁體系，縱梁中心距2 m，線間距4 m。主桁采用拼接工字型截面，連接系采用角鋼或拼接工字型截面，橫梁和縱梁采用拼接工字型截面。其《鐵路橋涵設計規范》進行設計，活載設計等級為“舊中—24級”，檢定等級為“舊中—33.2級”。設計恒載采用14.0 t/m兩桁(包括橋面1.4 t/m兩桁)，風載分別采用100 kg/m2(橋上無車時)、120 kg/m2(橋上有車)和70 kg/m2(安裝時)。

鋼梁采用輥軸支座，小里程端為固定支座，大里程端為活動支座。主桁(局部受力立桿及掛桿除外)、橫梁、頂梁及頂梁托架采用16Mn低合金鋼，其他桿件材料采用A3q碳鋼，全橋采用鉚接，鉚釘采用ML2碳鋼。

2 動載試驗

試驗時對該梁跨中振幅、加速度、動撓度、梁體自振頻率、動應力及活動支座縱向位移進行測試，并測試該橋3號、4號墩墩頂橫向振幅。過路列車通過時也需測試以上內容。

2.1 模態測點布置

選取鋼桁梁測試其前5階自振頻率及相應振型。測點布置見表1。

表1 大橋脈動試驗測點布置

2.2 動載測點布置

大橋動載試驗測點布置見表2，其中主桁桿件動應力測點均取截面靜載應力最大點位，縱橫梁跨中上、下翼緣各取1個測點。

2.3 動載試驗工況

本次動載試驗采用試驗專用列車進行加載，動載試驗列車編組采用SS3+10C70(重車)+12C70(空車)+SS3。試驗列車速度等級為5 km/h,40 km/h,50 km/h,60 km/h,70 km/h,75 km/h，除5 km/h速度級跑車1次外，其余每速度級要求跑車3次，共16趟車。試驗時，每提高一個速度級均對上一速度級測試數據進行分析、判斷，確認無危險后才進行下一速度級試驗。試驗期間，對通過貨運列車也進行測試，貨車測試19趟。

表2 動載試驗測點布置

3 試驗結果及分析

3.1 動載應力及動力系數

3.1.1主桁桿件動載應力及動力系數

鋼桁梁主桁桿件的實測最大動應力及動力系數見表3。

表3 鋼桁梁主桁桿件最大動載應力及動力系數

由主桁桿件動應力測試結果可知，動載試驗車通過時，上、下弦桿實測應力動力系數為1.003～1.127，斜桿實測應力動力系數為1.002～1.127，豎桿實測應力動力系數為1.001～1.052，均小于設計動力系數1.130。

3.1.2縱橫梁動載應力及動力系數

鋼桁梁縱橫梁各桿件的實測最大動應力及相應動力系數見表4。

表4 鋼桁梁縱橫梁跨中最大動載應力及動力系數

由縱橫梁動應力測試結果可知，動載試驗車通過時，鋼桁梁縱梁實測應力動力系數為1.00～1.11(過路車：0.98～1.09)，小于設計動力系數1.583；橫梁實測應力動力系數為1.02～1.22(過路車：1.08～1.49)，小于設計動力系數1.500。

3.2 動撓度

在試驗車作用下，實測鋼桁梁及鋼板梁橋跨中截面動撓度最大值分別為71.006 mm(75 km/h，上行)和22.602 mm(75 km/h，上行)。鋼桁梁和鋼板梁最大撓度動力系數分別為1.054和1.046，均發生在試驗列車以75 km/h通過時。鋼桁梁與鋼板梁最大撓度動力系數小于《鐵路橋梁檢定規范》(下稱《橋檢規》)動力系數參考值1.130(鋼桁梁)及1.389(鋼板梁)，滿足規范要求。鋼桁梁及鋼板梁跨中動撓度與車速的關系見圖2。

鋼桁梁撓度動力系數大致隨試驗列車速度的提高呈現增大，在50 km/h～70 km/h速度范圍內，鋼桁梁撓度動力系數變化很小，在車速達到75 km/h時，撓度動力系數顯著增大；鋼板梁撓度動力系數也大致隨試驗列車速度的提高呈現增大，在車速不小于60 km/h時，動力系數顯著增大。

3.3 活動支座位移

大橋鋼桁梁共4個支座，鋼梁采用輥軸支座，本次試驗大里程端活動支座縱向位移測試結果為：上游側動載試驗車通過時為20.42 mm，貨車通過時為20.35 mm，下游側動載試驗車通過時為18.76 mm，貨車通過時為20.54 mm，位移值均在設計范圍之內，表明活動支座工作正常。

3.4 端橫梁動位移

鋼桁梁端橫梁動撓度最大值為0.50 mm(過路車0.73 mm)，參照日本《鐵路結構物設計標準及其解釋——變位限制》(2006年2月)規定的端橫梁動撓度應不大于4 mm，《鐵路橋隧建筑物修理規則》規定的端橫梁撓度不大于2 mm，說明該橋端橫梁動撓度正常。

3.5 伸縮縱梁動位移

本次試驗伸縮縱梁的縱向位移測試結果見表5。

表5 鋼桁梁伸縮縱梁最大縱向位移結果表 mm

由伸縮縱梁動位移測試結果可知，動載作用下伸縮縱梁工作狀態正常。

3.6 振動結果分析

3.6.1鋼桁梁自振特性

1)脈動法測試結果。

鋼桁梁自振頻率采用脈動法測定，測試結果見表6。

表6 鋼桁梁自振頻率結果表 Hz

2)余振法測試結果。

橋跨結構橫向自振頻率采用結構余振自由衰減振動法測定，鋼桁梁、鋼板梁及橋墩余波自振測試結果見表7。

表7 鋼桁梁、鋼板梁及3號、4號墩自振頻率結果表 Hz

3.6.2梁體跨中橫向振幅

通過對試驗車及過路列車測試，梁體跨中橫向振幅與試驗車速度的關系散點圖見圖3。

由測試結果數據分析可得：

試驗車作用下，實測鋼桁梁跨中橫向振幅最大值為3.06 mm，小于《橋檢規》貨列重車跨中橫向最大振幅通常值[Amax]5%=L/(2.2B)=8.00 mm，也小于《橋檢規》安全限值[Amax]5%=L/(75L+3 500)=10.54 mm；

過路貨車作用下，鋼桁梁跨中橫向振幅最大值為3.18 mm，通過速度為30 km/h，小于《橋檢規》貨列重車跨中橫向最大振幅通常值(Amax)5%=L/(2.2B)=8.00 mm，小于《橋檢規》安全限值[Amax]5%=L/(75L+3 500)=10.54 mm。

綜上，說明在過路貨車和過路客車作用下，鋼桁梁的橫向振幅小于《橋檢規》安全限值。

3.6.3梁體跨中豎向振幅

通過對試驗車及過路列車測試，梁體跨中豎向振幅與試驗車速度的關系散點圖見圖4。

由測試結果數據分析可得：

在試驗列車作用下，鋼桁梁跨中豎向最大振幅為1.99 mm(動載試驗車，速度75 km/h)；在過路貨車作用下，鋼桁梁跨中豎向最大振幅為1.29 mm(過路貨車，速度39 km/h)。如圖4所示橋梁豎向振幅最大值隨著試驗列車速度的增大而增大，且較為明顯。

3.6.4梁體跨中加速度

通過對試驗車及過路列車測試，實測梁體跨中橫、豎向加速度分別經40 Hz低通濾波、20 Hz低通濾波后，得到：

1)按40 Hz低通濾波得到的鋼桁梁梁體最大橫向加速度為0.61 m/s2(動載試驗車，速度75 km/h)，滿足《橋檢規》要求；鋼板梁梁體最大橫向加速度為1.52 m/s2(動載試驗車，速度60 km/h)，不滿足《橋檢規》要求。

2)按20 Hz低通濾波得到的鋼桁梁梁體最大豎向加速度為0.56 m/s2(動載試驗車，速度75 km/h)。且振動加速度值隨試驗列車速度的提高有增大的趨勢。

3.6.5橋墩橫向振動

通過對試驗車及過路列車測試，墩頂最大橫向振幅與試驗車速度的關系散點圖見圖5。

由測試結果數據分析可得，試驗車作用下的3號、4號墩最大橫向振幅分別為0.09 mm，0.13 mm，均小于規定的墩頂橫向振幅通常值要求，說明橋墩橫向剛度較好。

4 結語

通過對鋼桁梁、鋼板梁及橋墩進行動載試驗，得出主要結論如下：

1)鋼桁梁弦桿實測應力動力系數、斜桿實測應力動力系數、豎桿實測應力動力系數、縱梁實測應力動力系數、橫梁實測應力動力系數均小于設計動力系數；

2)鋼桁梁、鋼板梁跨中撓度動力系數小于《橋檢規》動力系數參考值；

3)動載試驗車通過時，活動支座最大縱向位移均在設計范圍之內，表明支座工作狀態正常；

4)鋼桁梁端橫梁動撓度最大值為0.50 mm(過路車0.73 mm)，參照日本《鐵路結構物設計標準及其解釋——變位限制》(2006年2月)規定的端橫梁動撓度應不大于4 mm，《鐵路橋隧建筑物修理規則》規定的端橫梁撓度不大于2 mm，說明該橋端橫梁動撓度正常；

5)鋼桁梁、鋼板梁實測橫向自振頻率滿足《橋檢規》要求，3號、4號墩橫向自振頻率不滿足《橋檢規》要求；

6)實測鋼桁梁梁體跨中橫向振幅最大值滿足《橋檢規》規定的要求，說明鋼桁梁橫向剛度較強；實測鋼板梁梁體跨中橫向振幅最大值滿足《橋檢規》規定的要求；

7)實測墩頂最大橫向振幅均滿足《橋檢規》規定的墩頂橫向振幅通常值；

8)建議定期對3號、4號墩進行橫向振幅自振測試。