陳樹禮，劉永前，張彥兵

(石家莊鐵道大學大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊　050043)

?

大跨度鋼桁梁橋靜動力性能試驗研究

陳樹禮，劉永前，張彥兵

(石家莊鐵道大學大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊050043)

摘要：以某鐵路64m單線栓焊下承式鋼桁梁橋為研究對象，采用數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場試驗相結合的方法，進行提速和擴能條件下的大橋靜動力性能試驗研究。結果表明：靜載作用下，實測大橋桿件應力和跨中撓度均小于理論計算值，撓度、應力校驗系數(shù)略大于規(guī)范通常值，撓度和應力相對殘余均滿足要求，上下游兩片受力較為均勻；不同速度列車作用下橋梁運營性能指標基本滿足規(guī)范要求，但實測數(shù)據(jù)均較大，且大于同類型雙線鋼桁梁橋，空重混編列車引起橋梁更大振動；橋梁基本滿足承載能力和使用條件要求，結構處于良好的彈性工作狀態(tài)，但橋跨結構整體剛度偏弱，安全儲備較小，建議對橋梁整體剛度進行加強并對橋梁動力響應進行實時監(jiān)測。

關鍵詞：大跨度；下承式鋼桁梁橋；靜動力性能；試驗；數(shù)值分析；承載能力

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，鐵路運輸壓力持續(xù)增大，在既有線上開展擴能改造、開行重載列車已經(jīng)成為提高鐵路運輸能力的一種主要方式。國內(nèi)外重載運輸實踐經(jīng)驗表明，提高列車軸重、增加編組長度是實現(xiàn)重載鐵路運輸?shù)闹饕夹g發(fā)展方向，這些措施在大幅提高鐵路運量的同時，也會給既有橋梁帶來很多不利影響。隨軸重提高和運量增加，橋梁承受靜載和動載加大，導致橋梁結構荷載效應和變形加大，橋梁振動加劇，結構的強度、剛度、穩(wěn)定性等安全儲備降低，進而引起疲勞損傷加劇，使用壽命縮短；因此，保證擴能改造條件下既有線橋梁的結構安全，對其荷載作用下的靜、動力性能進行評估顯得至關重要。

大跨度鋼桁梁橋由于具有結構輕便、跨度大、易于施工的特點，在我國鐵路中得到廣泛應用，我國很多學者對其進行了大量的研究并取得了一定的成果。姚京川、劉楠、鄭平偉、董振升、楊宜謙、孫志杰、李運生等對于高鐵和普通鐵路中存在的單線或雙線鋼桁梁橋，進行了相關理論分析和現(xiàn)場荷載試驗研究[1-7]；黃勝前、楊云、王鈺、盛興旺等針對其他類型的鐵路橋梁開展了相關試驗和評定技術研究[8-11]。這些研究大都采用理論分析、現(xiàn)場試驗的研究方法，且主要針對雙線簡支、連續(xù)鋼桁梁橋或其他類型橋梁，針對大跨度單線鋼桁梁橋相關試驗研究的文獻很少。以某鐵路64 m單線下承式鋼桁梁橋為研究對象，通過數(shù)值模擬分析、靜載試驗和動載試驗，開展橋梁靜動力性能試驗研究，分析單線橋梁受力特點，對橋梁進行科學的檢測與評價。

1工程概況

某鐵路橋為單線64 m栓焊下承式鋼桁梁橋，橋梁上跨京杭大運河，計算跨徑64 m，橋面系全長65.24 m；主桁上、下弦桿截面采用焊接H形，橋面系采用縱、橫梁結構，上、下平縱聯(lián)均為焊接工字形截面，采用鋼支座，下部結構為鉆孔樁基礎，圓端形板式橋墩，主要運行運煤重車，設計荷載為中-活載。橋梁實景見圖1。

圖1　橋梁現(xiàn)場照片

橋梁已經(jīng)運行多年，為了檢驗和評估鋼桁梁橋的靜、動力性能、列車通過橋梁時的舒適性和安全性，對其進行列車作用下的靜載試驗、動載試驗和運營性能試驗。靜載試驗主要測試橋梁結構在靜力列車荷載作用下的桁梁桿件的內(nèi)力、跨中撓度，據(jù)以判斷橋梁結構在靜載作用下的實際工作狀態(tài)、結構的安全承載能力和使用條件；動載試驗包括強迫振動試驗和脈動試驗，強迫振動試驗主要測試橋梁結構在試驗荷載作用下的動力響應，即振幅、加速度、動撓度、動力系數(shù)等，脈動試驗主要測試橋梁結構在自然環(huán)境激振條件下的自由振動特性，即自振頻率、阻尼等，評價橋梁的剛度和動力性能是否滿足規(guī)范要求。

2靜載試驗

2.1試驗內(nèi)容

采用Midas/civil建立有限元模型，進行設計荷載和試驗荷載作用下的數(shù)值模擬分析。模型采用空間結構，單元截面按照設計、施工圖紙中尺寸和形狀確定，縱橫梁、上下平縱聯(lián)均按照實際結構建模。設計荷載按照中-活載進行計算，圖2～圖3為有限元模型和荷載作用下位移云圖。

圖2　單線64 m鐵路下承式鋼桁架橋計算模型

圖3　中-活載作用下最大豎向位移

根據(jù)理論分析結果，考慮最不利受力和對稱性要求，確定了應變、撓度測點。共布置應變測點64個，撓度測點10個。圖4為測點布置圖。其中：應變測點共16截面×4個/截面=64個，分別布置在北側1號、4號、4A號、5號、11號、12號、15號、16號、21號、21A、23號截面和南側4號、5號、11號、12號、15號截面；撓度測點共10個，布置在南北兩側1/4跨、2/4跨、3/4跨和兩端支座處，梁端縱向位移測點1個，布置在活動支座處。

圖4　靜載試驗測點布置

2.2試驗荷載和工況

根據(jù)橋梁截面控制桿件的軸力影響線計算確定最不利輪位，按最大試驗荷載進行分級加載，靜載試驗中，一般要求荷載效率系數(shù)不小于0.8，不大于1.0，考慮目前線路上實際運行的機車及重車情況，試驗時的實際荷載采用SS4B雙機加掛C70重車的荷載形式，列車編組為2×S4B+7×C70重車(滿載)+7×C70空車+2×SS4B，效率系數(shù)為0.62～0.66。試驗荷載的作用位置示意見圖5。具體加載工況見表1。

2.3測試結果分析

因篇幅有限，僅列出最不利工況下部分測點的應力、撓度、校驗系數(shù)、相對殘余測試結果，見表2。

圖5　試驗荷載的作用位置示意(工況1～4)

工況荷載位置效率系數(shù)工況1機車前軸作用于1/4跨度節(jié)點處0.62工況2機車前軸作用于1/2跨度節(jié)點處0.64工況3機車前軸作用于3/4跨度節(jié)點處0.65工況4跨中活載效應最大0.66工況5橋門架活載效應最大0.65

表2　靜載試驗部分參數(shù)實測結果統(tǒng)計

由表2可得出如下結果。

(1)桿件應力和跨中撓度實測值均小于理論計算值。實測主桁上弦桿校驗系數(shù)為0.76，滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[12]第10.0.8條中校驗系數(shù)通常值要求。實測主桁下弦桿校驗系數(shù)介于0.90～0.91，實測跨中撓度校驗系數(shù)為0.83，不滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[12]第10.0.8條中校驗系數(shù)通常值要求。

(2)實測換算至中-活載撓跨比1/1 757，滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[11]第10.0.3條小于1/1 250的要求；實測南北兩側對稱桿件的應力偏差較小，表明兩片主桁受力分布均勻，實測應力、撓度相對殘余介于1.37%～2.49%，彈性恢復能力較強，表明橋梁處于良好的彈性工作狀態(tài)。

(3)實測主桁部分桿件應力和跨中撓度均較大，校驗系數(shù)不能滿足要求，并且撓跨比雖然滿足規(guī)范要求，但相對其他類型雙線鋼桁梁橋來說，撓跨比已經(jīng)比較接近規(guī)范限值，說明主桁剛度偏弱，強度儲備較小，需要密切觀測。

3動載試驗

3.1試驗內(nèi)容

(1)跑車試驗：采用試驗編組列車進行動載試驗，列車編組同靜載試驗一致?；炀幜熊囈詮?0、20、30、40、50、60 km/h至設計或實際運營車速駛過指定位置，測試列車過橋時橋梁振動規(guī)律及動應力、動撓度變化規(guī)律及橋梁安全運營的其他技術參數(shù)。

(2)自振特性試驗：采用脈動法或測余振方法，進行鋼桁梁自振特性測試。

(3)運營性能試驗：測試正常運營列車過橋時橋梁振動規(guī)律及動應力、動撓度變化規(guī)律及橋梁安全運營的其他技術參數(shù)。

(4)測點布置：動載試驗測點包括振動傳感器測點、動撓度測點和動應變測點。共布置14個振動傳感器，其中在1/4跨、1/2跨、3/4跨和兩端支座處各布置5個梁跨豎向振幅和5個梁跨橫向振幅測點；在1/2跨布置1個橫向振動加速度和1個豎向振動加速度，2個墩頂橫向振幅測點；在活動支座處布置1個梁端縱向位移測點；在南側桁架4號、21號桿布置2個動應變測點，動應變片在桿件的位置與橋梁靜載試驗相同；在1/2跨布置2個動撓度測點。

(5)測試設備：振動測試選用中國地震局工程力學研究所研制生產(chǎn)的橫向891-V型傳感器及配套放大器，采集分析儀選用北京東方所INV-306U大容量動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，動撓度測試選用北京光電技術研究所研制生產(chǎn)的BJQN-4D型橋梁撓度檢測儀。

3.2結果分析

試驗編組列車實際速度在12～69 km/h之間變化，同一速度循環(huán)2次，兩個循環(huán)速度誤差在1 km/h范圍內(nèi)；正常運營列車速度在65 ～72 km/h之間變化，試驗編組列車作用下實測數(shù)據(jù)最大值統(tǒng)計見表3，正常運營列車作用下實測數(shù)據(jù)見表4，典型時程曲線見圖6。

(1)振幅：試驗編組列車和運營列車作用下，實測橋跨跨中橫向振幅最大值分別為4.14、3.14 mm，實測墩頂橫向振幅最大值分別為0.20、0.17 mm，均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[11]所規(guī)定的橫向振幅安全限值要求；橋跨跨中豎向振幅最大值分別為2.05、1.59 mm。

試驗編組列車以不同速度通過橋跨時，跨中橫向振幅、豎向振幅和墩頂橫向振幅基本上均呈現(xiàn)隨速度增加而增大的趨勢。當試驗列車速度超過50 km/h后，跨中橫向振幅明顯增大，且大于正常運營列車作用下數(shù)據(jù)。從波形圖可以看出，振動較大位置一般出現(xiàn)在空車部位，說明試驗列車中重車引起橋跨豎向振動加大，空車晃動較重車嚴重，進而導致橋跨產(chǎn)生更大的空間耦合振動，輕重混編列車導致了橋梁產(chǎn)生更大振動，需要在實際運營中加以重視。時速50 km/h左右為振幅響應最大對應的行車速度。

表3　試驗編組列車作用下實測數(shù)據(jù)最大值統(tǒng)計

表4　正常運營列車作用下實測數(shù)據(jù)最大值統(tǒng)計

圖6　跨中橫向振幅和橫向加速度時程曲線

(2)橫向加速度：試驗編組列車作用下，實測跨中橫向加速度最大值為1.71 m/s2，不滿足文獻[12]中橫向振動加速度要求(≤1. 40 m/s2)，跨中橫向加速度隨速度增加而增大；正常運營列車作用下，實測跨中橫向加速度最大值均小于規(guī)范規(guī)定的≤1. 40 m/s2要求。

(3)頻率：采用余振法和大地脈動法共兩種方法進行自振頻率分析，對速度時程曲線進行自譜分析、互譜分析，得到橋跨橫向自振頻率，兩種分析方法結果基本吻合；實測橋跨橫向自振頻率為1.75 Hz，大于理論計算值(1.68 Hz)和《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[11]所規(guī)定的通常值(1.41 Hz)要求，但小于規(guī)范關于列車通過時車輪抗脫軌的安全度要求(≥2.33 Hz)，表明該橋橫向剛度略顯不足。

(4)動力系數(shù)：通過對動撓度時程曲線和桿件動應變時程曲線分析得到動力系數(shù)，實測動力系數(shù)均小于理論計算值，且動力系數(shù)比較離散，隨著速度增加變化趨勢不明顯。

(5)阻尼比：對實測橋梁跨中余振進行分析，得到實測阻尼比平均值為0.009 1，略小于一般鋼結構臨界阻尼比1.00%～3.00%。

(6)不同類型橋梁試驗數(shù)據(jù)對比：同其他類型橋梁試驗數(shù)據(jù)進行對比，同樣試驗條件下本橋橋跨實測數(shù)據(jù)基本上都略大于其他橋梁，說明單線鋼桁梁橋較雙線鋼桁梁橋具有較小的橫向剛度和豎向剛度，列車荷載將導致橋梁結構產(chǎn)生更大的應力、變形和振動。

4結論

針對64 m單線下承式鋼桁梁橋進行了理論分析和現(xiàn)場靜動載性能試驗研究，主要結論如下。

(1)靜力荷載作用下，桿件應力和跨中撓度實測值均小于理論計算值，跨中撓度和下弦桿應力校驗系數(shù)略大于規(guī)范通常值要求，其他桿件應力校驗系數(shù)滿足要求，實測換算至中-活載撓跨比1/1 757，相對殘余很小，說明橋梁基本滿足承載能力和使用條件要求，結構處于良好的彈性工作狀態(tài)，但實測靜力數(shù)據(jù)表明橋跨結構整體剛度偏弱，重載列車作用引起了較大的應力和變形。

(2)不同速度試驗編組列車和正常運營列車作用下，橋跨跨中橫向振幅、自振頻率、動力系數(shù)、墩頂橫向振幅、阻尼比等參數(shù)均滿足運營性能試驗規(guī)范要求，部分參數(shù)隨著速度增加有增大趨勢，但橋跨跨中橫向加速度有超限值情況，且一定速度下橫向振幅偏大，說明橋梁橫向剛度偏弱，需加以重視。速度接近情況下，試驗編組列車作用下實測數(shù)據(jù)大于正常運營重載列車數(shù)據(jù)，說明空重混編引起橋梁產(chǎn)生更大的振動。

(3)與其他同類型鋼桁梁橋相比，本橋部分實測數(shù)據(jù)均略大于其他雙線鋼桁梁橋，說明本橋橫向剛度偏弱，開行300 kN大軸重重載列車將會導致橋梁受力加劇，為確保橋梁運營安全，建議對橋梁整體剛度進行加強，同時對列車作用下的橋梁動力響應進行實時監(jiān)測。

參考文獻：

[1]姚京川，尹京，王巍，等.高鐵濟南黃河特大橋鋼桁梁主橋動力性能研究[J].中國鐵道科學，2013，34(3):7-13.

[2]劉楠，許建平，孫軍平.既有鐵路上承式鋼桁梁動力性能對比研究[J].鐵道標準設計，2012(10)：46-49，53.

[3]鄭平偉，侍剛，秦金環(huán)，等.渝懷線長壽長江大橋荷載試驗研究[J].橋梁建設，2006(S1):134-136，142.

[4]董振升，楊宜謙，劉鵬輝，等.64 m下承式鋼桁結合梁的動力性能試驗研究[J].鐵道建筑，2009(5):36-40.

[5]楊宜謙，柯在田，白玲，等.大準鐵路黃河特大橋鋼桁梁靜載試驗[J].實驗力學，2005，20(1):139-144.

[6]孫志杰，劉永前.既有鐵路鋼桁梁橋運營性能的檢測與評價[J].石家莊鐵道大學學報：自然科學版，2010，23(4):49-52.

[7]李運生，安立朋，魏樹林，等.重載列車作用下鐵路鋼桁梁橋的動力響應分析及疲勞壽命評估[J].石家莊鐵道大學學報：自然科學版，2012，25(4):17-22.

[8]黃勝前，楊永清.高墩大跨連續(xù)箱梁鐵路橋動力性能試驗研究[J].鐵道標準設計，2012(12)：35-39.

[9]楊云，沈青川.廈深鐵路榕江特大橋連續(xù)鋼桁梁柔性拱組合橋成橋靜、動載試驗及結構性能研究[J].鐵道科學與工程學報，2014，11(4):19-25.

[10]王鈺.廈深鐵路榕江特大橋列車運行穩(wěn)定性試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2014，11(5):41-45.

[11]盛興旺，李金光.洛湛鐵路石良角得江特大橋主橋(64+2×104+64 ) m單線鐵路連續(xù)梁荷載試驗與結構評定[J].鐵道標準設計，2010 (3)：50-53.

[12]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120號鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2004.

收稿日期：2015-11-04

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2009AA11Z102)，鐵道部科技研究開發(fā)計劃(重大課題)(2012G011-A)

作者簡介：陳樹禮(1978—)，男，副教授，博士研究生，研究方向為橋梁檢測、監(jiān)控/監(jiān)測、加固及評定，E-mail：13832115905@163.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0038-05

中圖分類號：U446.1

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.009

Test Research on Static and Dynamic Performances of Large Span Steel Truss Girder Bridge

CHEN Shu-li，LIU Yong-qian，ZHANG Yan-bing

(Structure Health Monitoring and Control Institute，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

Abstract：Taking the 64 m through steel truss bridge as the research object，the test research on bridge static and dynamic performances is completed with numerical analysis and field test. The results show that under static load the measured stress and deflection of the bridge are less than the theoretical calculation，the deflection and the stress check coefficient are slightly larger than the standard normal values，the relative residual of deflection and stress meet the standard requirement，and the stresses of the two main trusses are in balance. The operating performance indicators under trains of different speed can basically meet the standard requirements，but the measurements are larger than that of similar double wire steel truss bridge. The empty and weight mixed trains cause greater vibration. Overall，the bearing capacity and service condition of the bridge basically meet the standard requirements and in good elastic working condition，but the bridge structure overall rigidity is weak with small emergency capacity. Thus，it is recommended that the entire bridge stiffness should be strengthened and the real-time bridge dynamic response monitored．

Key words：Large span; Through steel truss girder bridge; Static and dynamic performance; Test; Numerical analysis; Bearing capacity