高速鐵路大跨度加勁鋼桁連續剛構梁靜動力特性

葛新東

中國鐵路鄭州局集團有限公司，鄭州 450052

高速鐵路橋梁多采用跨度32 m的預應力混凝土簡支箱梁，在跨越寬闊水域和高山峽谷時需要建設大跨度橋梁［1-2］。為滿足西部地區復雜地形地貌條件下橋梁建設的需求，高墩和大跨連續剛架橋得到了廣泛應用［3-4］。連續剛構橋具有主梁連續、墩梁固結、行車平順、方便施工的特點，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剛構結構形式新穎，但受力復雜［5］。

銀西高速鐵路漠谷河2號特大橋主橋采用180 m加勁鋼桁結構，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場試驗相結合的方法，對該橋進行靜動力特性分析，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控制性工程。大橋南段設計為大跨度（97.75+2×180+97.75）m組合結構。為了滿足列車運行安全性及乘坐舒適性，在保證結構具有足夠剛度的情況下，如采用普通的混凝土連續剛構橋，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；如采用全鋼結構，會大幅提高橋梁造價。因此，采用合理形式的組合結構能夠較好地平衡結構性能與經濟性能。通過對幾種組合結構橋梁形式進行比選，考慮到橋下凈空較高，加拱或者部分斜拉橋會進一步大幅增加橋面以上的結構高度，施工風險及難度較大，因此選用高度較小的加勁鋼桁連續剛構橋作為主跨結構形式［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，跨中及邊支點處梁高4.8 m，中支點處梁高12.5 m，梁底按1.6次拋物線變化。在中跨156 m范圍內設無豎桿三角形加勁鋼桁梁，桁高12 m，桁寬11 m，節間長度為12 m。加勁鋼桁下節點預埋于主梁混凝土內，上節點采用整體式節點。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3個支座，中間支座為縱向活動支座，邊支座為多向活動支座。2#—4#主墩采用矩形薄壁空心墩，1#邊墩采用矩形實體墩，5#邊墩采用圓端形空心墩。主橋均采用摩擦樁基礎［6］。

主梁中有節點梁段及0號梁段采用C55聚丙烯網狀纖維混凝土，其余梁體均采用C55混凝土。鋼絞線均采用符合GB/T 5224—2014《預應力混凝土用鋼絞線》要求的?15.2高強度、低松弛鋼絞線。箱梁豎向預應力鋼筋采用直徑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、梁均采用梁單元模擬，鋼桁梁采用桁架單元模擬，梁單元共250個，桁架單元共202個。橋梁設計活載為ZK活載，二期恒載按190 kN/m考慮。按照橋梁設計文件中的列車豎向靜活載進行靜力加載，算得跨中撓度為-37.7 mm，設計文件參考值為-39.0 mm，誤差3.3%，驗證了有限元模型的準確性。

為了進行對比分析，依據相同圖紙建立無鋼桁架連續剛構橋模型。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，連續剛構橋跨中增加鋼桁架能提高結構整體剛度30%。因此，對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，保障高速鐵路的運營安全。

2.2 現場試驗測試內容及測點布置

為全面分析高速鐵路大跨加勁鋼桁連續剛構梁的性能，設計了荷載試驗方案。計算橋梁各截面在設計活載作用下的彎矩包絡圖、應力包絡圖及位移包絡圖來選取測試截面。計算各加載工況的理論值，與現場試驗結果對比計算結構校驗系數。

根據該橋受力特點，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實際裝載軸重22 t。靜載試驗測點布置如圖2所示。

圖2 靜載試驗測點布置（單位：m）

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

主要測試內容包括：①各測試截面應力；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#墩頂梁端轉角；⑤鋼桁梁控制桿件（上弦桿A11A13、AA11AA13和 腹 桿E8A7、EE8AA7、E6A7、EE6AA7）應力。

加載工況見表1。

表1 靜載試驗加載工況

2.3 靜載試驗結果及分析

2.3.1 應力

梁體及鋼桁梁應力是評價橋梁強度的重要指標，可用于評價橋梁的承載能力。根據表1，測試工況1、工況2下各測點應力，并與理論值對比，結果見表2。可知：兩種工況下主梁、橋墩及鋼桁梁應力實測值均小于理論值，校驗系數在0.61～0.89，均小于1.00。

表2 靜載試驗的應力實測值與理論值對比

2.3.2 主梁撓度

主梁撓度是橋梁剛度的重要指標。現場試驗采用水壓式靜力水準儀進行測試，分別在邊跨最大正彎矩截面及中跨L/4、L/2、3L/4截面處設置16個撓度測點，左右側對稱布置，參見圖2。根據表1，測試得到4種工況下主梁撓度曲線，見圖3。將主梁最大撓度實測值與理論值進行對比，結果見表3。

圖3 主梁撓度曲線

表3 靜載試驗的主梁最大撓度實測值與理論值對比

由圖3和表3可知：主梁撓度實測結果與有限元計算結果規律一致；各截面實測撓度均小于理論值；換算至ZK活載下實測撓跨比小于設計撓跨比，說明梁體剛度滿足設計要求［7］。

2.3.3 支座縱向位移

支座位移測點設在5#墩活動支座處（參見圖2），加載工況為工況1。實測5#墩左右側支座縱向位移平均值分別為-3.19、-3.18 mm，而其理論計算值均為-4.41 mm，校驗系數均為0.72。可見，活動支座縱向位移重復性較好，支座變形基本正常。

2.3.4 梁端豎向轉角

梁端豎向轉角測點布置在5#墩頂（參見圖2），加載工況為工況1。梁端豎向轉角實測值為0.43‰rad，而理論計算值為0.61‰rad，校驗系數為0.70；推算ZK活載實測值為0.52‰rad，小于ZK活載設計值0.74‰rad。滿足TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》關于梁端豎向轉角的限值要求。

3 橋梁動力性能

3.1 橋梁自振特性

橋梁結構的動力參數反映橋梁的整體狀態，主要包括振動頻率、振型。對橋梁有限元模型進行模態分析，結果見圖4。可知，橋梁前3階模態振型分別為0.650 Hz（一階橫彎）、0.753 Hz（二階縱飄）、1.153 Hz（三階豎彎），而實測前3階頻率分別為0.659、0.839、1.184 Hz，均大于相應的理論值，說明結構整體剛度滿足要求。

圖4 橋梁模態分析結果

3.2 動力測試內容與測點布置

采用中國國家鐵路集團有限公司統一調配的CRH2C-2068綜合檢測列車進行逐級提速動載試驗。動車組測試速度級包括60、80、160、180、200、220、230、240、250、260、270、275、280、290、300 km/h，每個速度級1～3趟。實際行車時，列車速度與試驗計劃速度會略有偏差，因此同時在鋼軌上安裝測速裝置，試驗結果以實測列車通過速度為準，并進行相關數據分析。測試內容包括跨中橫豎向振動強振頻率及振幅、動力系數、鐵路橋面豎向振動加速度、墩頂橫向振幅、活動支座橫向位移。

動載試驗測點布置如圖5所示。

圖5 動載試驗測點布置（單位：m）

3.3 動力響應分析

3.3.1 梁體跨中橫向振幅

實測梁體跨中橫向振幅與車速的關系見圖6。可知：整體上，梁體橫向振幅與車速關系不大；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孔梁實測橫向振幅最大值為車速195 km/h時的0.31 mm（規范無通常值），第5孔梁實測橫向振幅最大值為車速285 km/h時的0.11 mm，未超過鐵總運〔2014〕232號《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定》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系

3.3.2 梁體跨中豎向振幅

實測梁體跨中豎向振幅與車速的關系見圖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孔梁實測豎向振幅最大值為車速282 km/h時的1.82 mm，第5孔梁實測豎向振幅最大值為車速285 km/h時的0.52 mm。

圖7 梁體跨中豎向振幅與車速的關系

3.3.3 梁體跨中應變動力系數

雖然特大跨度橋梁在設計過程中不計動力系數，但在動車組作用下仍會產生相應的動力作用增量［8］，運營應變動力系數須按TB 10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》第6.3條計算。實測梁體跨中應變動力系數與車速的關系見圖8。可知：第4孔梁實測梁體跨中最大動力系數為車速263 km/h時的1.07（運營動力系數1.062），第5孔梁實測梁體跨中最大動力系數為車速277 km/h時的1.13（運營動力系數1.059），均略大于運營動力系數。

圖8 梁體跨中應變動力系數與車速的關系

3.3.4 振動加速度

實測梁體跨中豎向加速度（20 Hz低通濾波后）與車速的關系見圖9。可知：整體上跨中豎向加速度與車速變化關系不大；第4孔梁實測梁體跨中豎向加速度最大值為車速282 km/h時的0.08 m/s2，第5孔梁實測梁體跨中豎向加速度最大值為車速300 km/h時的0.07 m/s2，均滿足TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》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系

3.3.5 墩頂橫向振幅

實測墩頂橫向振幅與車速的關系見圖10。可知，整體上，橋墩橫向振幅與車速關系不大；4#墩橫向振幅最大值為車速300 km/h時的0.09（通常值0.142），5#墩橫向振幅最大值為車速219 km/h時的0.1（通常值0.139），均小于鐵總運〔2014〕232號第4.4.2條的通常值要求。

圖10 墩頂橫向振幅與車速的關系

3.3.6 活動支座橫向位移

實測5#墩活動支座橫向位移最大值為0.043 mm，小于鐵總運〔2014〕232號第4.4.2條的通常值要求（0.20 mm）。

4 結論

1）對于漠谷河2號特大橋主橋，在跨中增加鋼桁梁使大跨度連續剛構橋整體剛度有效提高了30%。

2）列車靜活載作用下，橋梁的強度及剛度均滿足規范及設計文件要求。

3）實測梁體橫向和豎向一階自振頻率分別為0.659、1.184 Hz，均大于理論計算值及設計值，與動車組在測試速度內的橫向和豎向強振頻率相距較遠，未出現共振。

4）該橋梁在動車組不同速度作用下的各項動力特性指標均能夠滿足相關規范要求，橋梁動力性能能夠滿足動車組以300 km/h及以下速度運行時的相關規范要求。