彭 澤，唐懷平

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

既有鐵路橋梁，特別是國家重點(diǎn)廠礦企業(yè)的專用鐵路線路橋梁，經(jīng)過數(shù)十年運(yùn)營后，其結(jié)構(gòu)不可避免出現(xiàn)各種病害和損傷，需定期依據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[1](鐵運(yùn)函 [2004] 120號(hào))對(duì)其進(jìn)行全面檢測(cè)、試驗(yàn)和驗(yàn)算，確定橋梁實(shí)際技術(shù)狀況、承載能力和服役運(yùn)行性能，必要時(shí)需及時(shí)對(duì)橋梁進(jìn)行維修加固，確保橋梁結(jié)構(gòu)和專用貨車的運(yùn)行安全。

近年來，有關(guān)鐵路橋梁的檢測(cè)、試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算與防撞研究日益增多。鄭平偉等[2]對(duì)某雙線下承式連續(xù)鋼桁梁大橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，與規(guī)范值比較評(píng)價(jià)了橋梁現(xiàn)狀；王巍等[3]基于既有普速鐵路橋梁檢定工作實(shí)踐，對(duì)出現(xiàn)缺陷、損傷或加固改造后的橋梁提出了檢定建議。崔堃鵬、陳林、鐘偉等[4-6]進(jìn)行了不同縮比模型試驗(yàn)，對(duì)車橋碰撞的脈沖響應(yīng)波、極限位移、極限承載力、碰撞力峰值和應(yīng)變等展開了研究；龍佩恒[7]等采用ABAQUS車輛撞擊橋墩進(jìn)行了模擬，研究了撞擊點(diǎn)、柱腳和墩頂?shù)让舾袇^(qū)域力學(xué)性能變化，并對(duì)橋墩的加固方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)；夏浩、李強(qiáng)等[8-9]對(duì)車輛撞擊橋墩的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，并分別設(shè)計(jì)了一種新型橋墩防撞裝置。

文中針對(duì)國內(nèi)某廠礦區(qū)內(nèi)既有專用貨運(yùn)鐵路線的橋梁，由于專用貨運(yùn)線路運(yùn)行的特種車輛載重特別大(單節(jié)112 t)，且為高溫液態(tài)廢渣，渣罐車罐體橫向晃動(dòng)較大，因此對(duì)橋梁的承載力和運(yùn)行性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)定成為十分迫切和重要的工作。首先基于橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、荷載試驗(yàn)等方面內(nèi)容綜合評(píng)定橋梁實(shí)際技術(shù)狀況和在設(shè)計(jì)荷載作用下的承載能力；其次考慮廠礦對(duì)廢渣罐車擴(kuò)容增重的需要(由軸重28t增至軸重38t)，通過驗(yàn)算分析橋梁改造的可行性；最后考慮到該橋跨越公路交通網(wǎng)絡(luò)，對(duì)橋墩受車輛撞擊時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，必要時(shí)對(duì)橋墩采取必要的防撞防護(hù)措施。

1 橋梁模型

橋梁修建于1993年，上部結(jié)構(gòu)由6 m×24.7 m簡直雙線簡支T梁組成，單線每跨橫橋向由2片T梁組成，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用雙線T形橋臺(tái)，矩形橋墩。下行線為載重貨車運(yùn)輸線路，主要運(yùn)行廢渣罐車，每列貨車10節(jié)，每節(jié)總重1 120 kN(共4軸)，上行線為空載貨車運(yùn)輸線。橋梁橫斷面如圖1所示，立面如圖2所示，設(shè)計(jì)活載如圖3(T表示單位噸)。

圖1 橋梁橫斷面圖(單位：cm)

圖2 橋梁立面圖(單位：cm)

圖3 設(shè)計(jì)活載示意圖(單位：cm)

2 橋梁荷載試驗(yàn)

橋梁線形較平順，主梁混凝土強(qiáng)度推定值>60 MPa，主墩混凝土強(qiáng)度推定值>40 MPa，T梁結(jié)構(gòu)表面沒有可見裂縫，T梁腹板對(duì)應(yīng)封錨鋼板處存在銹脹開裂，梁體局部存在鈣化現(xiàn)象，橫隔板局部露筋銹蝕，支座鋼板均輕微銹蝕。根據(jù)《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》[10](TG/GW103-2010)評(píng)定結(jié)果為：支座劣化等級(jí)為C級(jí)，T梁劣化等級(jí)為B級(jí)，橫隔板劣化等級(jí)為B級(jí)其余構(gòu)件狀態(tài)均為良好。

橋梁荷載試驗(yàn)作為評(píng)定既有橋梁承載能力最為直接的方法，被廣泛應(yīng)用于新建、改建、擴(kuò)建橋梁的承載能力評(píng)定。靜載試驗(yàn)通過測(cè)試控制截面的應(yīng)力效應(yīng)和撓度變化，考核橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，評(píng)定其實(shí)際承載力能否滿足設(shè)計(jì)要求；動(dòng)載試驗(yàn)通過測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)，評(píng)定橋梁動(dòng)力特性是否滿足安全運(yùn)營的要求。

2.1 靜載試驗(yàn)內(nèi)容與測(cè)點(diǎn)布置

靜載試驗(yàn)將主要針對(duì)起控制作用的主梁跨中截面進(jìn)行加載考核，同時(shí)對(duì)加載后結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行測(cè)量。靜載試驗(yàn)列車編組依次為：GK1C型(軸重23t)+4×電渣車KZD(軸重25t)。GK1C型機(jī)車軸重、軸距如圖4所示。電渣車KZD貨車(重車)軸重、軸距圖5所示。

經(jīng)計(jì)算，橋梁控制截面試驗(yàn)彎矩為4824.7 kN·m，理論控制彎矩為5064.5 kN·m，荷載效率系數(shù)為0.95，滿足規(guī)范要求(0.8～1.0)。

圖4 GK1C型機(jī)車軸載示意圖(單位：cm)

圖5 KZD機(jī)車軸載示意圖(單位：cm)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查橋梁下行線為載重貨車運(yùn)輸線路，上行線為空載貨車運(yùn)輸線，本橋靜載試驗(yàn)選定第6跨下行線為檢定對(duì)象。靜載試驗(yàn)輪位為下行線第6跨跨中最大正彎矩加載，電渣車KZD加載輪位如圖6所示，主要測(cè)試下行線第6跨跨中主梁斷面應(yīng)力及跨中撓度。靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)共計(jì)18個(gè)，其中第6跨T梁跨中布置4個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)、12個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)；5#墩頂布置1個(gè)縱橋向位移測(cè)點(diǎn)及1個(gè)橫向位移測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

圖6 靜載試驗(yàn)輪位布置圖(單位：cm)

圖7 主梁應(yīng)力及撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)橋跨撓度實(shí)測(cè)值及與計(jì)算值的比較見表1。撓度測(cè)試結(jié)果表明下行線第6跨實(shí)測(cè)最大撓度為5.9mm，撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.60～0.66之間，橋跨撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)處于合理范圍，相對(duì)殘余撓度均小于20%，表明試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)的靜剛度滿足設(shè)計(jì)荷載的使用要求。

表1 撓度實(shí)測(cè)值及與計(jì)算值的比較

試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)控制截面的應(yīng)變實(shí)測(cè)值及與計(jì)算值的比較見表2。應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明，下行線第6跨控制截面的應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.57～0.85，處于合理范圍，實(shí)測(cè)殘余應(yīng)變均小于20%，表明試驗(yàn)跨的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)荷載的使用要求。

表2 試驗(yàn)截面混凝土表面應(yīng)變實(shí)測(cè)值

2.3 動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容與測(cè)點(diǎn)布置

動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容包括自振特性試驗(yàn)和動(dòng)力特性試驗(yàn)。同樣選擇第6跨為動(dòng)載試驗(yàn)對(duì)象，動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)共計(jì)10個(gè)，其中T梁跨中布置1個(gè)豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)、1個(gè)橫向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)；5#墩頂布置1個(gè)縱橋向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)及1個(gè)橫向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)；T梁跨中布置4個(gè)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。主要測(cè)試主梁跨中振動(dòng)加速度和位移、橋墩墩頂橫向振動(dòng)加速度和振幅、主梁控制截面的動(dòng)應(yīng)變并推算其沖擊系數(shù)。動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)包括跑車試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)，采用貨物列車并單線加載。貨物列車編組為：GK1C型+10×電渣車KZD(重車)，列車行駛速度為5 km/h 和10 km/h。

2.4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析2.4.1 自振特性測(cè)試結(jié)果與分析

試驗(yàn)跨實(shí)測(cè)自振頻率及阻尼比見表3。實(shí)測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)豎向一階彎曲振動(dòng)頻率f1=8.75 Hz，高于理論計(jì)算頻率，表明橋梁的動(dòng)力性能較好。根據(jù)頻譜分析得出結(jié)構(gòu)阻尼比為ζ=0.009 3，表明橋梁屬于小阻尼結(jié)構(gòu)，且阻尼比處于正常范圍。

表3 自振頻率實(shí)測(cè)值及阻尼比

2.4.2 動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果與分析

試驗(yàn)列車通過時(shí)，實(shí)測(cè)不同工況下主梁跨中橫向振幅及豎向振幅的最大值見表4。主梁跨中的橫向振幅最大值為0.341 mm，豎向振幅最大值為0.239 mm，均發(fā)生于10.0 km/h跨中位置剎車工況，均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[1]規(guī)定的通常值1.96 mm，且未發(fā)生橫向共振現(xiàn)象，滿足運(yùn)營條件。實(shí)測(cè)試驗(yàn)列車通過時(shí)墩頂橫向振幅最大值為0.83 mm，墩頂橫向振幅小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[1]規(guī)定的通常值1.18 mm。根據(jù)主梁跨中橫向及豎向振動(dòng)加速度典型時(shí)域波形，得出各工況下橫向及豎向振動(dòng)加速度峰值匯總見表4。

在載重貨車組作用下，下行第6跨主梁跨中荷載平面橫向振動(dòng)加速度介于1.062～1.386m/s2之間，滿足橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)限值1.4 m/s2的要求；主梁跨中最大豎向加速度介于0.770～0.915 m/s2之間，滿足《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[11]限值3.5 m/s2的要求。試驗(yàn)列車作用下，實(shí)測(cè)橋梁活動(dòng)支座的橫向動(dòng)位移最大值為0.084 mm，滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[1]規(guī)定的2 mm限值要求。根據(jù)無障礙行車和行車制動(dòng)沖擊下的測(cè)試截面的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線，由不同車速下主梁試驗(yàn)截面動(dòng)應(yīng)變推算的沖擊系數(shù)見表5。跨中截面無障礙行車沖擊系數(shù)介于1.01～1.03之間，行車制動(dòng)沖擊系數(shù)介于1.06～1.11之間，均在正常范圍內(nèi)。

表5 跨中截面沖擊系數(shù)

3 擴(kuò)容增重后橋梁承載能力檢算

擴(kuò)容增重后電渣車軸重由設(shè)計(jì)軸重28 t增加到38 t，對(duì)于簡支預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，檢算控制條件在構(gòu)件受拉區(qū)不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。檢算主要內(nèi)容包括：①按破壞階段檢算構(gòu)件承載力，計(jì)算安全系數(shù)；②不容許出現(xiàn)拉應(yīng)力構(gòu)件檢算使用階段抗裂性安全性。

3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎強(qiáng)度檢算結(jié)果

主梁抗彎強(qiáng)度按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[1]第6.3.3～6.3.7條、《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12](TB 10092-2017)第7.2.2、7.2.3條、第7.2.4條、附錄C公式及原設(shè)計(jì)控制條件進(jìn)行檢算。強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)滿足K≥2。

圖8 主梁正截面抗彎強(qiáng)度

圖9 主梁斜截面抗剪強(qiáng)度

軸重增加后主梁跨中抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)為1.74<[K]=2，軸重增加后主梁靠近支點(diǎn)腹板變厚處抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)為1.57<[K]=2，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力混凝土T梁抗彎強(qiáng)度不滿足要求。

3.2 使用階段主梁抗裂性檢算結(jié)果

使用階段主梁正截面抗裂檢算按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[1]第6.3.11條、《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]條第7.3.9-1條、第7.3.11條及原設(shè)計(jì)控制條件進(jìn)行檢算。抗裂安全系數(shù)應(yīng)滿足K≥1.2，不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力構(gòu)件受拉區(qū)拉應(yīng)力應(yīng)滿足σct≤0。軸重增加后主梁正截面抗裂檢算結(jié)果如圖10。

圖10 主梁正截面抗裂檢算結(jié)果

軸重增加后主梁跨中梁底出現(xiàn)拉應(yīng)力σct>0，正截面抗裂安全系數(shù)為1.1<[K]=1.2，不滿足要求。

不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力構(gòu)件使用階段混凝土主拉應(yīng)力應(yīng)滿足σtp≤fct=3.08 MPa，主壓應(yīng)力應(yīng)滿足σcp≤ 0.6fc=21.9 MPa。主梁斜截面抗裂檢算結(jié)果如圖11和圖12。

圖11 主梁斜截面抗裂主拉應(yīng)力檢算結(jié)果

圖12 主梁斜截面抗裂主壓應(yīng)力檢算結(jié)果

軸重增加后主梁近支點(diǎn)處及跨中梁底處主拉應(yīng)力σtp>fct=3.08 MPa，斜截面抗裂不滿足要求。

4 車輛撞擊橋墩響應(yīng)分析

該橋跨線既有公路運(yùn)輸線路，橋墩未設(shè)置有效防護(hù)措施。如果發(fā)生汽車撞擊橋墩，加劇橋梁橫向振動(dòng)，從而導(dǎo)致廢渣罐車的高溫液態(tài)廢渣四溢飛濺，危及沿線環(huán)境和生命財(cái)產(chǎn)?；诖?，文中對(duì)該橋橋墩遭受公路運(yùn)行車輛意外撞擊問題進(jìn)行初步探討。簡化計(jì)算分析碰撞模型中，初步設(shè)定碰撞力為1 000 kN，即撞擊力為100 t，用以模擬常規(guī)運(yùn)行車輛對(duì)該橋可能發(fā)生的撞擊作用，碰撞接觸時(shí)間設(shè)定為0.04～0.40 s，用以反映不同碰撞剛度類型的接觸時(shí)間，碰撞力用半正弦波函數(shù)近似模擬。

依據(jù)標(biāo)高資料，設(shè)置碰撞位置為距離底承臺(tái)10m高的位置，依據(jù)公路線路方向，碰撞方向設(shè)定為橫橋向。選擇3#橋墩和4#橋墩間的橋跨模型作為分析對(duì)象，采用橋梁專用有限元計(jì)算軟件MIDAS-Civil進(jìn)行建模計(jì)算，碰撞力作用于3#橋墩，橋梁有限元模型及碰撞力設(shè)定模型如圖13所示。

圖13 橋梁碰撞模型

考慮橋梁的運(yùn)行安全性，本節(jié)重點(diǎn)分析不同碰撞力持時(shí)作用下，上部承重主梁跨中位置的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。不同碰撞持時(shí)下，主梁跨中位置橫橋向位移、速度及加速度時(shí)程響應(yīng)如圖14～16所示。計(jì)算持時(shí)為20 s，為了清晰地反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，時(shí)程圖僅截取0～5 s時(shí)段。為清晰顯示碰撞持時(shí)與主梁跨中響應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)性，不同碰撞持時(shí)與主梁跨中響應(yīng)峰值之間的關(guān)系曲線如圖17～19所示。

圖14 不同持時(shí)碰撞力作用下主梁跨中位移響應(yīng)

圖15 不同持時(shí)碰撞力作用下主梁跨中速度響應(yīng)

圖16 不同持時(shí)碰撞力作用下主梁跨中加速度響應(yīng)

由圖14～16的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程圖及圖17～19的動(dòng)力響應(yīng)峰值圖可推斷，除持時(shí)為0.28 s以外，不同持時(shí)對(duì)主梁跨中位移、速度及加速度響應(yīng)的影響有一定的趨勢(shì)性。碰撞持時(shí)對(duì)跨中峰值位移響應(yīng)的影響較為平緩，呈現(xiàn)短持時(shí)及長持時(shí)，峰值響應(yīng)相對(duì)較小，0.12～0.16 s持時(shí)對(duì)應(yīng)位移響應(yīng)峰值較大；碰撞持時(shí)對(duì)跨中峰值速度響應(yīng)的影響整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其速度響應(yīng)峰值的最大值出現(xiàn)在0.12 s，短持時(shí)及長持時(shí)，速度響應(yīng)峰值相對(duì)較?。慌鲎渤謺r(shí)對(duì)跨中峰值加速度響應(yīng)的影響同樣呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)，一般地，碰撞持時(shí)越短，主梁跨中水平向加速度峰值響應(yīng)越大。

圖17 不同持時(shí)碰撞力作用下主梁跨中速度響應(yīng)峰值

圖18 不同持時(shí)碰撞力作用下主梁跨中位移響應(yīng)峰值

圖19 不同持時(shí)碰撞力作用下主梁跨中加速度響應(yīng)峰值

圖17～19中，持時(shí)0.28 s碰撞力作用下主梁跨中位移、速度及加速度響應(yīng)峰值均相對(duì)突出。分析橋梁整體模態(tài)發(fā)現(xiàn)，整橋橫橋向側(cè)彎模態(tài)頻率為3.525 Hz，換算成固有周期為0.284 s。對(duì)于持時(shí)為0.28 s的碰撞力而言，其持時(shí)特性與結(jié)構(gòu)整體側(cè)彎模態(tài)的固有周期接近，對(duì)應(yīng)時(shí)程響應(yīng)接近于共振狀態(tài)，因而，0.28 s持時(shí)碰撞力作用下，結(jié)構(gòu)位移、速度及加速度響應(yīng)值均相對(duì)較為突兀。

5 結(jié) 論

基于橋梁靜、動(dòng)載試驗(yàn)，評(píng)定了該貨運(yùn)鐵路橋梁在既定荷載作用下的承載能力，基于橋梁有限元分析軟件MIDAS-Civil建模及計(jì)算，分析了不同碰撞力持時(shí)作用下主梁跨中位置的動(dòng)力響應(yīng)，得出以下結(jié)論。

(1) 貨運(yùn)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)活載(軸重28T渣車)的使用要求，橋梁動(dòng)力性能較好，運(yùn)營性能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(2) 軸重增加后(軸重38T渣車)檢算橋跨主梁在主力、主力+附加力組合作用下，破壞階段構(gòu)件承載力安全系數(shù)、正截面抗裂及斜截面抗裂均不滿足要求。因此在擴(kuò)容增重前需對(duì)橋梁進(jìn)行改造。

(3) 車輛撞擊橋墩對(duì)橋梁橫向振動(dòng)有較大影響。碰撞持時(shí)越短，主梁跨中水平向加速度峰值響應(yīng)越大。橋梁橫橋向側(cè)彎模態(tài)頻率為3.525Hz，換算固有周期為0.284s。當(dāng)碰撞持時(shí)為0.28s時(shí)，與結(jié)構(gòu)整體側(cè)彎模態(tài)固有周期接近，對(duì)應(yīng)時(shí)程響應(yīng)接近于共振狀態(tài)，致使結(jié)構(gòu)的位移、速度及加速度響應(yīng)值均相對(duì)較為突出。

(4) 結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)有病害、劣化等級(jí)評(píng)定結(jié)果，需進(jìn)行全面的病害整治。