胡曉東,魏博豪,王 炎,陳 勇
(1.中鐵四局集團有限公司,安徽 合肥 230041;2.浙江理工大學建筑工程學院,浙江 杭州 310000;3.上海市建筑科學研究院有限公司,上海市 200032)
甬江鐵路斜拉橋?qū)儆趯幉ㄨF路樞紐貨運列車外環(huán)線的控制性工程,是國內(nèi)首座大跨度鐵路混合梁斜拉橋。該橋設置為雙線Ⅰ級電氣化鐵路,設計荷載選用中—活載,貨車最高運行時速為120 km/h。甬江鐵路斜拉橋主橋為鐵路鋼-混混合梁斜拉橋,梁體全長為909.1 m,邊跨為4跨混凝土箱梁,孔跨按照(53+50+50+66)m布置,主跨為468 m鋼箱混合梁。甬江橋承受荷載大,結(jié)構(gòu)設計復雜,施工難度較大。在主梁設計及施工過程中,缺乏可供參考的工程案例和數(shù)據(jù)資料。為確保成橋效果,眾多學者圍繞該橋展開進行了許多研究工作[1-4]。
對于大跨度的混合梁斜拉橋,以往研究工作大多依據(jù)理論分析和模型試驗展開。但事實上,由于此類橋梁橋體結(jié)構(gòu)受力復雜,施工技術(shù)含量高,需利用有限元軟件模擬各施工階段,根據(jù)理論數(shù)據(jù)制定動靜載試驗方案,對主橋進行動靜載試驗,以此來評估橋梁在試驗荷載作用下的工作狀態(tài),檢驗其是否符合國家標準和設計要求,為其他橋梁工程提供參考。
本文以甬江鐵路斜拉橋為例,介紹了基于MIDAS/CIVIL有限元模型,依照試驗方案在各種設定工況下開展動靜載的試驗,總結(jié)歸納了此類大跨度鐵路斜拉橋動靜載試驗的經(jīng)驗。
為確保測試結(jié)果能更真實的反映所測橋體結(jié)構(gòu)的實際受力狀況以及承載力,如何在超大尺寸的橋體上恰當?shù)淖龀鲞x擇,就需要依靠有限元分析軟件來實現(xiàn)[5-7]。
采用MIDAS/CIVIL對主橋梁體、斜拉索、橋塔、橋墩及承臺等結(jié)構(gòu)進行模擬,全橋共計999個單元。邊界條件設置時,邊跨縱梁在P1#—P4#、P7#—P10#墩處設置豎向支承,主梁與橋塔間橫系梁間采用彈性連接,橋梁結(jié)構(gòu)為半飄浮體系。橋墩與基礎(chǔ)采用固結(jié)方式。整橋有限元模型如圖1所示。
基于設計資料,在有限元模型中對各施工階段進行模擬,得到控制截面的彎矩影響線,如圖2、圖3所示,以及設計活載彎矩及位移包絡圖,如圖4、圖5所示。
圖3 主跨鋼混結(jié)合段截面彎矩影響線
圖4 主梁設計活載彎矩包絡圖(單位:kN·m)
圖5 主梁設計活載位移包絡圖(單位:m)
對主橋進行動力特性分析,得到自振特性分析結(jié)果,如表1所示,部分振型曲線如圖6、圖7所示。
表1 主橋自振特性分析結(jié)果
圖6 主梁一階豎彎振型圖(f=0.436 Hz)
圖7 主梁二階豎彎振型圖(f=0.553 Hz)
結(jié)合橋梁的實際情況和有限元分析結(jié)果,選取若干截面作為試驗控制截面,各截面布置如下圖8、圖9所示。
圖8 試驗截面洪塘岸半跨布置圖(單位:m)
圖9 試驗截面云龍岸半跨布置圖(單位:m)
通過靜載試驗,檢驗橋梁結(jié)構(gòu)實際性能是否達到設計要求;判定橋梁能否保證貨運列車安全運行;檢驗并判斷橋梁是否滿足設計及運輸要求,為橋梁交工驗收、提供技術(shù)依據(jù)。
正式試驗前,需根據(jù)施工坐標控制網(wǎng)對橋面布置的各測點進行高程測量。測點應沿橫橋向?qū)ΨQ布置。此外,還需對橋塔三維線形以及所有斜拉索索力進行測試。
基于計算結(jié)果,確定靜載試驗內(nèi)容如下:
(1)A-A~N-N工況下,對各加載試驗截面進行應力測試;
(2)A-A~C-C、O-O工況下,選擇其中索力最大的3對斜拉索進行索力增量測試;選擇主跨中加載車輛最多的工況,利用索力健康監(jiān)測系統(tǒng)對主跨索力進行全測;
(3)橋塔塔頂縱向水平偏位測試;
(4)主跨箱梁八分點豎向撓度測試,其它試驗跨箱梁四分點豎向撓度測試;
(5)支座、阻尼器位移測試;
(6)箱梁縱向位移及梁端轉(zhuǎn)角測試;
在進行測點布置時,應有針對性的進行應力測點、撓度測點、位移測點、轉(zhuǎn)角測點以及索力測點的布置。以梁體加載截面靜應力測點為例,在A-A~E-E工況、G-G~N-N工況試驗截面中,單個混凝土截面布置17個靜應力測點,單個鋼箱梁截面布置20個靜應力測點。梁體試驗截面具體測點布置見圖10、圖11。
圖10 混凝土梁試驗截面靜應力測點布置圖(單位:cm)
圖11 鋼箱梁試驗截面靜應力測點布置圖(單位:cm)
靜載試驗荷載[8]用列車充當(機車為DF4型,車輛為C70貨車)。每一個檢驗項目所需列車重量及編組,應根據(jù)設計控制荷載產(chǎn)生的最不利效應值按下式等效換算得到:
式中:η為靜力試驗荷載效率;Sst為試驗荷載作用下檢驗項目計算效應值(某檢驗特定位置的變形、內(nèi)力或應力值);S為設計標準荷載作用下的計算效應值(不計動力系數(shù));δ為動力系數(shù)。
靜載試驗荷載應該根據(jù)靜載試驗加載項目,對列車進行相應解編,來滿足各工況中最不利的加載情況。甬江橋各試驗工況的荷載效率系數(shù)介于0.75~0.88之間。
基于計算結(jié)果,選取B-B、D-D、E-E、G-G、I-I截面來進行動載試驗,具體試驗內(nèi)容如下:
(1)脈動試驗
測定橋跨結(jié)構(gòu)的振型、臨界阻尼比和固有模態(tài)頻率。
(2)制動試驗
測定在車輛制動荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應,制動速度為40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h。
(3)行車試驗
測定橋跨結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下的動態(tài)響應,行車速度包括:5(標定車速試驗)、40 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h。
在進行測點布置時,應有針對性的對動撓度測點、動應變測點、加速度測點、橫向和豎向振幅測點以及主梁振型測點進行布置。以動撓度測點為例,應在主跨跨中截面(B-B)橫向布置1個測點,具體測點布置見圖12。
圖12 動撓度測點橫向布置圖(單位:cm)
主橋行車試驗采用貨車單向行車。制動試驗和行車試驗單列貨車由2DF4D+20C70(重車)+20C70(空車)編組組成。動載試驗包括行車試驗和制動試驗,先進行行車試驗,然后進行制動試驗。
篇幅有限,表2、表3列出了部分試驗數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果?;趯崪y結(jié)果可知,各測試部位的橋面初始高程、偏位、橋塔初始線形、恒載索力值均與設計值符合較好。
表2 洪塘岸實測索力值與設計索力值對比
表3 洪塘岸索塔初始線形檢測結(jié)果
基于試驗結(jié)果,得出各試驗截面的撓度、應力、塔頂水平偏位、阻尼器位移、梁端轉(zhuǎn)角、支座位移以及索力的實測值與計算值較符合。表4、表5列出了部分試驗數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果。
圖13 洪塘岸索塔實測線形與設計線形對比圖
表4 部分滿載加載試驗撓度實測值與計算值比較
表5 部分試驗截面應力實測值與計算值比較
表6、表7為部分根據(jù)測試部位的實測加速度時程曲線分析得到的對應加速度測試結(jié)果。由測試結(jié)果可以看出:甬江橋的主跨跨中處橋面橫、豎向加速度分別介于0.10~1.10 m/s2和0.34~1.11 m/s2之間;橋塔處的橋面橫、豎向加速度分別介于0.03~0.32 m/s2和0.12~0.95 m/s2之間;P6#墩的墩頂橫、縱向加速度分別介于0.01~0.15 m/s2和0.01~0.09 m/s2之間。
表6 部分試驗截面行車實測振動加速度 單位:m/s 2
表7 部分試驗截面制動實測振動加速度 單位:m/s 2
根據(jù)《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定》[9](鐵建設函[2003]205號)第5.3.2條規(guī)定:“道砟橋面強震頻率不大于20 Hz的豎向振動加速度a≤0.35g”。橋跨結(jié)構(gòu)實測豎向加速度最大值發(fā)生在行車速度為80 km/h時的主跨跨中處,其值為1.11 m/s2,小于規(guī)定,表明橋跨結(jié)構(gòu)的豎向動力性能良好。根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[10]10.0.5條第2項規(guī)定:“橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動加速度a不應超過1.4 m/s2”。橋跨結(jié)構(gòu)實測橫向加速度最大值發(fā)生在制動速度為70 km/h時的主跨跨中處,其值為1.10 m/s2,小于規(guī)定,表明橋跨結(jié)構(gòu)的橫向動力性能良好。
表8~表11為根據(jù)脫軌系數(shù)和減載率實測時程曲線圖得到的橋跨結(jié)構(gòu)脫軌系數(shù)及減載率測試結(jié)果。
表8 甬江特大橋行車脫軌系數(shù)實測值
表11 甬江特大橋制動減載率實測值
表9 甬江特大橋制動脫軌系數(shù)實測值
表10 甬江特大橋行車減載率實測值
分析測試結(jié)果可得:橋跨結(jié)構(gòu)的行車減載率介于0.08~0.39,制動減載率介于0.03~0.16;行車脫軌系數(shù)介于0.24~0.55,制動脫軌系數(shù)介于0.07~0.27。
根據(jù)規(guī)范《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》[11](GB 5599—85)第3.3.3.1條規(guī)定,減載率的限值為0.60。行車速度為80 km/h時,橋跨結(jié)構(gòu)的最大減載率為0.39,小于規(guī)定值,滿足要求。根據(jù)規(guī)范《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》[12](TB/T 2360—93)第2.2.2.1條規(guī)定,當最大脫軌系數(shù)小于等于0.6時,評定等級為優(yōu)良。行車速度為80 km/h時,橋跨結(jié)構(gòu)的最大脫軌系數(shù)為0.55,小于規(guī)定值,等級為優(yōu)良。
(1)甬江橋的橋面初始高程、恒載索力、橋塔初始線形與設計值符合較好。
(2)甬江橋的主橋橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度,滿足設計荷載,即雙線“中—活載”的要求。
(3)甬江橋的設計以及施工質(zhì)量良好。橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振幅、脫軌系數(shù)以及加速度等均滿足規(guī)范要求。