張時(shí)超，趙中巖

(1．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731;2．四川華騰公路試驗(yàn)檢測(cè)有限責(zé)任公司，四川成都611730)

敦格鐵路小跨徑單線鐵路連續(xù)箱梁橋荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評(píng)定

張時(shí)超1，趙中巖2

(1．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731;2．四川華騰公路試驗(yàn)檢測(cè)有限責(zé)任公司，四川成都611730)

依托敦(煌)格(爾木)鐵路疏解線立交橋主橋(32+48+32)m預(yù)應(yīng)力混凝土單線鐵路連續(xù)箱梁橋，通過(guò)有限元分析后確定3種加載工況，觀測(cè)橋梁控制截面靜載下的變形與應(yīng)力，同時(shí)結(jié)合動(dòng)載下的結(jié)構(gòu)自振頻率、振幅、加速度與動(dòng)力系數(shù)測(cè)試，分析了主橋的固有振動(dòng)特性與列車(chē)荷載下的動(dòng)力性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋設(shè)計(jì)理論準(zhǔn)確，施工質(zhì)量可靠，橋梁剛度與承載能力滿足設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)要求。

單線鐵路;連續(xù)箱梁橋;荷載試驗(yàn);結(jié)構(gòu)評(píng)定

1 工程概況

新建鐵路敦煌至格爾木線為設(shè)計(jì)速度120 km/h的國(guó)鐵Ⅰ級(jí)單線鐵路，其中疏解線特大橋位于飲馬峽站站前戈壁區(qū)域，為跨越飲馬峽西聯(lián)絡(luò)線及既有青藏鐵路西格線而設(shè)。主橋?yàn)閱尉€預(yù)應(yīng)力混凝土(32+48 +32)m連續(xù)梁橋，起于DSIK526+376.78，止于DSIK526+490.23。

梁截面為單箱單室，梁底變化段采用二次拋物線，邊支點(diǎn)及跨中梁高為2.6 m，中支點(diǎn)梁高3.4 m。箱梁頂寬7.5 m，底寬4.5 m，頂板厚0.35 m，底板厚0.40～0.60 m，腹板厚0.50～0.70 m。39#墩墩高13 m，40#墩墩高13.5 m，箱梁采用C50混凝土，橋墩采用C30混凝土。

為了解該橋梁結(jié)構(gòu)在列車(chē)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動(dòng)載試驗(yàn)，綜合分析結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的工作狀態(tài)和承載能力，對(duì)該橋的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行綜合評(píng)估［1-4］。

2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.1 測(cè)試截面選擇

采用橋梁結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)分析程序Midas對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析，全橋結(jié)構(gòu)離散成58個(gè)單元，77個(gè)節(jié)點(diǎn)，求得連續(xù)梁橋在設(shè)計(jì)荷載下的內(nèi)力、位移包絡(luò)圖以及主橋一階自振頻率，確定主梁最不利內(nèi)力控制截面。即在主橋上分別設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)控制斷面，分別為邊跨最不利截面(A截面)、40#墩中跨側(cè)根部截面(B截面)和中跨跨中截面(C截面)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)控制斷面(單位:cm)

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

靜載試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)設(shè)在梁底板、梁頂板和腹板上，沿縱橋向布置于3個(gè)控制截面上，見(jiàn)圖2。撓度測(cè)點(diǎn)設(shè)在橋面上，主邊跨撓度測(cè)試位置均為L(zhǎng)/4，L/2，3L/4截面和各支點(diǎn)截面，共計(jì)26個(gè)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖3。將動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)布置在中跨與邊跨的振幅較大截面處，相應(yīng)A，C截面選擇3個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)作為動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能測(cè)試。在邊跨跨中、中跨跨中截面、主墩側(cè)面相應(yīng)的位置上安裝垂直和水平拾振器測(cè)點(diǎn)，測(cè)試橋梁動(dòng)力特性。

圖2 測(cè)點(diǎn)橫橋向布置(單位:cm)

圖3 測(cè)點(diǎn)順橋向布置(單位:cm)

3 靜載試驗(yàn)

3.1 靜載試驗(yàn)加載工況

由于該橋跨徑較小，試驗(yàn)加載車(chē)擬采用3臺(tái)DF型內(nèi)燃機(jī)車(chē)進(jìn)行編組。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式、跨度，計(jì)算各個(gè)加載截面的內(nèi)力與位移影響線，按最不利位置加載，確定試驗(yàn)荷載重量及縱向布置。加載位置如圖4所示，測(cè)試工況如表1所示。

圖4 3種工況加載示意(單位:cm)

表1 主橋加載工況的計(jì)算彎矩、試驗(yàn)彎矩及相應(yīng)的荷載效率系數(shù)

3.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 撓度測(cè)試結(jié)果

為了獲得結(jié)構(gòu)荷載-應(yīng)力(變形)連續(xù)曲線和避免結(jié)構(gòu)受到損傷，靜力試驗(yàn)分成預(yù)加載和分級(jí)加載的方式，逐級(jí)遞加直到最大荷載，然后逐級(jí)卸載到零級(jí)荷載。加載過(guò)程中撓度測(cè)試采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量主要受力構(gòu)件4分點(diǎn)撓度測(cè)點(diǎn)的豎向變形。由于篇幅所限，本文只列出部分測(cè)試結(jié)果。各工況撓度測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，工況C各測(cè)點(diǎn)撓度對(duì)比見(jiàn)圖5。

表2 各工況撓度測(cè)試結(jié)果

圖5 工況C各測(cè)點(diǎn)撓度對(duì)比

由表2可知在試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均小于1，橋梁結(jié)構(gòu)平均校驗(yàn)系數(shù)為0.72～0.78。符合《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào))［5］10.0.8條要求。其中，實(shí)測(cè)跨中最大撓度為5.4 mm，換算中-活載撓度為8.68 mm，換算中-活載撓度比為1/5 526，小于撓跨比通常值1/1 800，符合文獻(xiàn)［5］10.0.3條要求，表明該橋的豎向剛度較好。另外，結(jié)構(gòu)殘余變形非常小，說(shuō)明在試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)［6］。

3.2.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

加載過(guò)程中應(yīng)力測(cè)試，采用在試驗(yàn)截面貼設(shè)阻值120Ω的混凝土應(yīng)變片，并考慮對(duì)環(huán)境溫度等因素的補(bǔ)償(在不同位置粘貼補(bǔ)償應(yīng)變片)，應(yīng)變采用數(shù)字應(yīng)變儀自動(dòng)采集存儲(chǔ)。應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明:在試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均小于1，橋梁結(jié)構(gòu)平均校驗(yàn)系數(shù)為0.73～0.75。其中工況C加載時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)比較見(jiàn)表3。

表3 工況C加載時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)比較

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)該橋進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)，即在橋面無(wú)交通荷載、橋梁附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處各種環(huán)境激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)。該橋試驗(yàn)主要利用頻域分析的頻域幅值譜來(lái)測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)固有模態(tài)頻率［7-8］。采用3輛DF機(jī)車(chē)聯(lián)掛之后沿橋梁線路以10，20，30，40，50 km/h的速度往返通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車(chē)輛荷載作用下的加速度響應(yīng)和動(dòng)力系數(shù)。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 自振特性實(shí)測(cè)結(jié)果

通過(guò)實(shí)測(cè)脈動(dòng)信號(hào)，經(jīng)分析處理得到結(jié)構(gòu)自振頻率，其中橫向自振頻率見(jiàn)表4。

表4 橫向自振頻率Hz

由表4可以看出該橋主梁與主墩的實(shí)測(cè)橫向1階自振頻率均大于文獻(xiàn)［5］第10.0.5與10.0.7條中的自振頻率通常值，滿足規(guī)范要求。

4.2.2 行車(chē)試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)采集該橋A，C截面的動(dòng)應(yīng)變、豎向與橫向加速度、以及39#，40#主墩橫向加速度，分析得到動(dòng)力響應(yīng)隨車(chē)速變化測(cè)試結(jié)果，其中部分截面振幅與動(dòng)力系數(shù)如表5所示。

表5 主橋振幅與動(dòng)力系數(shù)

實(shí)測(cè)該橋主梁中跨最大豎向振幅為0.27 mm，最大橫向振幅為0.25 mm，振幅均較小，表明該橋豎向、橫向剛度能滿足行車(chē)需求。

實(shí)測(cè)該橋兩主墩(39#，40#墩)墩頂橫向最大振幅分別為0.07 mm與0.08 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［5］中10.0.7條中規(guī)定的鐵路橋梁墩頂橫向振幅通常值0.61 mm與0.64 mm。

實(shí)測(cè)該橋中跨最大橫向加速度為0.09 m/s2，符合文獻(xiàn)［5］中10.0.5條中橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動(dòng)加速度不應(yīng)超過(guò)1.4 m/s2的規(guī)定。

實(shí)測(cè)該橋中跨最大動(dòng)力系數(shù)為1.081，根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》［9］(TB 10002.1—2005)規(guī)定，該橋動(dòng)力系數(shù)為1.154，實(shí)測(cè)值明顯小于規(guī)范計(jì)算值。

5 結(jié)論

1)在試驗(yàn)荷載作用下，各位移測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)＜1.0;按實(shí)測(cè)值換算到中-活載時(shí)的撓跨比，中跨跨中最大撓跨比為1/5 526，小于通常值1/1 800，表明該橋的豎向剛度較好。

2)在試驗(yàn)荷載作用下，各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值均小于理論值，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)＜1.0，表明試驗(yàn)時(shí)橋梁強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3)在試驗(yàn)時(shí)主梁各控制截面相對(duì)殘余變形及殘余應(yīng)變很小，表明卸載之后結(jié)構(gòu)的變形能夠及時(shí)恢復(fù)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

4)由模態(tài)試驗(yàn)基頻和理論計(jì)算值對(duì)比可以看出，實(shí)測(cè)梁體跨中橫向自振頻率值和橋墩橫向自振頻率大于規(guī)范通常值，表明結(jié)構(gòu)的橫向剛度較好。

5)行車(chē)試驗(yàn)表明梁體試驗(yàn)截面的動(dòng)應(yīng)變、加速度和振幅響應(yīng)正常，墩頂橫向振幅小于通常值，主橋中跨C截面的最大動(dòng)力系數(shù)1.081小于規(guī)范值1.154。

6)本次試驗(yàn)曾采用3輛DF機(jī)車(chē)和DF機(jī)車(chē)+C62重車(chē)的編組形式進(jìn)行加載試算，仍達(dá)不到《鐵路橋梁檢定規(guī)范》要求的荷載效率系數(shù)，建議結(jié)合我國(guó)鐵路的實(shí)際荷載狀態(tài)和單線鐵路連續(xù)梁橋的內(nèi)力狀態(tài)對(duì)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的荷載效率系數(shù)限值開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

目前《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的限值均是針對(duì)簡(jiǎn)支梁，其他結(jié)構(gòu)形式鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢驗(yàn)相關(guān)參照文獻(xiàn)較少，建議開(kāi)展更具廣泛性的研究。

［1］崔琳．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁荷載試驗(yàn)分析［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2011．

［2］寧剛，馬福，張少華．預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁橋的動(dòng)荷載試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)科技論文，2015，10(7):855-859．

［3］陳韻，劉伯奇．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁加寬改造后安全評(píng)估［J］．鐵道建筑，2015(6):24-26．

［4］陳通，曾小廣．多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋荷載試驗(yàn)分析［J］．交通科技，2013(6):19-21．

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵運(yùn)函［2004］120號(hào)鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2004．

［6］黃力，石雪飛，徐亮，等．大跨度連續(xù)梁橋動(dòng)靜載試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)評(píng)定［J］．石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，25 (3):24-29．

［7］施洲，夏招廣，葛玉梅．高墩大跨連續(xù)梁鐵路橋動(dòng)力試驗(yàn)［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，41(3):349-354．

［8］黃勝前，楊永清．高墩大跨連續(xù)箱梁鐵路橋動(dòng)力性能試驗(yàn)研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(12):35-39．

［9］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

Load Test and Structure Evaluation of Small-span Single-track Railway Continuous Box Girder Bridge on Dunhuang－Golmud Railway

ZHANG Shichao1，ZHAO Zhongyan2
(1．China Railway Southwest Research Institute Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 611731，China; 2．Sichuan Huateng Highway Examination Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 611730，China)

A(32+48+32)m continuous prestressed concrete box girder bridge，which is the main bridge of an overpass bridge on distribution line of Dunhuang－Golmud single-track railway，was studied．T hree load cases were suggested based on the finite element analysis．T he deformation and stress at the critical sections under static loads were measured．Also，the dynamic test for main bridge was conducted to analyze the natural vibration properties and structural dynamic response，including frequency，amplitude，acceleration and impact factor．T he test results suggest a sound design and construction．T he bridge stiffness and bearing capacity satisfy the requirements of design and operation．

Single-track railway;Continuous box girder bridge;Load test;Structure evaluation

U448．21+5;U446．1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．05

1003-1995(2016)12-0017-04

(責(zé)任審編孟慶伶)

2016-08-09;

2016-10-09

張時(shí)超(1987—)，男，工程師，碩士。