淺談跨座式單軌3m×20m小半徑剛構梁橋受力性能

王玉林

中鐵（上海）投資集團有限公司 上海 200120

引言

跨座式單軌是通過單根梁式軌道支持車輛的運營荷載并在運行過程中導向車輛，保證車輛運營穩定，車輛采用橡膠輪胎騎在軌道梁上運行的軌道交通制式[1]。跨座式單軌屬中等運量軌道交通系統，其優點為噪聲低、適應性強、爬坡能力強、轉彎半徑小、能有效適應復雜的地形地貌環境[2]。

軌道梁是支撐、引導跨座式單軌列車運行的主要結構，這種結構興起于20世紀70年代的日本。在日本，跨座式軌道梁結構體系主要采用簡支或連續鉸支的結構體系，梁體類型主要采用預應力混凝土梁，對于中大跨度采用連續鋼結構[3]。國內跨座式軌道結構體系和日本類似，也大量采用簡支預應力混凝土軌道梁，部分跨度較大或特殊地段采用鋼軌道梁或雙層復合結構軌道梁。蕪湖1號線全部采用高架線路，考慮到運行安全性、穩定性、經濟性等因素，1號線大量采用了這種先簡支后連續剛構預應力軌道梁。為驗證這種結構的靜力性能及動力性能，選取蕪湖1號線一座跨度3m×20m的小半徑連續剛構PC梁，按照設計最不利荷載模式組織運營車輛進行了靜、動載試驗，本文重點介紹了本次試驗的方法、過程及試驗結論。

1 結構概況

試驗橋為一聯跨度3m×20m的曲線連續剛構PC軌道梁橋，曲線半徑R=122.3，位于蕪湖軌道1號線衡山路站～龍山路站QJ04-30號墩～QJ04-33號墩。該試驗梁段為先簡支后連續的預應力混凝土連續剛性結構。蓋梁按部分預應力構件設計，墩柱為鋼筋混凝土結構。

PC梁截面采用實心矩形截面，跨中梁高1.600m，支點梁高2.200m，梁寬0.69m，每聯梁單側梁縫取值25mm。墩柱采用矩形截面，蓋梁采用花瓶型結構。結構橫斷面布置示意圖見圖。

預制部分梁體混凝土強度等級為C60。橋墩蓋梁頂以下5m范圍內先澆段采用C50混凝土，后澆段采用強度等級為C50的干硬性補償收縮混凝土。墩底以上（H-5000）范圍內采用C40混凝土。

設計活載采用6輛編組的車輛荷載，軸重P=138KN。沖擊系數：μ=20/（50+L）（混凝土結構）。

2 試驗荷載及方法

2.1 靜載試驗

2.1.1 加載方式。采用與設計空載軸重（AW0狀態）相同的試運營列車，每節車廂按照設計荷載均勻配置沙袋，直至達到設計軸重（AW3狀態）。列車按設計計算最不利加載位置緩慢移動，依次布置于軌道梁頂面指定位置。

2.1.2 加載計算。采用Midas軟件建立有限元分析模型，分別選取邊跨（A截面）、中跨（C截面）最大正彎矩截面和墩頂（B截面）最大負彎矩截面進行加載計算。

2.1.3 測點布置及測試內容。根據試驗結構特點及車輛運行特點，在測試截面底緣最不利區布置應變、撓度測點，測試典型截面應力、撓度值，分析結構強度、剛度狀況。

2.1.4 荷載效率。荷載效率的計算公式如下：

式中：Sstat——在試驗荷載作用下，檢測部位的變位或力的計算值；

S——在標準活載作用下，檢測部位的變位或力的計算值；

（1+μ）——檢定取用的動力系數。

本橋設計動力系數取為1.286，采用與設計相同軸重的荷載加載，因此荷載效率為0.778。

當試驗過程發生以下狀況時，應立即停止試驗，并查找分析故障原因，在確保現場試驗人員及橋梁結構處于完全安全的狀態下，方可恢復加載。

2.1.4.1 橋梁沿跨徑長度方向的撓度曲線分布規律與理論模型計算分析結果有明顯差距時。

2.1.4.2 控制截面測點的實測撓度值或應力值已達到或超過規定的控制極限時。

2.1.4.3 橋梁結構構件裂縫寬度或長度迅速增加，或超過允許裂縫寬度值的裂縫迅速增多，或有大量新的裂縫產生時。

2.1.4.4 試驗過程中發生其他影響橋梁承載能力或正常使用的損壞時。

2.2 動載試驗

2.2.1 加載方式。采用達到設計軸重的列車，按照設計運行圖進行逐級提速跑車試驗，分級速度分別為5、30、50、60、80km/h，試驗最高速度為設計運行圖規定速度值。

2.2.2 測試內容。分別在邊跨中、墩頂、中跨中位置布置豎向、橫向振幅、橫向加速度測點，掌握結構在不同車速下動力響應情況，參考鐵路相關規范評價橋梁舒適度狀況；對比分析結構自振頻率與理論計算自振頻率，了解結構整體剛度情況，圖1、2分別給出了理論計算一階豎向、橫向振型及頻率值。

3 試驗結果分析

數據采集分析階段主要工作包含：①理論計算分析。按照被檢橋梁實際加載狀況對結構內力、應力和變形進行計算，分析結構動力響應、裂縫寬度等數據。②數據解析。分析處理荷載試驗原始記錄，提取原始數據中有價值的關鍵信息。③報告的編寫。通過檢測數據和理論計算值的分析比對，對本次荷載試驗結果進行綜合性評價，形成橋梁荷載試驗檢測報告。

3.1 靜載試驗

3.1.1 應變分析。實測A、B、C截面應變校驗系數分別為0.938、0.537、0.595，截面主控測點應變校驗系數均小于1.0。

3.1.2 撓度分析。實測A、C截面撓度校驗系數分別為0.965、0.829，實測撓度校驗系數均小于1.0。

3.1.3 試驗結果探討。主控截面應變與撓度測試結果表明，在設計最不利情況下，實測結構應變、撓度均小于理論計算值，也就是校驗系數小于1.0；另外，試驗荷載卸除后各測點相對殘余也均小于20%，表明結構處于彈性變形狀態；參考《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）8.3條關于荷載試驗結果評定的相關內容，結構的承載能力滿足使用要求。

另外也可以看到，本次試驗的連續剛構軌道梁，試驗荷載相對明確、截面特性也與理論相差不大，這種試驗方式接近梁場預制梁的原位試驗，從以往經驗來看這種單梁試驗校驗系數基本接近1.0，而本試驗邊跨應力、撓度校驗系數也接近1.0，中跨由于受空間體系、橋墩實際約束剛度等因素的影響，實測校驗系數略小。

3.2 動載試驗

3.2.1 自振頻率分析。實測梁體豎向一階自振頻率10.74Hz，大于理論計算值（9.82Hz）；實測墩梁一體橫向一階自振頻率2.637Hz，大于理論計算頻率（2.60 Hz）。實測頻率結果表明結構整體剛度滿足設計要求。通過頻譜分析可知，由于墩柱較輕柔，結構縱向振動特征明顯，因此在豎向振動頻譜圖中存在明顯的在低頻段振動（5Hz以內），縱向振動與豎向振動形成耦合振動，因此，對類似軌道梁結構進行動力穩定性設計驗算分析時，應充分考慮這種空間特點。

3.2.2 動力響應分析。①實測試驗列車作用下梁體邊跨、中跨跨中橫向振動加速度（10Hz濾波）最大值分別為0.366、0.373m/s2，該值滿足《鐵路橋梁檢定規范》對橋梁橫向加速度限值1.4m/s2的要求，同時該值隨車速增加未出現明顯增大，表明振動舒適度上沒有明顯降低；②實測梁體跨中豎向、橫向振幅隨車速增大存在輕微增大的趨勢。結果表明，這種類型結構對車輛速度變化的反應并不是太敏感。

4 結束語

通過對3m×20m小半徑跨座式連續剛構梁橋的靜、動載試驗，主要結論如下：

靜載試驗下結構主控截面的應變及撓度數值均小于理論計算數值，表明結構強度、剛度滿足受力要求。

受空間效應的影響，連續剛構橋邊跨的應變校驗系數較中跨偏大。

實測橋梁連續剛構豎向、橫向一階頻率均大于理論分析計算值，測試結構剛度滿足設計要求；高墩跨座式連續剛構橋橫向自振頻率體現為墩梁一體的橫向自振頻率，同時梁體豎向振動與橋墩縱向振動耦合明顯。

梁體振動橫向加速度值小于參考限值要求，梁體橫向舒適度滿足規范要求。

試驗表明，3m×20m小半徑跨座式連續剛構梁橋靜動力性能滿足使用要求。