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        輕軌特大剛構(gòu)拱橋承載能力及車橋耦合振動試驗(yàn)研究

        2020-03-10 11:13:22鐘曉林張鵬
        廣東土木與建筑 2020年2期
        關(guān)鍵詞:車橋撓度彎矩

        鐘曉林,張鵬

        (廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心有限公司廣州510440)

        0 引言

        軌道交通由于方便快捷,在現(xiàn)代城市交通中扮演著越來越重要的角色。相比于地下隧道,軌道交通采用越來越多的高架橋梁,其成本優(yōu)勢明顯,但橋梁的承載能力及動力特性也成為軌道交通安全建設(shè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

        對于公路橋梁,通常根據(jù)《城市橋梁檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):DBJ/T 15-87-2011》[1]對橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn),再對其承載力進(jìn)行評估,相關(guān)研究已有較多的成果[2-4]。對于城市軌道交通高架橋,雖然現(xiàn)行《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運(yùn)函〔2004〕120 號)[5]有一些相關(guān)規(guī)定,但荷載與鐵路橋梁的荷載存在較大區(qū)別,不能完全參照,且目前針對軌道交通橋梁承載力評估的文獻(xiàn)報(bào)道相對較少。

        另一方面,由于軌道交通的列車荷載容易引起振動,因此橋梁的動力特性和車橋耦合特性成為研究的重點(diǎn)。張鵬等人[6]研究了連續(xù)車流-橋耦合系統(tǒng)的隨機(jī)響應(yīng),引入連續(xù)車流的概念,為軌道列車荷載的對比提供借鑒。劉海濤等人[7]研究了輕軌系統(tǒng)的車-軌道梁-剛構(gòu)橋空間耦合系統(tǒng)動力特性,并評價乘坐的舒適性。羅錕等人[8]采用仿真方法模擬軌道交通車橋耦合系統(tǒng),取得了良好效果。王少杰等人[9],李小珍[10]等人分別對橋線形變化、跨坐式單軌車輛的輕軌車橋耦合進(jìn)行了研究。然而,以上研究均是基于理論計(jì)算及仿真模擬,軌道橋梁的實(shí)際受力特性還需要進(jìn)一步的現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。

        因此,本文將結(jié)合某主跨為310 m 的城市輕軌高架橋,依據(jù)相關(guān)規(guī)范[1,5],進(jìn)行動靜載荷載實(shí)驗(yàn),以評估軌道交通橋梁的承載能力、剛度和車橋耦合效應(yīng),為該橋的安全運(yùn)營提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù),也為類似橋梁提供工程參考。

        1 工程概況

        本聯(lián)橋梁為大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱橋,全長310 m,跨徑組合為(80+150+80)m;為雙線線路,采用B 型車,6輛編組,設(shè)計(jì)最高運(yùn)營時速為80 km/h。主梁及Y 肋混凝土強(qiáng)度等級為C60、橋墩混凝土強(qiáng)度等級為C50,承臺混凝土強(qiáng)度等級為C40。橋梁概貌如圖1所示。

        2 靜載試驗(yàn)

        本次試驗(yàn)對象為特大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱橋,根據(jù)文獻(xiàn)[1],試驗(yàn)工況分別為①主跨最大正彎矩(A-A 截面)工況;②Y 肋頂處梁最大負(fù)彎矩(B-B 截面)工況;③邊跨跨中正彎矩(C-C 截面)工況;④邊墩(薄壁墩)墩頂彎矩(D-D截面)工況。測試控制截面如圖2所示。

        圖1 橋梁概貌Fig.1 Bridge General View

        圖2 本次試驗(yàn)控制截面示意圖Fig.2 The Control Section Schematic Diagram of the Experiment (cm)

        2.1 有限元計(jì)算模型

        采用Midas/civil 軟件建立橋梁的空間有限元模型,橋梁模型如圖3所示。

        圖3 橋梁Midas/civil模型Fig.3 The Midas/civil Model of Bridge

        2.2 加載效率

        按照文獻(xiàn)[1]的要求,本次荷載試驗(yàn)的加載效率η 應(yīng)介于0.80~1.00之間;

        式中:Ss為靜載試驗(yàn)荷載作用下,加載試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng);S 為控制荷載在同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利計(jì)算效應(yīng)值。

        以控制截面彎矩值來計(jì)算靜載試驗(yàn)加載效率??刂平孛婕虞d效率如表1所示。

        表1 控制截面荷載效應(yīng)Tab.1 Load Effect of Control Section

        2.3 測點(diǎn)布置

        靜載試驗(yàn)撓度測點(diǎn)布置如圖4 所示,撓度測點(diǎn)以每跨四等分為原則,個別位置適當(dāng)調(diào)整和增加,共布置撓度測點(diǎn)15個。限于篇幅限制,本次靜載試驗(yàn)僅以主跨跨中(A-A 截面)最大正彎矩工況為例介紹。主跨跨中應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖5所示。主梁最大正彎矩工況加載示意如圖6所示,現(xiàn)場加載如圖7所示。

        圖4 撓度測點(diǎn)布置示意圖Fig.4 The Schematic Diagram of Deflection Measuring Point(cm)

        圖5 主跨跨中應(yīng)變測點(diǎn)布置Fig.5 The Schematic of Strain Key Point on Main Span Middle Section

        圖6 主梁(A-A)最大正彎矩工況加載示意圖Fig.6 Schematic Loading of Main Beam (A-A) under Maximum Positive Moment Conditions (cm)

        圖7 主跨跨中最大正彎矩工況現(xiàn)場加載實(shí)景Fig.7 Field Loading Scene with Maximum Positive Bending Moment in Main Span

        2.4 靜載試驗(yàn)結(jié)果

        撓度測試結(jié)果如表2 所示,各級荷載作用下橋梁實(shí)測撓度曲線如圖8a 所示。由圖8a 可知:橋梁在各級荷載左右下,撓度測試結(jié)果均比理論計(jì)算值小,橋梁工作狀態(tài)正常。

        表3 及圖8b 為橋梁跨中最大正彎矩工況應(yīng)變測試結(jié)果。可以看出,橋梁跨中截面各應(yīng)變均處于彈性范圍內(nèi),表明橋梁工作性能良好。

        表4列出本次試驗(yàn)關(guān)鍵控制測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)及殘余比。從表4 可知:橋梁關(guān)鍵控制測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)處于規(guī)范規(guī)定的常值范圍內(nèi),且小于1,表明橋梁安全冗余度較高。測點(diǎn)殘余比遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的0.20,表明橋梁受載恢復(fù)性能較好。

        表2 橋梁撓度實(shí)測值與理論值比較Tab.2 Comparison between Measured and Theoretical Deflection Values of Bridges (mm)

        圖8 試驗(yàn)測試結(jié)果與理論值比較Fig.8 Comparisons of Experimental Test Results with Theoretical Values

        3 模態(tài)試驗(yàn)

        自然環(huán)境中由于風(fēng)、水流等作用而存在微脈動,橋梁在微脈動作用下,產(chǎn)生振動。通過采集橋梁的振動時程,并通過傅里葉變換可求得橋梁的振動頻率。

        模態(tài)測試部分測點(diǎn)時程及頻譜如圖9 所示。由圖9b可知:橋梁實(shí)測基頻為1.22 Hz。Midas/Civil軟件模擬得出橋梁豎向第一階振型及頻率如圖10 所示。脈動試驗(yàn)結(jié)果為1.22 Hz>橋梁理論基頻f=0.92 Hz,表明橋梁整體剛度較好。

        4 車橋耦合振動試驗(yàn)

        本次車橋耦合振動試驗(yàn)用車采用運(yùn)營車輛,B 型車,共6節(jié)車廂。測試均采用重載列車,如圖11所示。車橋耦合試驗(yàn)工況如下:行車試驗(yàn)工況車速分別為40、60、80 km/h;制動試驗(yàn)工況車速為60 km/h;會車試驗(yàn)工況車速為80 km/h。試驗(yàn)列車最大設(shè)計(jì)軸重為140 kN,對試驗(yàn)列車進(jìn)行加載,使車輛軸重達(dá)到設(shè)計(jì)軸重的80%。試驗(yàn)車輛車型為A-B-C-C-B-A,即托-動-動-動-動-托。A(托)、B(動)、C(動)車廂加載重量分別為18.0、17.1、17.5 t,加載總重為105.2 t。

        表3 橋梁控制截面應(yīng)變實(shí)測值與理論值比較Tab.3 Comparisons between Measured and Theoretical Strain Values of Bridge Control Section(με)

        表4 控制測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)及殘余比匯總Tab.4 Summary of Control Point Calibration Coefficient and Residual Ratio

        圖9 脈動測試部分測點(diǎn)時程曲線及頻譜Fig.9 Time-history Curve and Frequency Spectrum of Some Measuring Points in Pulsation Test

        圖10 橋梁豎向第一階模態(tài)及頻率Fig.10 Vertical First-order Modes and Frequencies of Bridges

        圖11 試驗(yàn)車輛實(shí)景Fig.11 Scene of Test Train

        其中主梁橫橋向水平振動測點(diǎn)、豎向振動測點(diǎn)各1 個;中墩正上方主梁處各設(shè)置橫橋向水平測點(diǎn)1 個;邊墩頂設(shè)置橫橋向及縱橋向水平振動測點(diǎn)各1個。邊墩底設(shè)置1 個動應(yīng)變測點(diǎn)。共布置測點(diǎn)6 個,測點(diǎn)布置示意圖如圖12所示。

        圖12 動態(tài)測點(diǎn)布置示意圖Fig.12 Schematic Diagram of Dynamic Measuring Point Arrangement

        振動測點(diǎn)均采用速度檔采集振動信號,通過積分獲得測點(diǎn)的振幅。圖13給出了80 km/h行車試驗(yàn)工況時,各測點(diǎn)的實(shí)測時程曲線。表5 給出了車橋耦合試驗(yàn)各工況下的測試結(jié)果匯總。

        根據(jù)《城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范:GB/T 51234-2017》[11]的要求:在列車橫向搖擺力、離心力等作用下,橋梁結(jié)構(gòu)橫向水平振幅:

        按照中跨跨度為150 m 計(jì)算,則最大橫向水平振幅Amax=37.5 mm。從表5 可知:在現(xiàn)行列車運(yùn)行情況下,橋梁橫向水平振幅遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值,表明橋梁橫向剛度較好。

        橋梁邊墩為薄壁墩,按照規(guī)范要求,其墩頂橫橋向水平位移及順橋向水平位移應(yīng)滿足:

        圖13 行車試驗(yàn)時(80km/h)各測點(diǎn)實(shí)測時程曲線Fig.13 The Measured Time-history Curve of Each Measuring Point in the Driving Test(80km/h)

        橋梁邊跨跨徑為80 m,則邊墩墩頂橫橋向及順橋向水平位移限值分別為35.78 mm、44.72 mm。從表5可知:在現(xiàn)行列車運(yùn)行情況下,邊墩墩頂橫橋向及順橋向水平撓度遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值,表明橋梁邊墩剛度較好。

        表5 各工況作用下試驗(yàn)參數(shù)實(shí)測值Tab.5 Measured Values of Test Parameters under Various Working Conditions

        從表5可知:

        ⑴ 正常行車狀態(tài)下,隨著車輛速度的增加,主跨跨中橫橋向水平振幅、邊墩橫橋向及順橋向水平位移均增加。表明在正常行車時,隨運(yùn)行速度的加大,會大幅提高橋梁上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng),即橋梁上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)與列車運(yùn)營速度正相關(guān)。

        ⑵ 在橋梁特殊運(yùn)營狀態(tài)下,如列車在橋梁上制動或者兩列列車在橋梁上會車,橋梁上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)不會超過最大運(yùn)營速度下,單列列車行駛時的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng),即在現(xiàn)行最大運(yùn)營荷載下,列車制動及會車狀態(tài)下,不會產(chǎn)生橋梁水平向(包括橫橋向水平及順橋向水平)的最不利狀態(tài)。

        ⑶ 試驗(yàn)過程中,邊墩(薄壁墩)墩底應(yīng)變較小,且變動幅度較小。

        6 結(jié)論

        為評估某城市軌道交通大跨度剛構(gòu)拱橋的承載能力和動力特性,進(jìn)行靜載試驗(yàn)、模態(tài)試驗(yàn)和車橋耦合現(xiàn)場試驗(yàn),數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:

        ⑴ 橋梁靜力性能較好,滿足承載力的要求。

        ⑵ 橋梁實(shí)測基頻大于理論值,橋梁豎向剛度滿足要求。

        ⑶ 橋梁正常運(yùn)營狀態(tài)下,主梁橫向剛度及邊墩(薄壁墩)剛度滿足正常使用的要求。

        ⑷ 橋梁上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)與列車運(yùn)營速度正相關(guān)。列車制動及會車狀態(tài)下不會產(chǎn)生橋梁水平向的最不利狀態(tài)。

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