張時超，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)評定

張時超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，通過有限元分析后確定3種加載工況，觀測橋梁控制截面靜載下的變形與應(yīng)力，同時結(jié)合動載下的結(jié)構(gòu)自振頻率、振幅、加速度與動力系數(shù)測試，分析了主橋的固有振動特性與列車荷載下的動力性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋設(shè)計理論準(zhǔn)確，施工質(zhì)量可靠，橋梁剛度與承載能力滿足設(shè)計及運(yùn)營要求。

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

1 工程概況

新建鐵路敦煌至格爾木線為設(shè)計速度120 km/h的國鐵Ⅰ級單線鐵路，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)在列車荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，需要對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動載試驗(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，對該橋的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行綜合評估［1-4］。

2 測點(diǎn)布設(shè)

2.1 測試截面選擇

采用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)分析程序Midas對該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動力分析，全橋結(jié)構(gòu)離散成58個單元，77個節(jié)點(diǎn)，求得連續(xù)梁橋在設(shè)計荷載下的內(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 測點(diǎn)布置

靜載試驗(yàn)應(yīng)變測點(diǎn)設(shè)在梁底板、梁頂板和腹板上，沿縱橋向布置于3個控制截面上，見圖2。撓度測點(diǎn)設(shè)在橋面上，主邊跨撓度測試位置均為L/4，L/2，3L/4截面和各支點(diǎn)截面，共計26個測點(diǎn)，見圖3。將動態(tài)測點(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個應(yīng)力測點(diǎn)作為動應(yīng)力測點(diǎn)進(jìn)行橋跨結(jié)構(gòu)的動力性能測試。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點(diǎn)，測試橋梁動力特性。

圖2 測點(diǎn)橫橋向布置(單位:cm)

圖3 測點(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)加載車擬采用3臺DF型內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行編組。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式、跨度，計算各個加載截面的內(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)加載和分級加載的方式，逐級遞加直到最大荷載，然后逐級卸載到零級荷載。加載過程中撓度測試采用精密水準(zhǔn)儀測量主要受力構(gòu)件4分點(diǎn)撓度測點(diǎn)的豎向變形。由于篇幅所限，本文只列出部分測試結(jié)果。各工況撓度測量數(shù)據(jù)見表2，工況C各測點(diǎn)撓度對比見圖5。

表2 各工況撓度測試結(jié)果

圖5 工況C各測點(diǎn)撓度對比

由表2可知在試驗(yàn)荷載作用下，各測點(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)［5］10.0.8條要求。其中，實(shí)測跨中最大撓度為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，說明在試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)［6］。

3.2.2 應(yīng)力測試結(jié)果

加載過程中應(yīng)力測試，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)變儀自動采集存儲。應(yīng)力測試結(jié)果表明:在試驗(yàn)荷載作用下，各測點(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加載時各測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)比較見表3。

表3 工況C加載時各測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)比較

4 動載試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況對該橋進(jìn)行脈動試驗(yàn)，即在橋面無交通荷載、橋梁附近無規(guī)則振源的情況下，測定橋跨結(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)微幅振動響應(yīng)。該橋試驗(yàn)主要利用頻域分析的頻域幅值譜來測定橋跨結(jié)構(gòu)固有模態(tài)頻率［7-8］。采用3輛DF機(jī)車聯(lián)掛之后沿橋梁線路以10，20，30，40，50 km/h的速度往返通過橋跨結(jié)構(gòu)，測定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的加速度響應(yīng)和動力系數(shù)。

4.2 動載試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 自振特性實(shí)測結(jié)果

通過實(shí)測脈動信號，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 行車試驗(yàn)動力響應(yīng)測試結(jié)果分析

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

表5 主橋振幅與動力系數(shù)

實(shí)測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需求。

實(shí)測該橋兩主墩(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加速度不應(yīng)超過1.4 m/s2的規(guī)定。

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

5 結(jié)論

1)在試驗(yàn)荷載作用下，各位移測點(diǎn)實(shí)測值均小于理論計算值，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)＜1.0;按實(shí)測值換算到中-活載時的撓跨比，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)時橋梁強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

3)在試驗(yàn)時主梁各控制截面相對殘余變形及殘余應(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)基頻和理論計算值對比可以看出，實(shí)測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)行車試驗(yàn)表明梁體試驗(yàn)截面的動應(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)車和DF機(jī)車+C62重車的編組形式進(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《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的荷載效率系數(shù)限值開展進(jìn)一步的研究。

目前《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的限值均是針對簡支梁，其他結(jié)構(gòu)形式鐵路橋梁運(yùn)營性能檢驗(yàn)相關(guān)參照文獻(xiàn)較少，建議開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:長安大學(xué)，2011．

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

張時超(1987—)，男，工程師，碩士。