高速鐵路大跨度加勁鋼桁連續(xù)剛構(gòu)梁靜動(dòng)力特性

葛新東

中國鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司，鄭州 450052

高速鐵路橋梁多采用跨度32 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，在跨越寬闊水域和高山峽谷時(shí)需要建設(shè)大跨度橋梁［1-2］。為滿足西部地區(qū)復(fù)雜地形地貌條件下橋梁建設(shè)的需求，高墩和大跨連續(xù)剛架橋得到了廣泛應(yīng)用［3-4］。連續(xù)剛構(gòu)橋具有主梁連續(xù)、墩梁固結(jié)、行車平順、方便施工的特點(diǎn)，且具有很大的順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度，滿足大跨徑受力要求。其中大跨度加勁鋼桁連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)形式新穎，但受力復(fù)雜［5］。

銀西高速鐵路漠谷河2號(hào)特大橋主橋采用180 m加勁鋼桁結(jié)構(gòu)，在高速鐵路橋梁中屬首次使用。本文基于有限元模型分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)該橋進(jìn)行靜動(dòng)力特性分析，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

銀西高速鐵路漠谷河2號(hào)特大橋位于陜西省咸陽市乾縣，全長1 605.22 m，是銀西高速鐵路全線跨度最大、墩高最高的橋梁，也是該鐵路陜西段重點(diǎn)控制性工程。大橋南段設(shè)計(jì)為大跨度（97.75+2×180+97.75）m組合結(jié)構(gòu)。為了滿足列車運(yùn)行安全性及乘坐舒適性，在保證結(jié)構(gòu)具有足夠剛度的情況下，如采用普通的混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，需增大截面尺寸，并且后期的徐變殘余變形將超限，難以滿足軌道平順性要求；如采用全鋼結(jié)構(gòu)，會(huì)大幅提高橋梁造價(jià)。因此，采用合理形式的組合結(jié)構(gòu)能夠較好地平衡結(jié)構(gòu)性能與經(jīng)濟(jì)性能。通過對(duì)幾種組合結(jié)構(gòu)橋梁形式進(jìn)行比選，考慮到橋下凈空較高，加拱或者部分斜拉橋會(huì)進(jìn)一步大幅增加橋面以上的結(jié)構(gòu)高度，施工風(fēng)險(xiǎn)及難度較大，因此選用高度較小的加勁鋼桁連續(xù)剛構(gòu)橋作為主跨結(jié)構(gòu)形式［6-7］。橋梁布置如圖1所示。

圖1 橋梁布置

該橋主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，跨中及邊支點(diǎn)處梁高4.8 m，中支點(diǎn)處梁高12.5 m，梁底按1.6次拋物線變化。在中跨156 m范圍內(nèi)設(shè)無豎桿三角形加勁鋼桁梁，桁高12 m，桁寬11 m，節(jié)間長度為12 m。加勁鋼桁下節(jié)點(diǎn)預(yù)埋于主梁混凝土內(nèi)，上節(jié)點(diǎn)采用整體式節(jié)點(diǎn)。主橋支座位于1#和5#墩上，采用TJGZ-LX-Q8000系列球形支座，橫向設(shè)3個(gè)支座，中間支座為縱向活動(dòng)支座，邊支座為多向活動(dòng)支座。2#—4#主墩采用矩形薄壁空心墩，1#邊墩采用矩形實(shí)體墩，5#邊墩采用圓端形空心墩。主橋均采用摩擦樁基礎(chǔ)［6］。

主梁中有節(jié)點(diǎn)梁段及0號(hào)梁段采用C55聚丙烯網(wǎng)狀纖維混凝土，其余梁體均采用C55混凝土。鋼絞線均采用符合GB/T 5224—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》要求的?15.2高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線。箱梁豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直徑32 mm的PSB830精軋螺紋鋼筋，普通鋼筋采用HPB300和HRB400。鋼桁梁均采用Q370qE級(jí)鋼。

2 橋梁靜力特性分析

2.1 建立有限元模型

采用MIDAS/Civil軟件建立橋梁有限元模型。墩、梁均采用梁?jiǎn)卧M，鋼桁梁采用桁架單元模擬，梁?jiǎn)卧?50個(gè)，桁架單元共202個(gè)。橋梁設(shè)計(jì)活載為ZK活載，二期恒載按190 kN/m考慮。按照橋梁設(shè)計(jì)文件中的列車豎向靜活載進(jìn)行靜力加載，算得跨中撓度為-37.7 mm，設(shè)計(jì)文件參考值為-39.0 mm，誤差3.3%，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

為了進(jìn)行對(duì)比分析，依據(jù)相同圖紙建立無鋼桁架連續(xù)剛構(gòu)橋模型。采用同樣加載方案，算得有鋼桁架模型邊跨撓度13.74 mm，中跨撓度33.67 mm；無鋼桁架模型邊跨撓度17.71 mm，中跨撓度51.50 mm。可見，連續(xù)剛構(gòu)橋跨中增加鋼桁架能提高結(jié)構(gòu)整體剛度30%。因此，對(duì)于高墩大跨高速鐵路橋梁，可以通過在跨中增加鋼桁梁的方式來提高橋梁整體剛度，保障高速鐵路的運(yùn)營安全。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

為全面分析高速鐵路大跨加勁鋼桁連續(xù)剛構(gòu)梁的性能，設(shè)計(jì)了荷載試驗(yàn)方案。計(jì)算橋梁各截面在設(shè)計(jì)活載作用下的彎矩包絡(luò)圖、應(yīng)力包絡(luò)圖及位移包絡(luò)圖來選取測(cè)試截面。計(jì)算各加載工況的理論值，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比計(jì)算結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)。

根據(jù)該橋受力特點(diǎn)，按照影響線和加載效率要求，采用列車編組為兩列HXN5+10×C70+HXN5，編組列車鉤-鉤總長度為183.632 m，軸-軸總長度為178.694 m；HXN5軸重25 t，C70實(shí)際裝載軸重22 t。靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

主要測(cè)試截面包括主梁邊跨最大正彎矩截面（截面A）、4#墩最大負(fù)彎矩截面（截面B）、中跨跨中最大正彎矩截面（截面C）、3#墩最大負(fù)彎矩截面（截面D）、4#墩頂部（截面E）、3#墩頂部（截面F）。

主要測(cè)試內(nèi)容包括：①各測(cè)試截面應(yīng)力；②主梁撓度，包括邊跨最大正彎矩截面撓度和中跨L/4、L/2、3L/4截面撓度（L為跨度）；③5#墩頂支座縱向位移；④5#墩頂梁端轉(zhuǎn)角；⑤鋼桁梁控制桿件（上弦桿A11A13、AA11AA13和 腹 桿E8A7、EE8AA7、E6A7、EE6AA7）應(yīng)力。

加載工況見表1。

表1 靜載試驗(yàn)加載工況

2.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 應(yīng)力

梁體及鋼桁梁應(yīng)力是評(píng)價(jià)橋梁強(qiáng)度的重要指標(biāo)，可用于評(píng)價(jià)橋梁的承載能力。根據(jù)表1，測(cè)試工況1、工況2下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，并與理論值對(duì)比，結(jié)果見表2。可知：兩種工況下主梁、橋墩及鋼桁梁應(yīng)力實(shí)測(cè)值均小于理論值，校驗(yàn)系數(shù)在0.61～0.89，均小于1.00。

表2 靜載試驗(yàn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

2.3.2 主梁撓度

主梁撓度是橋梁剛度的重要指標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用水壓式靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試，分別在邊跨最大正彎矩截面及中跨L/4、L/2、3L/4截面處設(shè)置16個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，左右側(cè)對(duì)稱布置，參見圖2。根據(jù)表1，測(cè)試得到4種工況下主梁撓度曲線，見圖3。將主梁最大撓度實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。

圖3 主梁撓度曲線

表3 靜載試驗(yàn)的主梁最大撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

由圖3和表3可知：主梁撓度實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果規(guī)律一致；各截面實(shí)測(cè)撓度均小于理論值；換算至ZK活載下實(shí)測(cè)撓跨比小于設(shè)計(jì)撓跨比，說明梁體剛度滿足設(shè)計(jì)要求［7］。

2.3.3 支座縱向位移

支座位移測(cè)點(diǎn)設(shè)在5#墩活動(dòng)支座處（參見圖2），加載工況為工況1。實(shí)測(cè)5#墩左右側(cè)支座縱向位移平均值分別為-3.19、-3.18 mm，而其理論計(jì)算值均為-4.41 mm，校驗(yàn)系數(shù)均為0.72。可見，活動(dòng)支座縱向位移重復(fù)性較好，支座變形基本正常。

2.3.4 梁端豎向轉(zhuǎn)角

梁端豎向轉(zhuǎn)角測(cè)點(diǎn)布置在5#墩頂（參見圖2），加載工況為工況1。梁端豎向轉(zhuǎn)角實(shí)測(cè)值為0.43‰rad，而理論計(jì)算值為0.61‰rad，校驗(yàn)系數(shù)為0.70；推算ZK活載實(shí)測(cè)值為0.52‰rad，小于ZK活載設(shè)計(jì)值0.74‰rad。滿足TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于梁端豎向轉(zhuǎn)角的限值要求。

3 橋梁動(dòng)力性能

3.1 橋梁自振特性

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)反映橋梁的整體狀態(tài)，主要包括振動(dòng)頻率、振型。對(duì)橋梁有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果見圖4。可知，橋梁前3階模態(tài)振型分別為0.650 Hz（一階橫彎）、0.753 Hz（二階縱飄）、1.153 Hz（三階豎彎），而實(shí)測(cè)前3階頻率分別為0.659、0.839、1.184 Hz，均大于相應(yīng)的理論值，說明結(jié)構(gòu)整體剛度滿足要求。

圖4 橋梁模態(tài)分析結(jié)果

3.2 動(dòng)力測(cè)試內(nèi)容與測(cè)點(diǎn)布置

采用中國國家鐵路集團(tuán)有限公司統(tǒng)一調(diào)配的CRH2C-2068綜合檢測(cè)列車進(jìn)行逐級(jí)提速動(dòng)載試驗(yàn)。動(dòng)車組測(cè)試速度級(jí)包括60、80、160、180、200、220、230、240、250、260、270、275、280、290、300 km/h，每個(gè)速度級(jí)1～3趟。實(shí)際行車時(shí)，列車速度與試驗(yàn)計(jì)劃速度會(huì)略有偏差，因此同時(shí)在鋼軌上安裝測(cè)速裝置，試驗(yàn)結(jié)果以實(shí)測(cè)列車通過速度為準(zhǔn)，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。測(cè)試內(nèi)容包括跨中橫豎向振動(dòng)強(qiáng)振頻率及振幅、動(dòng)力系數(shù)、鐵路橋面豎向振動(dòng)加速度、墩頂橫向振幅、活動(dòng)支座橫向位移。

動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

3.3 動(dòng)力響應(yīng)分析

3.3.1 梁體跨中橫向振幅

實(shí)測(cè)梁體跨中橫向振幅與車速的關(guān)系見圖6。可知：整體上，梁體橫向振幅與車速關(guān)系不大；第4孔梁（180 m）的跨中橫向振幅顯著大于第5孔梁（97.75 m）；第4孔梁實(shí)測(cè)橫向振幅最大值為車速195 km/h時(shí)的0.31 mm（規(guī)范無通常值），第5孔梁實(shí)測(cè)橫向振幅最大值為車速285 km/h時(shí)的0.11 mm，未超過鐵總運(yùn)〔2014〕232號(hào)《高速鐵路橋梁運(yùn)營性能檢定規(guī)定》第4.4.2條的通常值要求（0.15 mm）。

圖6 梁體跨中橫向振幅與車速的關(guān)系

3.3.2 梁體跨中豎向振幅

實(shí)測(cè)梁體跨中豎向振幅與車速的關(guān)系見圖7。可知：梁體豎向振幅隨車速的提高而增大；第4孔梁的跨中豎向振幅顯著大于第5孔梁；第4孔梁實(shí)測(cè)豎向振幅最大值為車速282 km/h時(shí)的1.82 mm，第5孔梁實(shí)測(cè)豎向振幅最大值為車速285 km/h時(shí)的0.52 mm。

圖7 梁體跨中豎向振幅與車速的關(guān)系

3.3.3 梁體跨中應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)

雖然特大跨度橋梁在設(shè)計(jì)過程中不計(jì)動(dòng)力系數(shù)，但在動(dòng)車組作用下仍會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)力作用增量［8］，運(yùn)營應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)須按TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》第6.3條計(jì)算。實(shí)測(cè)梁體跨中應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)與車速的關(guān)系見圖8。可知：第4孔梁實(shí)測(cè)梁體跨中最大動(dòng)力系數(shù)為車速263 km/h時(shí)的1.07（運(yùn)營動(dòng)力系數(shù)1.062），第5孔梁實(shí)測(cè)梁體跨中最大動(dòng)力系數(shù)為車速277 km/h時(shí)的1.13（運(yùn)營動(dòng)力系數(shù)1.059），均略大于運(yùn)營動(dòng)力系數(shù)。

圖8 梁體跨中應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)與車速的關(guān)系

3.3.4 振動(dòng)加速度

實(shí)測(cè)梁體跨中豎向加速度（20 Hz低通濾波后）與車速的關(guān)系見圖9。可知：整體上跨中豎向加速度與車速變化關(guān)系不大；第4孔梁實(shí)測(cè)梁體跨中豎向加速度最大值為車速282 km/h時(shí)的0.08 m/s2，第5孔梁實(shí)測(cè)梁體跨中豎向加速度最大值為車速300 km/h時(shí)的0.07 m/s2，均滿足TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的限值要求（3.50 m/s2）。

圖9 梁體跨中豎向加速度與車速的關(guān)系

3.3.5 墩頂橫向振幅

實(shí)測(cè)墩頂橫向振幅與車速的關(guān)系見圖10。可知，整體上，橋墩橫向振幅與車速關(guān)系不大；4#墩橫向振幅最大值為車速300 km/h時(shí)的0.09（通常值0.142），5#墩橫向振幅最大值為車速219 km/h時(shí)的0.1（通常值0.139），均小于鐵總運(yùn)〔2014〕232號(hào)第4.4.2條的通常值要求。

圖10 墩頂橫向振幅與車速的關(guān)系

3.3.6 活動(dòng)支座橫向位移

實(shí)測(cè)5#墩活動(dòng)支座橫向位移最大值為0.043 mm，小于鐵總運(yùn)〔2014〕232號(hào)第4.4.2條的通常值要求（0.20 mm）。

4 結(jié)論

1）對(duì)于漠谷河2號(hào)特大橋主橋，在跨中增加鋼桁梁使大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋整體剛度有效提高了30%。

2）列車靜活載作用下，橋梁的強(qiáng)度及剛度均滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)文件要求。

3）實(shí)測(cè)梁體橫向和豎向一階自振頻率分別為0.659、1.184 Hz，均大于理論計(jì)算值及設(shè)計(jì)值，與動(dòng)車組在測(cè)試速度內(nèi)的橫向和豎向強(qiáng)振頻率相距較遠(yuǎn)，未出現(xiàn)共振。

4）該橋梁在動(dòng)車組不同速度作用下的各項(xiàng)動(dòng)力特性指標(biāo)均能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求，橋梁動(dòng)力性能能夠滿足動(dòng)車組以300 km/h及以下速度運(yùn)行時(shí)的相關(guān)規(guī)范要求。