重載運輸條件下64m 單線鋼桁梁橋靜動力學性能分析

牟志鈺

（國能朔黃鐵路肅寧分公司，河北 滄州 061800）

我國鐵路橋梁常用的一種結構形式是64m 鋼桁梁，這種結構形式主要應用于單線橋，為了提高64m 單線鋼桁梁橋的堅固性和穩定性，在重載運輸條件下，如何科學地分析和研究64m 單線鋼桁梁橋動力學性能是技術人員必須思考和解決的問題。

1 試驗目的、內容及評定標準

1.1 試驗目的

本次試驗目的主要體現在以下幾個方面：（1）通過采用靜載試驗的方式，可以全面了解和掌握橋梁結構所承載的實際能力。根據橋梁評定相關標準和要求，可以實現對病害結構的定量分析和定性分析，然后，通過分析和判斷實測數據，可以全面了解和掌握病害與橋梁結構之間的關系[1]。（2）通過采用動載試驗的方式，可以全面了解和掌握橋梁振幅、頻率、加速度等動力特性，為后期科學分析和找出橋梁振動規律提供重要的依據和參考。此外，列車行駛速度不同，所對應的動力性能實測值也存在一定的差異，在確定橋梁運營條件時，技術人員要充分考慮列車動力性能這一特性。（3）針對靜動載試驗測試結果，充分利用理論計算相關知識，對橋梁結構受力特性進行全方位判斷，同時，還要根據靜動載試驗結果，不斷修改、優化和完善理論計算模型。（4）采用靜動載試驗的方式，對橋梁結構的狀態進行準確識別和檢測，為后期評定和研究橋梁性能提供重要的依據和參考。

1.2 試驗內容

本次實驗內容主要包含結構檢算、靜載試驗、動載試驗三大模塊。其中，結構檢算主要是指按照設計荷載檢算相關標準和要求，對撓度、內力等指標進行控制。靜載試驗包含以下環節，分別是主要桿件控制截面測試、活動支座縱向測試、活動支座豎向測試和主梁橫截面撓度測試。動載試驗主要包含以下幾個環節，分別是控制界面測試、桿件動力系數測試、跨中截面撓度測試、支座縱向參數測試、橋跨結構豎向振幅測試。

1.3 評定標準

在對鐵路橋梁進行試驗檢驗的過程中，經常用到以下兩種判別值，一種是行車安全通常值，另一種是行車安全限值。一旦實測數據無法達到行車安全通常值的相關標準和要求時，技術人員要及時查找、分析超限原因，并對其進行解決。橋梁結構在具體的設計中，必須要滿足行車安全限值這一指標，避免因出現超限現象而降低橋梁結構的設計水平。這兩種判別值使用注意事項如下：（1）橋跨結構豎向撓跨比所對應的通常值必須要達到：1/1250。（2）橋梁結構橫向振幅所對應的鋼桁梁長度要在40m 到96m 之間。梁體橫向自振頻率必須要符合鐵路橋梁相關規定，避免空載貨車在行駛的過程中，出現脫軌現象，此外列車行駛速度不同所對應的橋梁結構橫向自振頻率也會存在很大的差異，需要技術人員根據列車行駛速度，對其進行科學調整和控制。（3）為了保證鋼桁梁結構檢驗結果的準確性、完整性和真實性，技術人員要按照如表1 所示的橋梁結構校驗系數通常值，不斷提高橋梁結構的堅固性和穩定性，以滿足人們的安全出行需求[2]。

表1 橋梁結構校驗系數通常值

2 試驗方法

2.1 試驗列車編組

在進行靜動載試驗的過程中，首先要做好對試驗荷載的控制和確定，同時還要采用特定編組列車的方式，實現鐵路橋梁靜動載性能的科學測試和試驗。此外，還要在充分結合鐵路橋梁荷載效率的基礎上，完成對列車的科學編組，鐵路橋梁規范相關文件明確指出靜動載試驗所對應的荷載效率必須在0.80～100 之間。為了保證試驗列車編組結果的準確性、完整性和真實性，提高靜動載試驗荷載效率，要優先選用軸重量大、軸間距小的車輛。然后，采用理論計算的方式，將本次試驗列車設置為重列車，以滿足本線路運營需求。此外，還要在綜合考慮靜動載試驗荷載效率、機車智能性等因素的基礎上，將試驗列車編組的機車型號設置為DF4B，將滿載重車和空車分別設置為8 輛。通過利用相關計算軟件，完成對鐵路橋梁有限元模型的構建，在荷載影響下，精確計算和設計鐵路橋梁結構的彎矩和撓度值，然后嚴格按照靜動載試驗荷載效率相關標準和要求，科學控制和確定試驗列車荷載值以及具體的加載位置。

2.2 試驗工況

將靜動載試驗過程、靜載試驗過程、動載試驗過程分別劃分為11 工況、2 工況、9 工況。然后在進行動載試驗的過程中，要采用控制試驗橋梁區間的方式，保證列車行駛速度的平穩性，同時還要提取和匯總所有工況的關鍵數據，并將最終的匯總結果與理論計算結果進行對比分析，在保證工況關鍵數據滿足相關理論值的基礎上，盡可能提高工況的安全儲備值，為開展下一工況測試工作提供重要的依據和參考，一旦發現工況關鍵數據超過了標準值范圍，需要在第一時間暫停試驗操作[3]。

2.3 測點布置

鋼桁梁靜載試驗測點總體布置示意圖如圖1 所示，在上弦桿、下弦桿、橋門架斜桿、斜桿以及豎桿的某一截面上設置五個不同的應變測點；在縱梁上下翼緣和橫梁的上下翼緣的同一截面上設置兩個應變測點。

圖1 鋼桁梁靜載試驗測點總體布置示意圖

3 試驗結果分析

3.1 靜載試驗結果分析

3.1.1 撓度測試結果分析

在試驗列車的影響下，鐵路橋梁主桁撓度、縱橫梁撓度和支座位移三個參數的實測值如表2 和圖2 所示。

表2 主桁撓度、縱橫梁撓度及支座位移實測值

圖2 主桁撓度、縱橫梁撓度及支座位移實測值柱狀圖

從表2 中的數據可以看出，在試驗列車的影響下，主桁撓度實測值、理論值以及校驗系數分別達到了39.71mm、42.38mm 和0.94。經過換算處理后，在活載影響下，撓跨比達到了1/1499，撓度校驗系數超過了鐵路橋梁相關規定值，但是撓跨度卻低于鐵路橋梁相關規定值，同時鐵路橋梁豎向剛度的安全儲備能力較低。

3.1.2 應力測試結果分析

在試驗列車影響下，經過對應力測試結果分析，得知鋼桁梁桿件硬度不達標，有待加強。朔黃鐵路南運河特大橋位于黃河地區，該地區環境比較潮濕，部分構件出現嚴重侵蝕現象，嚴重影響了橋梁剛度，為了保證橋梁的堅固性和穩定性，技術人員要加強對橋梁銹蝕部位的除銹操作，同時還要做好防銹保護工作，在條件允許的情況下，可以對全橋進行全方位的防銹處理，為進一步提高橋梁的穩定性、可靠性和安全性打下堅實的基礎。此外，為了有效地解決橋梁部分桿件剛度不足問題，還要采用增加鋼板的方式，盡可能擴大桿件的橫截面積，以達到提高橋梁結構堅固性的目的。另外，還要在綜合考慮施工難度、施工需求的基礎上，嚴格按照施工連續運營相關標準和要求，做好對桿件的栓接處理。

3.2 動載試驗結果分析

3.2.1 橋跨結構橫向振幅

橋跨結構跨中橫向振幅，在試驗列車的影響下，當橋跨結構跨中橫向振幅地域鐵路橋梁規定值時，橋梁體橫向剛度較大，且安全儲備能力較高。當列車速度在5km/h～50km/h 之間時，在列車行駛速度的不斷提高下，橫向振幅對應的實測值呈現出不斷上升的趨勢。當列車行駛速度超過50km/h 時，橫向振幅對應的實測值有所下降，并逐漸向平穩不變的趨勢轉變，由此可見，當列車行駛速度在60km/h 到80km/h 之間時，如果列車行駛速度不斷上升，不會對橫向振幅產生相應的影響。

3.2.2 橋跨結構橫向加速度

橫向加速度主要是指在單位時間內，對速度改變的幅度，真實地反映出了橋梁結構橫向受力實際情況。橋跨結構跨中橫向加速度。對于橋跨結構而言，其橫向加速度如果低于鐵路橋梁規定值，那么隨著列車行駛速度的不斷提高，橫向加速度會呈現出先下降后上升的趨勢，當列車行駛速度在20km/h 與30km/h 之間時，橫向加速度值達到最低。由此可見，對于橋跨結構而言，其跨中橫向振幅與動力系數均符合鐵路橋梁相關規范和要求。

3.2.3 橋跨結構豎向振幅

對于橋跨結構而言，其豎向振幅在某種程度上可以真實、形象地反映出橋跨結構的豎向剛度大小，橋跨結構豎向振幅在列車行駛速度的不斷上升下，橋跨結構所對應的豎向振幅實測值也呈現出不斷上升的趨勢，并且上升幅度逐漸增大，由此可見，列車速度的大小對橋跨結構豎向振幅產生直接性的影響。

3.2.4 墩頂橫向及縱向振幅

對于橋墩墩頂而言，其橫向振幅值可以直觀、形象地反映出橋墩橫向強度和剛度。當列車行駛速度不斷上升，橋墩墩頂橫向振幅所對應的實測值并沒有發生明顯的變化，始終低于通常值，出現這一現象的原因是橋墩高寬比在2.5 以下，被視為“低墩領域”，由此可見，對于橋墩墩頂而言，其橫向強度和剛度相對較高，且具有良好的安全儲備能力。另外，當列車行駛速度不斷上升時，橋墩墩頂縱向振幅所對應的實測值呈現出不斷上升的趨勢，由此可見，列車行駛速度的大小直接影響了橋墩墩頂的縱向振幅。因此，為了科學調整和控制橋墩墩頂縱向振幅，技術人員要重視對列車行駛速度這一因素的控制，只有這樣，才能提高橋梁結構的堅固性和穩定性，為保障人們出行的安全性和方便性打下堅實的基礎。

4 結束語

綜上所述，列車的行駛速度是影響橋跨縱向振幅、豎向振幅的重要因素。所以，為了提高橋梁結構的可靠性和堅固性，技術人員要重視對列車行駛速度的科學控制和調整，確保人們出行的安全性和方便性，為促進鐵路行業的健康、可持續發展提供有力的保障。