鄭 委,李 清,薛克遠(yuǎn),寧燦程

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

包蘭鐵路東崗黃河大橋(K983+491)正橋?yàn)?孔跨度各53m的鋼筋混凝土空腹式拱橋.1956年6月竣工.該橋主拱矢高16.0m,兩肋中心距2.6m,軌底至最深的基底高度45.24m,橋面板厚0.3m,按6孔連續(xù)板設(shè)計(jì),橋面板向兩側(cè)各懸臂0.85m作為人行道.拱肋、剛架、墩臺(tái)頂帽及橋面板均采用300號(hào)混凝土,墩上立柱170級(jí)混凝土,墩身170級(jí)片石混凝土(加20%片石),沉井井壁200級(jí)鋼筋混凝土,填充140級(jí)混凝土.原設(shè)計(jì)荷載為中-26級(jí).為檢修需要,1983年修建了拱型輕便鋼檢查架(每孔重32.45t,共重97.35t).

隨著鐵路提速等級(jí)的提高,橋梁出現(xiàn)了一些普遍問題[1-2].2007年8月對(duì)該橋進(jìn)行了橋梁靜、動(dòng)載試驗(yàn),用以指導(dǎo)提速鐵路橋梁的維修加固[3-4],10月對(duì)該橋進(jìn)行了開裂橋臺(tái)套箍加固,拱腳混凝土增大截面加固,拱肋開裂部位碳纖維加固,梁端橫向限位加固等工作,2009年進(jìn)行橋梁動(dòng)載試驗(yàn),以評(píng)價(jià)維修加固質(zhì)量,最后綜合承載力及動(dòng)力性試驗(yàn)結(jié)果給出提速運(yùn)營(yíng)鐵路橋梁的試驗(yàn)評(píng)價(jià)[5-6].

1 荷載試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

靜載試驗(yàn)采用機(jī)車加載方式,用靜態(tài)應(yīng)變儀記錄截面應(yīng)變變化,用全站儀進(jìn)行位移觀測(cè),測(cè)試結(jié)果由控制點(diǎn)上的光電撓度計(jì)和精密水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)校核,靜載試驗(yàn)用以判斷橋梁結(jié)構(gòu)在靜載作用下的工作狀態(tài).為減少溫度效應(yīng)影響,靜載試驗(yàn)在夜間進(jìn)行.

動(dòng)載試驗(yàn)分為脈動(dòng)(環(huán)境振動(dòng))測(cè)試和不同速度等級(jí)通車強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試.脈動(dòng)試驗(yàn)主要測(cè)試橋梁的自振特性,強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試過橋列車激勵(lì)下橋梁的振動(dòng)參數(shù)(加速度、振幅、強(qiáng)迫振動(dòng)頻率等),并通過振動(dòng)波形分析綜合判斷橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能.

1.2 荷載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

1.2.1 靜載試驗(yàn)

選取病害較重的第一孔進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)文獻(xiàn)[7]對(duì)試驗(yàn)荷載不得小于現(xiàn)行最大運(yùn)行荷載的要求及現(xiàn)場(chǎng)能提供的加載車輛,靜載試驗(yàn)加載采用2臺(tái)SS1型電力機(jī)車加載,荷載效率及加載工況見表1,截面應(yīng)變、位移測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示.

表1 靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及荷載效率

圖1 靜載試驗(yàn)應(yīng)變與位移測(cè)點(diǎn)布置

1.2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

橫向振幅、橫向加速度測(cè)點(diǎn)分別布置在拱肋和梁體的L/4、L/2及橋墩、1#立柱(蘭側(cè))的頂部,動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)布置在拱肋的L/4(蘭側(cè))處,動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在拱腳(包側(cè))、L/2與L/4(蘭側(cè)).脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置在拱肋及梁體對(duì)應(yīng)的0L、L/8、L/4、L/2、L3/4、7L/8、L及橋墩與1#立柱(蘭側(cè))頂部.

1.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

采用大型通用有限元程序ANSYS對(duì)東崗黃河大橋進(jìn)行全橋空間有限元建模.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,建模采用原設(shè)計(jì)拱軸線,忽略線路偏心影響.結(jié)合原設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算時(shí)拱上結(jié)構(gòu)各構(gòu)件采用C30混凝土,橋墩臺(tái)采用C15混凝土.拱肋、橫撐、剛架、橋面板、橋墩及沉井基礎(chǔ)采用空間梁?jiǎn)卧M,拱頂處橋面板采用殼單元模擬,該橋的有限元模型如圖2所示.

圖2 黃河大橋空間有限元計(jì)算模型

動(dòng)力計(jì)算時(shí),橋面線路設(shè)備按分布質(zhì)量施加在橋面板位置,后加的檢查梯重量以集中質(zhì)量形式加在各立柱底部.結(jié)構(gòu)部分振型如圖3～圖5所示.

圖3 橫橋向第一振型

圖4 順橋向第一振型

圖5 豎向第一振型

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

各工況荷載作用下,截面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見表2,截面位移校驗(yàn)系數(shù)見表3.

根據(jù)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果,在試驗(yàn)荷載作用下,截面實(shí)測(cè)應(yīng)變分布基本符合平截面假定.理論計(jì)算和測(cè)試結(jié)果對(duì)比可見,實(shí)測(cè)混凝土受壓區(qū)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.55～0.87(工況5拱腳上翼緣混凝土應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為1.23,且拱腳的實(shí)測(cè)受壓區(qū)高度小于理論值,正反映了結(jié)構(gòu)拱腳部位因鋼筋銹蝕及斷面削弱造成的局部病害特征),受拉鋼筋位置應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.49～0.82.參照文獻(xiàn)[7]中混凝土上翼緣及鋼筋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)和文獻(xiàn)[8]中應(yīng)力應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)的規(guī)定,除部分校驗(yàn)系數(shù)高于文獻(xiàn)[1]中規(guī)定的通常值外,大部分滿足兩者的要求.

表2 各工況下應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 截面位移校驗(yàn)系數(shù)見表3

結(jié)構(gòu)位移校驗(yàn)系數(shù)的平均值在0.51～0.87范圍;位移校驗(yàn)系數(shù)最大值出現(xiàn)在工況2包頭側(cè)3L/8斷面,豎向位移校驗(yàn)系數(shù)為0.98,橋跨位移校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0.參照文獻(xiàn)[7]豎向撓跨比通常值:鋼筋混凝土梁1/4000(普通高度)為13.25mm.試驗(yàn)荷載作用下,橋梁最大靜撓度7.88mm,換算為中-活載的撓度值為11.12mm,橋梁位移校驗(yàn)系數(shù)基本滿足當(dāng)前使用要求.為了保證橋上線路的平順性和運(yùn)行列車的安全性,文獻(xiàn)[9]對(duì)由列車靜活載引起豎向撓度作了相應(yīng)規(guī)定,拱橋1/4跨度處,由靜活載所產(chǎn)生的上下?lián)隙?絕對(duì)值)之和為15.96mm,不應(yīng)大于計(jì)算跨度的1/800,測(cè)試結(jié)果亦滿足要求.

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

為保證空載貨車(或混編列車)通過時(shí)車輪抗脫軌安全度,可參照文獻(xiàn)[7]預(yù)應(yīng)力混凝土梁在不同車速條件下橋跨結(jié)構(gòu)橫向自振頻率的限值,表4為實(shí)測(cè)橋梁自振頻率.

表4 橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率Hz

表5 加固前后不同車速下振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表4對(duì)比數(shù)據(jù),加固后橫橋向自振頻率由1.52Hz提高到1.67Hz,橋梁橫向剛度有所提高.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,將同一速度級(jí)的列車編組,分別讀取振幅最大值.統(tǒng)計(jì)分析時(shí),限速45km/h通過的列車按超越或然率5%計(jì)算最大振幅推斷值;試驗(yàn)列車以較高速度級(jí)在橋上通過時(shí),考慮小樣本的統(tǒng)計(jì)不確定影響,按分位數(shù)5%確定最大振幅推斷值,按此橋梁L/2測(cè)點(diǎn)橫向振幅、橫向加速度及強(qiáng)迫振動(dòng)頻率測(cè)試結(jié)果見表5.

參照文獻(xiàn)[7]關(guān)于梁式結(jié)構(gòu)橫向剛度的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁跨中橫向振幅行車安全限值為L(zhǎng)/9000(對(duì)應(yīng)于該橋?yàn)?.89mm),加固后橫向振幅明顯減小,橫向剛度增大.

橋跨加固前后振動(dòng)測(cè)試波形如圖6、圖7所示.

圖6 加固前橋跨橫向振動(dòng)波形

圖7 加固后橋跨橫向振動(dòng)波形

從橫向振動(dòng)波形來(lái)看,主拱圈在列車激勵(lì)下的振動(dòng)曲線接近正弦波,拱肋部分整體性能較好.加固前梁端和包頭側(cè)L/4梁體振動(dòng)存在二次周期,基線兩側(cè)波形不對(duì)稱,梁端尤為明顯,主體結(jié)構(gòu)對(duì)梁體的約束明顯存在不足;加固后梁體各測(cè)點(diǎn)波形規(guī)則,一致性較好,說(shuō)明加固效果比較顯著.

按照三個(gè)不同速度等級(jí)區(qū)間,對(duì)24列不同車速的動(dòng)撓度測(cè)試得到加固前后的動(dòng)力系數(shù),見表6.

表6 橋梁動(dòng)力系數(shù)

橋梁動(dòng)力系數(shù)是反映橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能、橋面的平整度、車輛的動(dòng)力特性以及車速等因素影響的重要參數(shù),加固前動(dòng)力系數(shù)實(shí)測(cè)值大于理論值,加固后實(shí)測(cè)值顯著降低,說(shuō)明了加固效果的顯著性.

3 結(jié)論

通過對(duì)橋梁加固前后不同提速等級(jí)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析,可得出如下結(jié)論:

(1)通過靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值綜合分析,提速鐵路橋梁加固前應(yīng)變和位移校驗(yàn)系數(shù)多數(shù)小于1.0,荷載平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)性能能滿足當(dāng)前運(yùn)營(yíng)的需要.

(2)動(dòng)載測(cè)試表明,加固前橋梁動(dòng)力性能存在明顯的不足,隨通車提速等級(jí)的增加暴露出橫向剛度偏小的問題;橋梁加固后在各提速等級(jí)區(qū)間內(nèi)各項(xiàng)動(dòng)力測(cè)試參數(shù)均達(dá)到規(guī)范要求,證明加固效果顯著.

(3)通過靜載試驗(yàn)評(píng)定速鐵路橋梁的承載力,動(dòng)載試驗(yàn)評(píng)定提速橋梁的動(dòng)力性能,兩者的結(jié)合可以對(duì)橋梁的提速運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行較為全面的評(píng)價(jià),對(duì)指導(dǎo)提速鐵路橋梁的加固具有重要的實(shí)用意義.

[1]鄭希正.鐵路提速既有線簡(jiǎn)支梁橋加固問題研究[J].國(guó)防交通工程與技術(shù),2007(2):7-9.

[2]劉濤.提速后既有線混凝土橋梁的普遍問題及對(duì)策[J].甘肅科技縱橫,2008,37(3):128

[3]晏小明,梁彬,孫曉軍.在役橋梁荷載試驗(yàn)及其結(jié)構(gòu)質(zhì)量分析[J].山西建筑,2008,34(6):315-316.

[4]高建敏,翟婉明,蔡成標(biāo).提速鐵路橋梁橫向振動(dòng)異常探討及加固技術(shù)[J].鐵道建筑,2006(3):13-16.

[5]楊果岳,張家生,方淑君,等.提速狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁受迫振動(dòng)試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2007,28(2):39-43.

[6]李運(yùn)生,閻貴平,鐘鐵毅,等.鐵路實(shí)體橋墩橫向振動(dòng)規(guī)律J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,33(1):77-80.

[7]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路橋梁檢定規(guī)范(鐵運(yùn)函[2004]120號(hào))[S].

[8]交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院.公路舊橋承載能力鑒定方法(試行1988)[S].

[9]GB 50157)中華人民共和國(guó)建設(shè)部.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].