大跨度簡支拱形鋼桁梁橋靜動力性能試驗研究

孟令強

（1.鐵正檢測科技有限公司，濟南 250014；2.中鐵十四局集團有限公司，濟南 250014）

橋梁承載能力評估方法［1］主要包括外觀調查、橋梁檢算、荷載試驗、可靠度分析、專家系統評估、模糊數學評估等。因橋梁荷載試驗的評定結果更直觀、可靠，該方法被廣泛采用。橋梁荷載試驗通過在橋梁結構上施加與控制荷載［2］相當的外荷載，采用分級加載的方法，利用檢測儀器測試橋梁結構指定部位在各級試驗荷載作用下的應力、位移、裂縫、速度、加速度、振幅等，將測試值與對應荷載作用下的計算值及相關規范限值對比，從而了解橋跨結構的工作狀況，檢驗實際承載能力，判斷其使用壽命。

大跨度鋼桁梁橋結構由于具有受力好、重量輕、跨度大、滿足較高強度和剛度要求等優點，成為跨越河流、深溝峽谷的理想橋型，在我國鐵路建設中得到廣泛應用。文獻［3-9］對高速鐵路和普速鐵路中存在的簡支、連續鋼桁梁進行了理論分析和現場荷載試驗研究，但針對大跨度簡支拱形鋼桁梁橋相關試驗研究卻很少。

本文以京張高鐵官廳水庫特大橋主橋為對象，通過理論分析和現場靜動載試驗，開展橋梁靜動力性能試驗研究，檢驗橋梁整體靜動力性能是否滿足設計及規范要求，為交工驗收提供參考數據。

1 工程概況

京張高速鐵路是2022年北京冬奧會重要交通保障設施，是世界上首條最高設計時速350 km 的智能、抗高寒、抗大風沙高速鐵路。官廳水庫特大橋是京張高速鐵路全線控制性工程之一，橋梁全長9077 m，雙線設計，線間距5.0 m。橋梁平面位于直線上，縱斷面位于2.0‰的上坡段和-2.0‰的下坡段，豎曲線半徑25 km。主引橋過渡墩采用分離式墩身，在兩側引橋混凝土箱梁與主橋鋼梁之間設置阻尼器。主橋采用8×110 m簡支鋼桁梁結構（圖1），是我國修建的第一座大跨簡支拱形鋼桁梁橋，設計活載為ZK活載。

圖1 官廳主橋

主橋單孔鋼梁長109.7 m、質量1863 t，鋼梁采用上弦變高度桁式結構，近似拱形。主桁支點高11.0 m，跨中高19.0 m，寬13.8 m，節間長10.8 m；橋面系為正交異性鋼橋面板；鋼結構材質主桁桿件及鋼橋面板采用Q370qE 鋼，上平縱聯桿件及橋門架、中間橫聯桿件采用Q345qE 鋼。軌道采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，無縫線路，60 kg/m 的重軌。鋼梁支座均采用球型鋼支座，每孔梁設置1 套固定支座、縱向活動支座、橫向活動支座和多向活動支座。

2 靜載試驗

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil 2019 建立110 m 簡支拱形鋼桁梁橋空間桿系有限元模型進行ZK 活載和試驗荷載作用下的桿件應力及結構整體變形分析。模型主桁、拱肋、橫聯、橫梁、縱梁采用梁單元；門架、上平聯斜桿采用桁架單元；橋面板及U 肋、I肋采用板單元。ZK 活載作用下結構整體變形見圖2。

圖2 ZK活載作用下結構整體變形（單位：mm）

考慮第8 跨橋面搭設有腳手架，橋下檢測小車停靠在此跨，便于安裝傳感器。因此，選取第8孔鋼桁梁進行靜載試驗。靜載測點布置見圖3。

圖3 靜載測點布置

2.2 測試方法

1）應力測試。采用弦式應變傳感器進行應變測試，同時配套自動化綜合測試系統實現應力測試數據的實時采集、處理和預警。

2）撓度觀測。采用2臺高精度電子水準儀分別進行上行側、下行側主桁下弦節點位置的撓度觀測。

3）支座縱向位移及梁端轉角測試。采用百分表測試支座縱向位移和梁端豎向位移，通過計算將梁端豎向位移轉化為梁端轉角。

2.3 試驗荷載及工況

根據橋梁截面控制桿件的軸力影響線確定最不利輪位，按最大試驗荷載進行分級加載。靜載試驗中要求荷載效率處在0.8 ～1.0。根據現場實際情況，采用DF4機車、K13型和K13K型風動卸砟車進行加載，列車編組為1×DF4+2×K13（滿載）+4×K13K（滿載），左右線各1 列。不同工況加載輪位見圖4。加載車理論軸重和軸距見圖5。測試對象的荷載效率見表1。

圖4 不同工況加載輪位（單位：kN）

圖5 加載車理論軸重和軸距（單位：mm）

表1 靜載試驗測試對象荷載效率

2.4 測試結果分析

2.4.1 應力測試結果

最不利工況下橋跨結構應力測試結果見表2。可知：應力校驗系數為0.48 ～0.89，均小于1.0，表明結構強度滿足規范要求［10］；相對殘余應力為5.50% ～9.28%，滿足規范相對殘余應力小于20%的要求［2］。

表2 橋跨結構應力測試結果

2.4.2 撓度測試結果

最不利工況下橋跨結構撓度測試結果見表3。可知：撓度校驗系數為0.72 ～0.79，均小于1.0；根據表2 中的荷載效率將主桁跨中節點實測撓跨比換算為ZK 活載對應的撓跨比1/5230，滿足設計文件中小于1/3396 的要求，遠小于規范限值1/1500［11］；相對殘余撓度為1.53%～2.36%，滿足規范相對殘余撓度小于20%的要求。

表3 橋跨結構撓度測試結果

2.4.3 梁端轉角測試結果

梁端轉角測試結果見表4。可知：中縱梁梁端轉角最大值為1.260 ‰rad，換算為ZK 活載的轉角最大值為1.416‰rad，小于規范轉角限值1.616‰rad。

表4 梁端轉角測試結果 ‰rad

2.4.4 支座縱向位移測試結果

試驗荷載作用下E0 支座最大縱向位移僅有1.24 mm，發生在張家口方向，遠小于理論值8.85 mm。主要原因是支座摩擦力約束了部分縱向位移。

綜上，應力測試結果滿足規范相關要求，撓度、梁端轉角和支座縱向位移實測值均滿足要求，且殘余撓度較小，彈性恢復能力較強，表明橋梁結構具有足夠的剛度，彈性工作狀態良好。

3 動載試驗

3.1 試驗內容

1）動力特性試驗。利用自然激勵采用振動傳感器對橋梁結構的自振頻率進行測試。

2）動力響應試驗。測試正常運營列車過橋時橋梁振動規律、動應力和動撓度變化規律，以及橋梁安全運營的其他技術參數。

動力特性試驗測點布置：在左桁下弦各節點布置橫向、豎向振動測點，在左桁上弦各節點布置橫向振動測點，在右桁下弦各節點布置豎向振動測點。動力響應試驗測點布置見表5。

表5 動力響應試驗測點布置

3.2 測試方法

1）動力特性試驗。選用中國地震局工程力學研究所研制生產的941B型傳感器及配套放大器，匹配北京東方振動研究所INV-306U 動態數據采集系統進行數據采集，采樣頻率128 Hz。

2）動力響應試驗。振動測試同樣選用941B 型傳感器及配套放大器，匹配INV-306U 采集系統，采樣頻率512 Hz；動應變測試選用應變片匹配揚州晶明JM3848 無線動靜態應變測試系統，采樣頻率128 Hz；動撓度測試選用北京光電技術研究所研制生產的BJQN-5B型橋梁撓度檢測儀。

選用儀器的主要技術指標見表6。

表6 選用儀器的主要技術指標

3.3 測試結果分析

3.3.1 動力特性測試結果

1）自振頻率。通過對自然激勵下所得時程曲線進行頻譜分析，基于FFT（Fast Fourier Transform）方法得到自振頻率實測值，見表7。

表7 自振頻率實測值及理論值 Hz

由表7 可知：實測橋跨橫向自振頻率（1.61 Hz）大于理論計算值（0.73 Hz），表明該橋橫向剛度足夠；實測橋跨豎向自振頻率（2.44 Hz）大于理論計算值（1.95 Hz），表明該橋豎向剛度足夠。

2）阻尼比。截取橋梁結構過車后的余振信號，采用INV 阻尼計法計算得到該橋第1 階阻尼比為1.58%，與一般鋼結構阻尼比1.00%～3.00%接近。

3.3.2 動力響應測試結果

采用中國鐵路總公司統一調配的CRH380AJ-0203（8 輛編組）綜合檢測列車按照規定的速度級進行3 個單程的結構動力響應測試。綜合檢測列車作用下實測數據最大值見表8。

由表8可知：

表8 綜合檢測列車作用下實測數據最大值

1）跨中振幅。①實測跨中橫向振幅最大值為0.15 mm，實測跨中豎向振幅最大值為1.01 mm，實測墩頂橫向振幅最大值為0.050 mm，小于規范通常值0.051 mm［12］，滿足要求；②梁體跨中、墩頂橫向振幅與行車速度關系不明顯，梁體跨中豎向振幅隨行車速度的提高而增大；③實測梁體跨中橫向、豎向振幅及墩頂橫向振幅均較小；④在試驗車速范圍內未發生共振現象。

2）跨中豎向加速度。實測跨中豎向加速度最大值為0.65 m/s2，滿足在強振頻率（小于等于20 Hz）作用下，橋面豎向振動加速度限值5.0 m/s2的要求［13］；梁體跨中豎向加速度與行車速度關系不明顯。

3）動應變動力系數。由于A1′E0′，A5E4 桿件的動應變動力系數實測值小于E4E5 桿件，因此表中僅給出了E4E5桿件的實測數據。E4E5桿件動應變動力系數最大值為1.20，動應變動力系數與行車速度關系不明顯。

另外，對E0橫梁動撓度及動應變動力系數進行了測試。綜合檢測列車作用下，E0橫梁豎向動撓度最大值為0.38 mm，滿足限值1.0 mm 的要求［13］；動應變動力系數最大值為1.14，對應的速度級為330 km/h。

4 結論

針對110 m 雙線下承式拱形鋼桁梁橋進行了理論分析和現場靜動載性能試驗研究，得到結論如下：

1）靜力荷載作用下主桁主要受力桿件應力實測值均小于理論計算值，表明結構的強度滿足設計要求；主桁下弦節點及端橫梁跨中節點撓度、中縱梁梁端轉角、支座縱向位移實測值均滿足要求，且殘余撓度較小，彈性恢復能力較強，表明結構具有足夠的剛度，彈性工作狀態良好。

2）梁體跨中橫向振幅、墩頂橫向振幅、梁體跨中豎向加速度、動力系數與行車速度關系不明顯，但梁體跨中豎向振幅隨行車速度的提高而增大；在試驗車速范圍內未發生共振現象。

3）墩頂橫向振幅、梁體跨中豎向加速度、端橫梁豎向動撓度均滿足規范要求；梁體橫向、豎向自振頻率大于理論計算值，表明該橋有足夠的橫向、豎向剛度。