蘭曉峰，劉鵬輝，周 政

(1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，準(zhǔn)格爾 內(nèi)蒙古 010300;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 概述

大準(zhǔn)線(大同—準(zhǔn)格爾)于1992年12月開通運(yùn)營(yíng)，2006年7月開行了C80的萬(wàn)t列車，最高列車速度80 km/h。黃河特大橋主跨為(96+132+96)m連續(xù)柔性拱式鋼桁梁，是我國(guó)修建的第一座無(wú)豎桿三角形鋼桁梁橋，設(shè)計(jì)活載為中-活載。邊跨為96 m下承式無(wú)豎桿剛性桁架、中跨為剛性桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)，主桁節(jié)間距12 m，兩片主桁中心距7 m，桁高12 m，拱矢高22 m。鋼梁材料采用16 Mnq；采用盆式橡膠支座。9#,11#墩為空心墩，10#墩為實(shí)心墩、制動(dòng)墩，基礎(chǔ)均為擴(kuò)大基礎(chǔ)，地基土為白云巖層。9#,10#,11#墩高分別為55.28,59.27,56.80 m，墩全高為57.28,61.27,58.8 m，墩身橫向平均寬度均為8 m。按照鐵總科技[2014]172號(hào)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》的規(guī)定，1993年、2002年、2011年分別對(duì)大準(zhǔn)線黃河特大橋進(jìn)行了橋梁檢定試驗(yàn)，包括靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)和模態(tài)試驗(yàn)。檢定評(píng)估方案的制定、檢測(cè)方法等的依據(jù)是鐵運(yùn)函[2004]120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《橋檢規(guī)》)。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 靜載試驗(yàn)

本次試驗(yàn)測(cè)試了4個(gè)加載輪位下關(guān)鍵桿件的靜應(yīng)變和邊跨、中跨跨中的靜撓度。每個(gè)輪位重復(fù)加載3次。①輪位Ⅰ，中跨滿載，列車編組為DF10D+9輛C80重車+1輛C70重車，DF10D機(jī)車第1軸在E16節(jié)點(diǎn)。②輪位Ⅱ，左邊跨(大同側(cè))滿載，列車編組為DF10D+6輛C80重車+1輛C70重車，DF10D機(jī)車第1軸在E0節(jié)點(diǎn)。③輪位Ⅲ，右邊跨(準(zhǔn)格爾側(cè))滿載，列車編組為DF10D+6輛C80重車+1輛C70重車，DF10D機(jī)車第1軸在E16′節(jié)點(diǎn)。④輪位Ⅳ，中跨半跨加載，列車編組為DF10D+3輛C80重車+1輛C70重車，DF10D機(jī)車第1軸在E16節(jié)點(diǎn)。輪位加載見圖1。

圖1 輪位加載及桿件示意圖

主桿件內(nèi)力測(cè)點(diǎn)選在各加載輪位下受力較大的、復(fù)雜的下弦桿和拱腳處斜桿；按左右邊跨對(duì)稱布置測(cè)點(diǎn)以判別荷載作用下結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性；在上下游主梁同時(shí)布置測(cè)點(diǎn)，以檢測(cè)2片主梁受力的均勻性。測(cè)點(diǎn)位于上下游側(cè)邊跨和中跨跨中下弦桿、中跨L/4(L為跨度)處下弦桿、兩側(cè)拱腳斜桿處。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

測(cè)試大準(zhǔn)線上下行運(yùn)營(yíng)貨列通過(guò)橋梁時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，通過(guò)橋梁速度級(jí)分別為50,60,70,80 km/h，每個(gè)速度級(jí)試驗(yàn)車次不少于3趟。測(cè)試內(nèi)容：①應(yīng)變測(cè)點(diǎn)選取上游側(cè)主桁桿件，包括邊跨中、中跨中的下弦桿、縱梁、橫梁、斜桿;②第10#,11#墩上游側(cè)盆式橡膠支座橫向、豎向、縱向動(dòng)位移;③中跨L/4、跨中、3L/4和邊跨L/4、跨中處下弦桿豎向振幅;④中跨跨中、3L/4、端部橫梁和邊跨跨中處下弦桿橫向振幅;⑤9#,10#,11#墩頂橫向振幅;⑥端橫梁動(dòng)撓度。

2.3 模態(tài)試驗(yàn)

梁體自振頻率是反映橋梁動(dòng)力特性的基本參數(shù)，梁體自振頻率過(guò)低可能導(dǎo)致列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生過(guò)大振動(dòng)或共振。橋梁自振特性可以采用脈動(dòng)法(大地微振動(dòng)法)和自振衰減法進(jìn)行識(shí)別，橋梁脈動(dòng)試驗(yàn)通過(guò)記錄并分析橋跨結(jié)構(gòu)在環(huán)境激振下的脈動(dòng)信號(hào)以得出橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性。脈動(dòng)法測(cè)試時(shí)間一般不少于20 min。大跨度測(cè)試斷面多，可分?jǐn)嗝嬗涗?，但每次?yīng)保證有一個(gè)參考點(diǎn)不動(dòng)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)測(cè)主桁桿件內(nèi)力和撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)

4個(gè)加載輪位下?lián)隙葘?shí)測(cè)值、計(jì)算值和結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)[1]見表1。

表1 撓度實(shí)測(cè)值、計(jì)算值和結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)

從表1可以看出：

1)實(shí)測(cè)內(nèi)力和撓度值與理論計(jì)算值較為接近，表明理論計(jì)算較為準(zhǔn)確。

2)該橋跨實(shí)測(cè)桿件內(nèi)力的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均超過(guò)了《橋檢規(guī)》中根據(jù)簡(jiǎn)支鋼桁梁實(shí)測(cè)值綜合分析和推理得到的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)通常值。由于本次試驗(yàn)橋跨是三跨連續(xù)鋼桁梁橋，可見《橋檢規(guī)》的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)通常值有一定的局限性。由于《橋檢規(guī)》的理論計(jì)算是平面鉸接模型，這種模型計(jì)算誤差較大，本次計(jì)算采用空間剛接模型。跨度分別為48,64,80 m下承簡(jiǎn)支鋼桁梁主桿件構(gòu)造系數(shù)(平面鉸接模型計(jì)算內(nèi)力/空間剛接模型計(jì)算內(nèi)力)均超過(guò)了1.00。反映橋跨結(jié)構(gòu)整體豎向剛度的撓度值，其結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)較桿件內(nèi)力的校驗(yàn)系數(shù)值低一些，這體現(xiàn)出該橋中跨加設(shè)系桿拱型的結(jié)構(gòu)加大了全橋整體豎向剛度，從而使結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)系數(shù)基本上<1，接近《橋檢規(guī)》的要求。

3)對(duì)比2011年試驗(yàn)[2]和1993年[3]、2002年[4-5]試驗(yàn)得到的桿件內(nèi)力和結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)，可以看出3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律和大小基本一致。這說(shuō)明黃河特大橋鋼桁梁現(xiàn)在的靜力技術(shù)狀態(tài)與成橋時(shí)相比變化較小，狀態(tài)穩(wěn)定。

3.2 2片主桁受力的均勻性

在上游和下游2片主桁對(duì)稱布置測(cè)點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。從實(shí)測(cè)內(nèi)力分析可知實(shí)測(cè)2片主桁對(duì)稱桿件軸力值相差較小，可認(rèn)為2片主桁受力較為均勻。

3.3 主桁桿件換算內(nèi)力及撓跨比

表2給出通過(guò)實(shí)際測(cè)得的桿件內(nèi)力和撓度值換算得到的設(shè)計(jì)荷載中-活載作用下的內(nèi)力和撓度?？芍涸谥?活載作用下應(yīng)力最大的桿件為A17～E18，其軸向應(yīng)力為89.05 MPa;在中-活載作用下邊跨中的撓度大于中跨中的撓度，分別為75.33，63.76 mm，計(jì)算得各自的撓跨比為1/1 274 和1/2 071，與2002年實(shí)測(cè)撓跨比吻合良好，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)撓跨比1/1 115 和1/2 020 的要求。

表2 實(shí)測(cè)撓度換算到中-活載的撓跨比

3.4 主力作用下主要桿件的應(yīng)力值

橋梁結(jié)構(gòu)主要承受中-活載和恒載作用，其最終應(yīng)力是二者作用下應(yīng)力的組合[6]。各主要桿件的最終受力見表3。橋墩上的橋跨是桁架梁與系桿結(jié)構(gòu)相接點(diǎn)，受力比較復(fù)雜[7]。根據(jù)計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可得本橋跨受力最大的桿件是10#墩上的右斜桿A17～E18，最終應(yīng)力為144.61 MPa，小于設(shè)計(jì)圖紙給出的本桿件基本允許應(yīng)力[σ]=200 MPa。其余橋跨桿件應(yīng)力在100 MPa左右，由此可認(rèn)為該橋設(shè)計(jì)具有足夠的安全儲(chǔ)備。

表3 橋跨結(jié)構(gòu)主要桿件的最終應(yīng)力值

4 動(dòng)載下桿件動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

動(dòng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)點(diǎn)選取上游側(cè)主桁，測(cè)點(diǎn)位置在跨中的下弦桿、橫梁、縱梁和拱腳斜桿處，共計(jì)11個(gè)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。實(shí)測(cè)黃河特大橋各處下弦桿、斜桿、橫梁、縱梁動(dòng)應(yīng)變最大動(dòng)力系數(shù)見表4，各處桿件實(shí)測(cè)動(dòng)力系數(shù)均小于設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)。從整體趨勢(shì)看，應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)隨行車速度提高而緩慢增大；運(yùn)營(yíng)貨列重車作用下動(dòng)力系數(shù)大于空車。

表4 黃河特大橋動(dòng)應(yīng)變最大動(dòng)力系數(shù)

5 動(dòng)載下動(dòng)位移數(shù)據(jù)分析

實(shí)測(cè)黃河特大橋準(zhǔn)格爾旗側(cè)端橫梁豎向動(dòng)位移見表5，實(shí)測(cè)端橫梁豎向撓度最大值為2.01 mm，小于日本《鐵路結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及解說(shuō)》關(guān)于鋼橋、結(jié)合梁橋端橫梁規(guī)定的限度值4 mm。運(yùn)營(yíng)貨列空車、重車作用下，端橫梁撓度動(dòng)力系數(shù)分別為1.22,1.27，小于該端橫梁設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)1.54。動(dòng)力系數(shù)隨行車速度的提高而緩慢增大，運(yùn)營(yíng)貨列重車作用下動(dòng)力系數(shù)大于空車。

表5 運(yùn)營(yíng)貨列作用下黃河特大橋端橫梁動(dòng)位移及動(dòng)力系數(shù)

6 主桁桿件、墩頂橫向振幅數(shù)據(jù)分析

6.1 主桁桿件橫向振幅數(shù)據(jù)分析

主桁桿件橫向振幅測(cè)試選取上游側(cè)下弦桿，測(cè)點(diǎn)位置在邊跨中、拱腳處、中跨3L/4處、中跨跨中處，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)。實(shí)測(cè)黃河特大橋下弦桿橫向振幅見表6。貨列重車作用下橫向振幅大于空車；雖然C62,C64,C70滿載質(zhì)量小于C80貨車，但產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)反而較大，與該類貨車轉(zhuǎn)向架自身狀況關(guān)系密切。

表6 下弦桿橫向振幅 mm

6.2 墩頂橫向振幅數(shù)據(jù)分析

運(yùn)營(yíng)貨列空車、重車作用下，實(shí)測(cè)墩頂橫向振幅見表7。實(shí)測(cè)9#,10#,11#橋墩墩頂橫向振幅均在《橋檢規(guī)》通常值范圍內(nèi)。從整體趨勢(shì)上看，運(yùn)營(yíng)貨列作用下墩頂橫向振幅與行車速度關(guān)系不明顯，貨列重車作用下墩頂橫向振幅大于空車。

表7 墩頂橫向振幅 mm

6.3 主桁桿件豎向振幅數(shù)據(jù)分析

桿件豎向振幅測(cè)試主要選取下弦桿，測(cè)點(diǎn)位于中跨L/4(上游側(cè))、中跨跨中(上下游側(cè))、中跨3L/4(上下游側(cè))、準(zhǔn)格爾旗側(cè)邊跨L/4(上游側(cè))、準(zhǔn)格爾旗側(cè)邊跨跨中(上下游側(cè))，共8個(gè)測(cè)點(diǎn)。運(yùn)營(yíng)貨列作用下，實(shí)測(cè)黃河特大橋各處下弦桿豎向振幅最大值見表8。

表8 下弦桿豎向振幅最大值 mm

圖2 邊跨、中跨跨中處下弦桿豎向振幅與行車速度的關(guān)系

實(shí)測(cè)各處下弦桿豎向振幅與行車速度關(guān)系見圖2。從整體趨勢(shì)上看，貨列重車作用下梁體跨中豎向振幅大于空車；運(yùn)營(yíng)空車作用下桿件豎向振幅大小與速度關(guān)系不明顯；運(yùn)營(yíng)重車作用下，在列車速度低于65 km/h時(shí)，C62+C64+C70和C80編組區(qū)別不明顯，當(dāng)列車速度高于65 km/h時(shí)，C80編組貨列產(chǎn)生的豎向振幅隨行車速度提高呈線性增大，在車速73 km/h 時(shí)出現(xiàn)峰值。

7 黃河特大橋模態(tài)測(cè)試分析

橋梁結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)的測(cè)定主要是為了獲取橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比和振型，橋梁固有模態(tài)參數(shù)能反映橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能和技術(shù)狀況[8]。橋梁的自振頻率和阻尼比采用脈動(dòng)法進(jìn)行測(cè)試。

表9中給出2011年試驗(yàn)與1993年成橋時(shí)對(duì)該橋主梁自振頻率測(cè)試結(jié)果的對(duì)比?？梢?，主梁橫向1階自振頻率為0.94 Hz，豎向1階自振頻率為2.55 Hz。與1993年測(cè)試結(jié)果相比主梁自振頻率變化較小，說(shuō)明黃河特大橋經(jīng)過(guò)20年的運(yùn)營(yíng)，橋梁整體性能和技術(shù)狀態(tài)與成橋時(shí)相比變化較小。黃河特大橋132 m中跨橫向振動(dòng)阻尼比為0.63%(余振法)，豎向振動(dòng)阻尼比為0.85%(余振法)，與國(guó)內(nèi)外原型橋梁試驗(yàn)結(jié)果吻合[9]。

表9 黃河特大橋模態(tài)及主梁自振頻率試驗(yàn)結(jié)果

梁體橫向1階頻率為0.94 Hz，該階振型以梁體中跨彎扭為主，中跨中、中跨3L/4橫向同相位，中跨中上游、下游側(cè)豎向相位相反。橋墩橫向在該頻率成分上明顯小于跨中。

實(shí)測(cè)梁部一階橫向自振頻率在《橋檢規(guī)》鋼梁通常值0.68 Hz的范圍內(nèi)(跨度按照132 m計(jì))。對(duì)于連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)全橋整體橫向自振周期的限值，可參考文獻(xiàn)[10]的規(guī)定：第一自振周期應(yīng)滿足T1≤0.011Ls，且T1≤1.7 s，其中L為連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)的主跨長(zhǎng)度。黃河特大橋主跨132 m，按上述規(guī)定全橋橫向自振頻率不小于0.69 Hz。實(shí)測(cè)橫向自振頻率0.94 Hz大于該值。

梁體豎向1階頻率2.55 Hz，該階振型以梁體主跨豎向?qū)ΨQ彎曲為主。中跨跨中上下游豎向幅值相近，相位相同；中跨3L/4處上下游豎向幅值相近，相位相同；中跨跨中、中跨3L/4豎向相位相同；中跨跨中處豎向與邊跨跨中處豎向相位相反。

8 結(jié)論

1)對(duì)比2011年試驗(yàn)和1993年、2002年試驗(yàn)得到的桿件內(nèi)力和撓度的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)，可以看出3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律和大小基本一致。這說(shuō)明黃河特大橋鋼桁梁的技術(shù)狀態(tài)與成橋時(shí)相比變化較小。在中-活載作用下桿件應(yīng)力小于設(shè)計(jì)給出的基本允許應(yīng)力，可認(rèn)為該橋設(shè)計(jì)具有足夠的安全儲(chǔ)備。撓跨比與往年吻合良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

2)在運(yùn)營(yíng)貨列作用下，C80編組貨列重車在車速73 km/h 時(shí)出現(xiàn)峰值，梁體豎向振幅最大值為4.46 mm。鑒于采用25 t軸重的C80重車對(duì)黃河特大橋主橋的豎向靜荷載已接近中-活載，運(yùn)營(yíng)中C80應(yīng)嚴(yán)格按照額定載重均勻裝載，嚴(yán)禁超載，并加強(qiáng)對(duì)黃河特大橋的長(zhǎng)期觀測(cè)和線路養(yǎng)護(hù)維修。

3)實(shí)測(cè)主梁自振頻率與往年測(cè)試數(shù)據(jù)相比變化較小，說(shuō)明黃河特大橋經(jīng)過(guò)20年的運(yùn)營(yíng)，橋梁整體性能和技術(shù)狀態(tài)與成橋時(shí)相比變化較小。

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