柳墩利

(國家鐵路局工程質(zhì)量監(jiān)督中心，北京 100891)

客運(yùn)高速和貨運(yùn)重載是我國鐵路發(fā)展的主要方向。提高貨車車輛軸重、增加車輛編組是發(fā)展重載運(yùn)輸?shù)闹饕Ｊ?。軸重和運(yùn)量的增加會(huì)對(duì)既有鐵路橋梁的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致病害增加，疲勞加劇，使用壽命縮短，需采取相應(yīng)的對(duì)策?？缍?4 m下承式簡支鋼桁梁是我國既有鐵路橋梁中的一種結(jié)構(gòu)形式，在單線橋和雙線橋上都使用過。對(duì)于跨度相同的單雙線鋼桁梁橋，相同荷載作用下的靜動(dòng)力性能指標(biāo)表現(xiàn)會(huì)有所不同。

有關(guān)重載運(yùn)輸對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)的影響以及大跨度鋼桁梁橋性能試驗(yàn)問題，研究成果較多。文獻(xiàn)[1]針對(duì)朔黃鐵路常見橋涵結(jié)構(gòu)，完成了30 t軸重下的橋涵試驗(yàn)檢測分析、強(qiáng)化改造和加固技術(shù)研究；文獻(xiàn)[2]以跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁為對(duì)象，通過模型試驗(yàn)研究了在大軸重重載運(yùn)輸條件下鐵路橋梁的疲勞性能；文獻(xiàn)[3]針對(duì)朔黃鐵路3種不同類型鋼桁梁橋，完成了重載條件下的力學(xué)行為分析和試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[4]在重載列車過橋時(shí)簡支橋梁的垂向動(dòng)力方面進(jìn)行了深入研究；文獻(xiàn)[5-6]針對(duì)重載條件下的鋼桁梁橋，開展了相關(guān)動(dòng)力分析、疲勞分析和現(xiàn)場試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[7-11]針對(duì)高鐵和普通鐵路中存在的單線或雙線鋼桁梁橋，開展了相關(guān)理論分析和現(xiàn)場荷載試驗(yàn)研究，并完成了相應(yīng)的橋梁技術(shù)狀況評(píng)定。既有研究成果主要集中在重載對(duì)中小跨度混凝土橋的影響和普通荷載下的鋼桁梁橋動(dòng)力響應(yīng)分析方面，而有關(guān)重載運(yùn)輸對(duì)大跨度鋼桁梁橋的靜動(dòng)力性能試驗(yàn)研究較少或不夠深入。

本文以某重載鐵路2座跨度64 m單雙線簡支鋼桁梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在完成重載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響的靜力分析基礎(chǔ)上，開展現(xiàn)場靜動(dòng)力性能試驗(yàn)，對(duì)比分析單雙線鋼桁梁橋的受力特點(diǎn)，為鋼桁梁橋在重載條件下的改造加固提供依據(jù)。

1 工程概況

雙線橋跨越京港澳高速公路，單線橋跨越京杭大運(yùn)河，且上下行分開布置。單雙線鋼桁梁橋橋面系均為縱橫梁結(jié)構(gòu)，橋梁全長65.24 m，計(jì)算跨度64 m，主桁高均為11.0 m。單雙線橋主桁中心距分別為6.204 m和9.732 m，上下弦桿均采用H形截面，相同位置處單線橋桿件截面尺寸約為雙線橋的70%。單雙線橋均采用滾軸支座，圓端形板式橋墩，單雙線橋墩尺寸分別為7.4 m×3.0 m和11.0 m×2.0 m，高度分別為13.95 m和9.33 m，采用承臺(tái)鉆孔樁基礎(chǔ)，樁長33 m，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)12根樁基，直徑1.0 m，設(shè)計(jì)荷載為中活載。

目前重載鐵路上主要運(yùn)行C64(21 t軸重)、C70(23 t軸重)、C80(25 t軸重)敞車，少量開行KM98(30 t軸重)漏斗車，牽引質(zhì)量采用5 000，1萬，2萬t等多種編組形式，以韶山號(hào)機(jī)車和和諧號(hào)機(jī)車為主。日通行列車超過100趟，年運(yùn)量超過2億t，2016年計(jì)劃運(yùn)量2.8億t。由于單雙線鋼桁梁橋跨度、結(jié)構(gòu)形式、桿件類型、橋門架形式均相同，主桁高度也一致，因此雙線橋具有更大的橋?qū)?、更大的弦桿和縱橫梁尺寸，相應(yīng)地就有更大的自重、橫向和豎向剛度。相比之下單線鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)桿件尺寸較小，對(duì)應(yīng)橋梁自重較輕。

2 靜力性能分析

在靜力性能分析之前，需要準(zhǔn)確了解車輛荷載的基本參數(shù)，表1中列出了目前正在運(yùn)營的車輛類型及其主要參數(shù)。

表1 車輛類型及主要參數(shù)

車輛類型從C64K到KM98，軸重從21 t增加到30 t，單軸重增加約40%，對(duì)于跨度64 m簡支鋼桁梁而言，列車每米載重大小是影響橋梁整體受力的主要因素。對(duì)比運(yùn)營荷載和設(shè)計(jì)荷載可知，C64和C70敞車每米載重遠(yuǎn)小于中活載標(biāo)準(zhǔn)，而C80敞車和KM98漏斗車每米載重則已經(jīng)超過中活載標(biāo)準(zhǔn)，從靜力學(xué)角度研究重載條件下鋼桁梁橋的適用性，可以從活載儲(chǔ)備量方面進(jìn)行計(jì)算分析。

活載儲(chǔ)備量是考慮現(xiàn)有運(yùn)行荷載效應(yīng)和設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的參數(shù)，活載儲(chǔ)備量＝1-運(yùn)營荷載彎矩(剪力)效應(yīng)/設(shè)計(jì)荷載彎矩(剪力)效應(yīng)，計(jì)算時(shí)采用MIDAS/Civil建模，結(jié)構(gòu)尺寸按照設(shè)計(jì)圖紙確定。模型中桁架采用桿單元，縱橫梁采用梁單元，節(jié)點(diǎn)按照剛節(jié)點(diǎn)考慮?；钶d儲(chǔ)備量計(jì)算結(jié)果見表2，計(jì)算時(shí)僅考慮車廂作用，未考慮機(jī)車對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，考慮動(dòng)力系數(shù)的影響。

表2 活載儲(chǔ)備量計(jì)算結(jié)果 %

由表2可知，隨著列車軸重提高，鋼桁梁各主要構(gòu)件的活載儲(chǔ)備量降低。KM98列車作用下，跨中彎矩和桿件應(yīng)力活載儲(chǔ)備量均在10%以下，活載儲(chǔ)備量較小，與文獻(xiàn)[1]的結(jié)果比較接近。比較鋼桁梁結(jié)構(gòu)不同部位主要受力桿件，相同荷載作用下斜桿的活載儲(chǔ)備量最小，它是重載運(yùn)輸?shù)淖畋∪醐h(huán)節(jié)。因此，當(dāng)鐵路干線提高列車荷載等級(jí)時(shí)，應(yīng)以鋼桁梁結(jié)構(gòu)的斜桿應(yīng)力為主要控制因素。

3 靜載對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，依據(jù)受力和變形最大原則確定測點(diǎn)位置。因單雙線橋結(jié)構(gòu)形式基本相同，在2種橋梁結(jié)構(gòu)的相同位置布置測點(diǎn)(見圖1)，以便對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。全橋共布置應(yīng)變測點(diǎn)64個(gè)，撓度測點(diǎn)6個(gè)。應(yīng)變測點(diǎn)共布置16個(gè)截面，每個(gè)截面4個(gè)測點(diǎn)。橋梁北側(cè)布置圖1中帶標(biāo)記所有測點(diǎn)，南側(cè)布置 4＃，5＃，11＃，12＃，15＃截面測點(diǎn)。 撓度測點(diǎn)布置在橋梁南北兩側(cè)1/4跨、1/2跨、3/4跨處，同時(shí)布置支座沉降測點(diǎn)。

圖1 靜載試驗(yàn)測點(diǎn)布置

列車按照萬噸擴(kuò)能要求進(jìn)行編組，具體方式為:2×SS4B+7×C70滿載重車+7×C70空車+2×SS4B，按照影響線確定最不利加載位置，靜載試驗(yàn)時(shí)共分為5級(jí)進(jìn)行加載(見圖2)，單雙線鋼桁梁橋加載方式均相同，其荷載效率系數(shù)分別為0.66和0.70，二者比較接近。

圖2 加載位置示意(23 t軸重)

表3為試驗(yàn)荷載和設(shè)計(jì)荷載作用下桿件最大應(yīng)力及撓度，計(jì)算時(shí)考慮了動(dòng)力系數(shù)的影響。表4為單雙線鋼桁梁橋靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，撓度數(shù)值已經(jīng)扣除了支座沉降，僅列出應(yīng)力較大的6根桿件(11＃和12＃為南側(cè)桿件，其余為北側(cè)桿件)實(shí)測結(jié)果。

表3 試驗(yàn)荷載和設(shè)計(jì)荷載作用下桿件最大應(yīng)力及撓度

表4 單雙線鋼桁梁橋靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表4可知:在試驗(yàn)荷載作用下，單雙線鋼桁梁橋桿件應(yīng)力和撓度實(shí)測數(shù)據(jù)均小于理論計(jì)算值，單線橋上弦桿和斜桿應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)基本滿足鐵運(yùn)函[2004]120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》通常值要求，但下弦桿應(yīng)力和撓度校驗(yàn)系數(shù)均不滿足要求，且超限較多；雙線橋的應(yīng)力及撓度校驗(yàn)系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

會(huì)上，以“殺菌劑”“除草劑”“殺蟲劑”和“作物健康”四大產(chǎn)品系列為主線，產(chǎn)品線經(jīng)理分別向來賓展示了公司的主打產(chǎn)品以及即將上市的新產(chǎn)品。

單線橋上下弦桿及斜桿應(yīng)力以及撓度校驗(yàn)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙線橋，主要是由于荷載大小相同，而單線橋桿件較小，鋼桁梁豎向和橫向剛度均低于雙線橋。實(shí)測單雙線橋撓跨比(換算至中活載)分別為1/1 757和1/1 364，均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中小于1/1 250的要求。

大軸重列車開行，導(dǎo)致單雙線鋼桁梁橋的活載儲(chǔ)備量降低，會(huì)進(jìn)一步加劇鋼結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和破壞，需要引起足夠重視。

4 動(dòng)力性能對(duì)比試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

開展動(dòng)載對(duì)比試驗(yàn)，是為了了解單雙線鋼桁梁橋在不同編組重載列車作用下的振動(dòng)規(guī)律和動(dòng)力性能，為改造加固提供技術(shù)依據(jù)。動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，以正常運(yùn)營列車作為激振荷載，測試單雙線鋼桁梁橋的自振特性和強(qiáng)振特性，測試內(nèi)容包括跨中橫向振幅、橫向加速度、豎向振幅、豎向加速度、跨中動(dòng)撓度、動(dòng)力系數(shù)、墩頂橫向振幅、橋跨及橋墩自振頻率等參數(shù)。

考慮通過橋梁時(shí)的試驗(yàn)列車類型基本相同，分別在2013年10月21—25日和2013年11月22—25日先后完成了單線橋和雙線橋運(yùn)營性能測試，試驗(yàn)期間通過雙線橋和單線橋的運(yùn)營車輛類型基本一致，主要包括C64，C70，C803種類型，未采集到KM98列車通過的數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)場實(shí)測運(yùn)營車輛速度在40～76 km/h，其中單線橋車輛通過速度為60～76 km/h，雙線橋車輛通過速度為40～60 km/h，因鄰近鋼桁梁橋附近簡支T梁振動(dòng)過大，整座雙線橋處于70 km/h限速狀態(tài)。表5為上行滿載重車過橋時(shí)單雙線鋼桁梁橋主要運(yùn)營性能指標(biāo)對(duì)比，表6為下行空車過橋時(shí)單雙線鋼桁梁橋主要運(yùn)營性能指標(biāo)對(duì)比，分析如下。

表5 單雙線鋼桁梁橋主要運(yùn)營性能指標(biāo)對(duì)比(上行重車)

表6 單雙線鋼桁梁橋主要運(yùn)營性能指標(biāo)對(duì)比(下行空車)

1)整體分析。在輕重運(yùn)營列車作用下，單雙線鋼桁梁橋跨中橫向振幅、豎向振幅以及墩頂橫向振幅等參數(shù)均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》要求，但單線橋的跨中橫向加速度略微偏大，不滿足規(guī)范要求，雙線橋跨中橫向加速度也比較接近規(guī)范值。

2)單雙線橋數(shù)據(jù)對(duì)比。上行重車作用下單線橋跨中橫豎向振幅以及橫豎向加速度均遠(yuǎn)大于雙線橋，實(shí)測單線橋4項(xiàng)參數(shù)的平均值和最大值約為雙線橋的2倍及以上；單線橋跨中動(dòng)撓度大于雙線橋，約為雙線橋動(dòng)撓度的1.15倍；單線橋墩頂橫向振幅也大于雙線橋，但數(shù)值都很小。下行空車作用下單線橋跨中橫豎向振幅以及橫豎向加速度均大于雙線橋，約為1.5倍左右；單線橋跨中動(dòng)撓度與雙線橋比較接近，最大值均出現(xiàn)在機(jī)車位置處。單線橋墩頂橫向振幅也略大于雙線橋，數(shù)值都非常小。車輛類型對(duì)橋梁振動(dòng)特性影響不明顯，重載列車引起單線橋較大振動(dòng)。

3)輕重車作用對(duì)比。上行重車作用下單線橋跨中橫豎向振幅及動(dòng)撓度均遠(yuǎn)大于下行空車作用下的數(shù)值，而重車和輕車作用下的橫豎向加速度則比較接近，墩頂橫向振幅都很?。粚?duì)于雙線橋而言，C64，C70重車及輕車作用下的跨中橫豎向振幅比較接近，而上行C80重車下的跨中橫豎向振幅遠(yuǎn)大于下行C80空車作用下的數(shù)據(jù)；下行空車作用下雙線橋橫豎向加速度遠(yuǎn)大于上行重車作用下的數(shù)據(jù)，而重車作用下跨中動(dòng)撓度大于空車數(shù)據(jù)。重車對(duì)單雙線橋的影響更大。

4.3 振幅

實(shí)測正常運(yùn)營列車通過試驗(yàn)橋梁時(shí)跨中振幅與車速的關(guān)系分別見圖3、圖4。

圖3 跨中橫向振幅與車速的關(guān)系

圖4 跨中豎向振幅與車速的關(guān)系

從整體趨勢上分析，實(shí)測單線橋跨中橫豎向振幅遠(yuǎn)大于雙線橋，且單雙線橋跨中橫向振幅和豎向振幅均有隨著速度提高而增大的趨勢，不同類型車型引起的橫豎向振幅比較接近。對(duì)單雙線橋振動(dòng)時(shí)程曲線進(jìn)行頻譜分析，實(shí)測單雙線橋橫向強(qiáng)振頻率分別在1.31～1.81 Hz和 1.12～2.36 Hz，與橫向自振頻率1.87 Hz和2.24 Hz(采用脈動(dòng)、余振和敲擊3種方法測試并校核)相差較小，單線橋更容易發(fā)生共振現(xiàn)象，需要重點(diǎn)觀測。

實(shí)測墩頂橫向振幅都很小，上行重車作用下橋墩振幅略大于下行輕車通過時(shí)數(shù)值，單線橋略大于雙線橋。列車軸重的提高會(huì)引起橫向沖擊加大，造成重車作用下墩頂振幅有所增加，而雙線橋墩高度低和橫向?qū)挾却蟮慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)也使得其墩頂振幅偏小。

4.4 動(dòng)撓度及撓跨比

實(shí)測正常運(yùn)營列車通過試驗(yàn)橋梁時(shí)跨中動(dòng)撓度與速度關(guān)系見圖5。

圖5 跨中動(dòng)撓度與車速的關(guān)系

由表5、表6和圖5可知:上下行列車作用下單線橋跨中動(dòng)撓度大于雙線橋，撓度數(shù)值與速度關(guān)系不明顯，但與車輛類型及載重密切相關(guān)，滿載C80作用下動(dòng)撓度最大；上行重車通過時(shí)，單雙線跨中動(dòng)撓度最大值基本上出現(xiàn)在車廂位置，而下行空車通過時(shí)，動(dòng)撓度最大值基本上發(fā)生在機(jī)車位置處。

圖6為上行重車和輕、重車在橋上會(huì)車時(shí)雙線橋跨中動(dòng)撓度與車速的關(guān)系。圖7為上行重車通過時(shí)雙線橋跨中兩側(cè)動(dòng)撓度與車速的關(guān)系。

圖6 雙線橋跨中動(dòng)撓度與車速的關(guān)系

現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橋上會(huì)車時(shí)跨中動(dòng)撓度比較大，最大值達(dá)到41.01 mm，遠(yuǎn)大于上行重車通過時(shí)的最大值34.16 mm；實(shí)測橋上會(huì)車時(shí)跨中動(dòng)撓度最大值(上下行均為C80貨車)的平均值為36.80 mm，也大于僅上行重車通過時(shí)橋梁跨中動(dòng)撓度最大值的平均值(C80貨車)31.61 mm。上行重車通過導(dǎo)致南北兩側(cè)動(dòng)撓度相差較大，其中北側(cè)和南側(cè)動(dòng)撓度最大相差13.95 mm。

圖7 上行重車通過時(shí)雙線橋跨中兩側(cè)動(dòng)撓度與車速的關(guān)系

4.5 動(dòng)應(yīng)力及動(dòng)力系數(shù)

實(shí)測列車作用下單線鋼桁梁橋桿件動(dòng)應(yīng)力最大值為71.95 MPa，發(fā)生在橋門架斜桿(15＃桿)處，由C80滿載重車引起；同樣類型列車作用下，單線橋桿件應(yīng)力略大于雙線橋相同位置處桿件；橋上會(huì)車時(shí)雙線鋼桁梁橋桿件應(yīng)力最大，實(shí)測橋門架斜桿(15＃桿)動(dòng)應(yīng)力最大值達(dá)到79.2 MPa。

實(shí)測單雙線橋動(dòng)撓度動(dòng)力系數(shù)和動(dòng)應(yīng)力動(dòng)力系數(shù)都很小，基本上都在1.05以下，且相同類型荷載作用下單雙線橋動(dòng)力系數(shù)基本相等，而單雙線橋的動(dòng)力系數(shù)與車速關(guān)系不明顯；同一列車作用下動(dòng)應(yīng)力動(dòng)力系數(shù)略大于動(dòng)撓度動(dòng)力系數(shù)。

5 結(jié)論

1)靜力分析和靜動(dòng)載對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，重載運(yùn)輸快速發(fā)展降低了鋼桁梁橋的活載儲(chǔ)備，大軸重列車作用下活載儲(chǔ)備量在10%以下。在目前運(yùn)營列車荷載作用下，兩座跨度64 m單雙線鋼桁梁橋的強(qiáng)度、剛度和主要運(yùn)營性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但單雙線橋的豎向剛度和橫向剛度都偏小，尤其是單線橋橫向剛度偏小。從安全運(yùn)營和長遠(yuǎn)規(guī)劃角度出發(fā)，可以考慮對(duì)其進(jìn)行加固改造，以適應(yīng)重載運(yùn)輸要求。

2)列車荷載作用下，單線鋼桁梁橋的靜動(dòng)力性能指標(biāo)均弱于雙線橋。尤其是荷載作用下的桿件應(yīng)力和撓度校驗(yàn)系數(shù)、橋梁橫豎向振動(dòng)幅值、動(dòng)撓度等靜動(dòng)力參數(shù)，單線橋數(shù)值均遠(yuǎn)大于雙線橋，單線橋安全儲(chǔ)備小；荷載沖擊引起桿件局部沖擊加大，單雙線橋?qū)崪y自振頻率分別為1.87，2.24 Hz，與實(shí)測兩座橋梁的強(qiáng)振頻率 1.31～1.81 Hz，1.12～2.36 Hz比較接近，容易發(fā)生共振現(xiàn)象，需要重點(diǎn)觀測。

3)大軸重、大運(yùn)量的重載運(yùn)輸快速發(fā)展對(duì)鋼桁梁橋的靜動(dòng)力性能帶來很多不利影響，引起桿件應(yīng)力增加、撓度增大、振動(dòng)加劇，既有鋼桁梁已不能適應(yīng)重載運(yùn)輸?shù)囊?，因此，針?duì)不同的結(jié)構(gòu)類型和部件，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化改造迫在眉睫。