洛湛鐵路石良角潯江特大橋主橋(64+2×104+64)m單線鐵路連續梁荷載試驗與結構評定

盛興旺,李金光

(中南大學土木建筑學院,長沙 410075)

1 工程概述

洛湛鐵路系Ⅰ級干線單線鐵路,設計時速為 140 km。潯江特大橋位于廣西梧州,跨越潯江,主橋為(64+2×104+64)m 4跨預應力混凝土連續箱梁橋,全長337.3m。單箱單室結構,縱、橫、豎三向預應力體系。跨中梁高 4.5m、支點梁高 7.6m、箱梁頂全寬 7.0m、箱梁底寬 5.0m、全橋頂板厚 42 cm,邊跨端塊處頂板厚由 42 cm漸變至 80 cm,底板厚 40～90 cm,腹板厚40～70 cm。17號、21號兩邊墩采用圓端形實體墩,18號、19號、20號墩采用圓端形空心墩。該連續梁采用輕型掛籃分段懸臂澆筑施工。

2 靜載試驗

靜載試驗是使試驗荷載在指定位置對橋梁進行加載,測試橋面撓度、梁體控制截面應變的增量,確定橋梁結構的實際工作狀態與設計期望值是否相符,并判定結構的施工質量、運營安全度。它是檢驗橋梁結構強度、剛度等的最直接、有效的方法[1～3]。

2.1 測點布置

位移測點:選取了 11個控制截面,每個截面在橋面左右對稱設置 2個測點,共計 22個位移測點,如圖1所示。

應變測點:選取 5個控制截面,分別為圖1中的3、7、9、13、15號截面。每個截面在頂 、底板布置縱向應變測點;3、9、15號截面在頂板底中部布置橫向測點;7、15號截面在腹板中性軸位置布置應變花。

2.2 試驗荷載及工況

試驗荷載采用等效荷載法確定。結合該橋實際情況,選擇了 5種最不利荷載工況進行靜載試驗,靜載試驗工況如表1所示。為了確定各種工況的最不利等效荷載,采用橋梁計算軟件 MIDAS計算在設計荷載作用下的各控制截面的最大設計彎矩,按影響線采用等效加載方式確定實際加載車輛數及其縱向布置。測試工況見表1。

表1 試驗工況列車編組及荷載效率

2.3 靜載試驗結果分析

校驗系數是反映靜載試驗結果數據有效性以及結構受力合理性的一個重要參數,它是某一測點的實測值與相應的理論計算值的比值,實測值可以是撓度、位移、應力或力的大小。結構在試驗荷載作用下產生效應(應力、撓度)的理論值是按照實際結構尺寸建立MIDAS空間三維有限元模型計算得到的。

2.3.1 應變分析(表2、圖2、圖3)

(1)箱梁截面縱向及橫向應變分析

各試驗工況荷載作用下各測試截面實測應變結果列于表2,試驗結果表明:

①實測縱向、橫向應變值均小于理論值,校驗系數主要分布在 0.6～0.7,均較預應力混凝土梁的通常值0.6～0.9[4]為低。其差值分析認為主要來源于結構剛度(實際的大)和彈性模量(實際的彈性模量高于理論值)的影響;

②箱梁在試驗荷載下縱向應變沿豎向截面變化情況符合平截面變形規律。

表2 各工況縱向及橫向應變測試結果

(2)箱梁支點截面主應變分析

實測 7、13號截面腹板最大主拉應變為 27.1με,最大主壓應變為 24.3με,小于理論計算值,更遠小于材料容許值。

2.3.2 撓度測試結果處理(表3、圖4、圖5)

由表3和圖4、圖5可知:

(1)實測撓度曲線和理論計算撓度曲線形狀和規律吻合,校驗系數為 0.70～0.80,符合《鐵路橋梁檢定規范》[4]的要求,也表明實際結構剛度大于理論剛度;

(2)按實測值換算到中-活載時的撓跨比,中跨跨中最大撓跨比為 1/2 726,邊跨跨中最大撓跨比為 1/6 720,滿足《鐵路橋梁檢定規范》[4]第 10.0.3條的要求。

表3 各工況撓度測試結果

3 動載試驗

結構的動力分析主要研究結構在動荷載(如行駛車輛、風、地震荷載)作用下的力學行為,其內容主要包括確定結構的自振特性以及動力激勵源作用下結構的響應。通過檢測橋梁的自由振動特性及在豎向動荷載(車輛移動與沖擊)作用下的強迫振動反應,判斷橋梁結構的整體剛度和行車性能,從而評價橋梁的動力性態。

3.1 測點布置及測試設備

3.1.1 振動測試

振動測點的布置選在各跨跨中及支點位置,剎車試驗時把 19號～20號墩跨中橫向傳感器變為順橋向。具體布置如圖6所示。

圖6 動力測點布置

振動測試時,加速度或位移振動信號由 941B型拾振器拾取,經相應的放大器放大后,進入 INV306振動分析儀的數采裝置進行采集并記錄,并可實時在筆記本電腦上觀察采集的時程曲線。

3.1.2 動力系數測試

動力系數采用測動應變的方法測試。動應變測試需布置電阻應變測點,電阻應變計布置在 17號～18號墩、18號墩～19號墩跨跨中截面箱梁頂板底面,2個測點。采用半橋溫度補償技術進行測試,動應變的數據采集采用 DH5937動態測試系統進行。

3.2 行車動力響應測試及結果分析

試驗列車以 40、60、80 km/h速度駛過大橋,測量橋梁各主要特征部位的動力響應,如橋跨結構動位移響應及加速度響應、動力系數等。每個車速跑車 3～4次。

實測該橋主梁邊、中跨最大豎向振幅分別為 0.85 mm和 1.04mm,該橋豎向振幅較小,豎向剛度能滿足行車要求。

實測該橋主梁邊、中跨最大橫向振幅分別為 0.81 mm和 1.06mm,該橋橫向振幅較小,橫向剛度能滿足行車要求。

實測該橋邊、中跨跨中最大橫向加速度分別為0.13m/s2和 0.24m/s2,該值均小于《鐵路橋梁檢定規范》[4]規定的當列車通過時,橋跨結構在荷載平面的橫向振動加速度不應超過 1.4m/s2的限值。

實測該橋兩中墩(18號、19號墩)墩頂橫向最大振幅別為 0.76mm和 0.93mm,小于《鐵路橋梁檢定規范》規定的鐵路橋梁墩頂橫向振幅通常值 1.68mm((Amax)5%=H/25+0.4=1.68mm);固定墩 (19號墩)順橋向最大振幅為 0.58mm。

實測邊跨最大應力動力系數為 1.062,中跨最大應力動力系數為 1.057;《鐵路橋涵設計基本規范》[5]規定,橋梁動力系數 1+μ=1+12/(30+L),按上式計算,邊跨動力系數 1.128,中跨動力系數 1.083,實測值均明顯小于規范計算值。

3.3 剎車動力響應測試及結果分析

試驗列車以 40 km/h速度駛過大橋,在 19號～20號跨跨中及 19號墩頂剎車。測量大橋各特征部位的豎向振幅、橫向振幅和縱向振幅。試驗共進行 3次,試驗結果取平均值。測試結果見表4。

表4 剎車動位移測試結果 mm

由表4可以看出,實測剎車各工況下,該橋特征部位的振幅較小。

3.4 橋跨結果動力特性測試及結果分析

利用高靈敏度拾振儀,采用在 40 km/h行車條件下測量的橋梁的自振特性。該橋一階自振頻率測試結果見表5。

表5 橋梁一階自振頻率及相應阻尼比

由表5可以看出該橋實測豎、橫向一階自振頻率均比相應的理論值稍大,說明該橋實際豎向、橫向剛度大于理論值,施工質量良好;該橋實測橫向最低自振頻率為 1.19 Hz,該值大于《鐵路橋梁檢定規范》第10.0.5及第 10.0.6條有關自振頻率通常值,滿足要求。

4 結論與建議

通過對洛湛鐵路石良角潯江特大橋主橋(64+2×104+64)m 4跨預應力混凝土鐵路連續箱梁橋的靜、動載試驗,得出以下基本結論。

(1)箱梁各測試截面的靜應力分布符合平截面假定,實測各測試截面的縱向、橫向應變均小于理論計算值,校驗系數主要分布在 0.6～0.7,主要是由于結構實際剛度過大和梁體混凝土彈性模量比設計理論值大,結構校驗系數符合預應力混凝土連續梁的常值,箱梁設計理論正確。

(2)實測靜載撓度曲線和理論計算撓度曲線形狀和規律吻合,校驗系數在 0.70～0.80,表明實際結構剛度大于理論剛度;按實測值換算到中-活載時的撓跨比,中跨跨中最大撓跨比為 1/2 726,邊跨跨中最大撓跨比為 1/6 720,滿足《鐵路橋梁檢定規范》[4]的要求。

(3)DF4雙機牽引 9輛 C62重車在 40～80 km/h的試驗荷載下,實測最大動力系數:邊跨 64 m梁為1.062,中跨 104m梁為 1.057,均低于《鐵路橋涵設計基本規范》[5]規定的設計值 1.128和 1.083。

(4)實測跨中橫向最大振幅:邊跨 0.81mm、中跨1.06mm;最大加速度邊跨 0.13m/s2,中跨 0.24m/s2;連續梁橫向一階自振頻率為 1.19Hz,均滿足《鐵路橋梁檢定規范》[4]限值的要求。

(5)實測兩中墩墩頂橫向最大振幅僅為 0.76mm和 0.93mm,小于《鐵路橋梁檢定規范》[4]規定的通常值,橋墩具有良好的橫向剛度。固定墩在跑車工況下實測縱向最大振幅為 0.58 mm,制動工況下為0.97mm。

(6)該連續梁梁體和橋墩的施工質量符合設計要求,其承載能力達到設計中-活載的標準,并滿足列車按設計速度安全運行的要求。

(7)本次試驗采用 2臺 DF4機車聯掛 9輛 C62車輛荷載,仍達不到《鐵路橋梁檢定規范》[4]要求的荷載效率系數,建議結合我國普鐵的實際荷載狀態對荷載標準和《鐵路橋梁檢定規范》[4]的荷載效率系數限值開展研究。

(8)目前《鐵路橋梁檢定規范》[4]的限值均是針對簡支梁,建議對其他結構型式橋梁開展有針對性的研究。

[1]JTGD 60—2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[2]馬坤全,蔣 鵬,王水龍,等.鐵路連續梁橋荷載試驗與結構評定[J].鐵道標準設計,2007(12):37-40.

[3]李桂華,許士斌,吳曉媛,等.大型橋梁動力特性檢測方法[J].應用力學學報,1996,13(1):48-52.

[4]鐵運函[2004]120號,鐵路橋梁檢定規范[S].

[5]TB 10002.1— 2005,鐵路橋涵設計基本規范[S].