提速鐵路橋梁的加固評價研究

鄭 委,李 清,薛克遠,寧燦程

(蘭州交通大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730070)

包蘭鐵路東崗黃河大橋(K983+491)正橋為3孔跨度各53m的鋼筋混凝土空腹式拱橋.1956年6月竣工.該橋主拱矢高16.0m,兩肋中心距2.6m,軌底至最深的基底高度45.24m,橋面板厚0.3m,按6孔連續板設計,橋面板向兩側各懸臂0.85m作為人行道.拱肋、剛架、墩臺頂帽及橋面板均采用300號混凝土,墩上立柱170級混凝土,墩身170級片石混凝土(加20%片石),沉井井壁200級鋼筋混凝土,填充140級混凝土.原設計荷載為中-26級.為檢修需要,1983年修建了拱型輕便鋼檢查架(每孔重32.45t,共重97.35t).

隨著鐵路提速等級的提高,橋梁出現了一些普遍問題[1-2].2007年8月對該橋進行了橋梁靜、動載試驗,用以指導提速鐵路橋梁的維修加固[3-4],10月對該橋進行了開裂橋臺套箍加固,拱腳混凝土增大截面加固,拱肋開裂部位碳纖維加固,梁端橫向限位加固等工作,2009年進行橋梁動載試驗,以評價維修加固質量,最后綜合承載力及動力性試驗結果給出提速運營鐵路橋梁的試驗評價[5-6].

1 荷載試驗

1.1 試驗方法

靜載試驗采用機車加載方式,用靜態應變儀記錄截面應變變化,用全站儀進行位移觀測,測試結果由控制點上的光電撓度計和精密水準儀數據校核,靜載試驗用以判斷橋梁結構在靜載作用下的工作狀態.為減少溫度效應影響,靜載試驗在夜間進行.

動載試驗分為脈動(環境振動)測試和不同速度等級通車強迫振動測試.脈動試驗主要測試橋梁的自振特性,強迫振動試驗測試過橋列車激勵下橋梁的振動參數(加速度、振幅、強迫振動頻率等),并通過振動波形分析綜合判斷橋梁結構動力性能.

1.2 荷載試驗測點布置

1.2.1 靜載試驗

選取病害較重的第一孔進行試驗,根據文獻[7]對試驗荷載不得小于現行最大運行荷載的要求及現場能提供的加載車輛,靜載試驗加載采用2臺SS1型電力機車加載,荷載效率及加載工況見表1,截面應變、位移測點布置如圖1所示.

表1 靜載試驗測點布置及荷載效率

圖1 靜載試驗應變與位移測點布置

1.2.2 動載試驗

橫向振幅、橫向加速度測點分別布置在拱肋和梁體的L/4、L/2及橋墩、1#立柱(蘭側)的頂部,動撓度測點布置在拱肋的L/4(蘭側)處,動應變測點布置在拱腳(包側)、L/2與L/4(蘭側).脈動測點布置在拱肋及梁體對應的0L、L/8、L/4、L/2、L3/4、7L/8、L及橋墩與1#立柱(蘭側)頂部.

1.3 結構計算分析

采用大型通用有限元程序ANSYS對東崗黃河大橋進行全橋空間有限元建模.根據現場調查結果,建模采用原設計拱軸線,忽略線路偏心影響.結合原設計參數,計算時拱上結構各構件采用C30混凝土,橋墩臺采用C15混凝土.拱肋、橫撐、剛架、橋面板、橋墩及沉井基礎采用空間梁單元模擬,拱頂處橋面板采用殼單元模擬,該橋的有限元模型如圖2所示.

圖2 黃河大橋空間有限元計算模型

動力計算時,橋面線路設備按分布質量施加在橋面板位置,后加的檢查梯重量以集中質量形式加在各立柱底部.結構部分振型如圖3～圖5所示.

圖3 橫橋向第一振型

圖4 順橋向第一振型

圖5 豎向第一振型

2 測試結果及分析

2.1 靜載試驗測試結果分析

各工況荷載作用下,截面應變測試結果見表2,截面位移校驗系數見表3.

根據應變測試結果,在試驗荷載作用下,截面實測應變分布基本符合平截面假定.理論計算和測試結果對比可見,實測混凝土受壓區應變校驗系數為0.55～0.87(工況5拱腳上翼緣混凝土應變校驗系數為1.23,且拱腳的實測受壓區高度小于理論值,正反映了結構拱腳部位因鋼筋銹蝕及斷面削弱造成的局部病害特征),受拉鋼筋位置應變校驗系數為0.49～0.82.參照文獻[7]中混凝土上翼緣及鋼筋應力校驗系數和文獻[8]中應力應變校驗系數的規定,除部分校驗系數高于文獻[1]中規定的通常值外,大部分滿足兩者的要求.

表2 各工況下應變測試數據

表3 截面位移校驗系數見表3

結構位移校驗系數的平均值在0.51～0.87范圍;位移校驗系數最大值出現在工況2包頭側3L/8斷面,豎向位移校驗系數為0.98,橋跨位移校驗系數均小于1.0.參照文獻[7]豎向撓跨比通常值:鋼筋混凝土梁1/4000(普通高度)為13.25mm.試驗荷載作用下,橋梁最大靜撓度7.88mm,換算為中-活載的撓度值為11.12mm,橋梁位移校驗系數基本滿足當前使用要求.為了保證橋上線路的平順性和運行列車的安全性,文獻[9]對由列車靜活載引起豎向撓度作了相應規定,拱橋1/4跨度處,由靜活載所產生的上下撓度(絕對值)之和為15.96mm,不應大于計算跨度的1/800,測試結果亦滿足要求.

2.2 動載試驗測試結果分析

為保證空載貨車(或混編列車)通過時車輪抗脫軌安全度,可參照文獻[7]預應力混凝土梁在不同車速條件下橋跨結構橫向自振頻率的限值,表4為實測橋梁自振頻率.

表4 橋跨結構自振頻率Hz

表5 加固前后不同車速下振動測試結果

根據表4對比數據,加固后橫橋向自振頻率由1.52Hz提高到1.67Hz,橋梁橫向剛度有所提高.

根據現場測試結果,將同一速度級的列車編組,分別讀取振幅最大值.統計分析時,限速45km/h通過的列車按超越或然率5%計算最大振幅推斷值;試驗列車以較高速度級在橋上通過時,考慮小樣本的統計不確定影響,按分位數5%確定最大振幅推斷值,按此橋梁L/2測點橫向振幅、橫向加速度及強迫振動頻率測試結果見表5.

參照文獻[7]關于梁式結構橫向剛度的檢驗標準,鋼筋混凝土、預應力混凝土簡支梁跨中橫向振幅行車安全限值為L/9000(對應于該橋為5.89mm),加固后橫向振幅明顯減小,橫向剛度增大.

橋跨加固前后振動測試波形如圖6、圖7所示.

圖6 加固前橋跨橫向振動波形

圖7 加固后橋跨橫向振動波形

從橫向振動波形來看,主拱圈在列車激勵下的振動曲線接近正弦波,拱肋部分整體性能較好.加固前梁端和包頭側L/4梁體振動存在二次周期,基線兩側波形不對稱,梁端尤為明顯,主體結構對梁體的約束明顯存在不足;加固后梁體各測點波形規則,一致性較好,說明加固效果比較顯著.

按照三個不同速度等級區間,對24列不同車速的動撓度測試得到加固前后的動力系數,見表6.

表6 橋梁動力系數

橋梁動力系數是反映橋梁結構的動力性能、橋面的平整度、車輛的動力特性以及車速等因素影響的重要參數,加固前動力系數實測值大于理論值,加固后實測值顯著降低,說明了加固效果的顯著性.

3 結論

通過對橋梁加固前后不同提速等級荷載試驗數據的綜合分析,可得出如下結論:

(1)通過靜載試驗實測值和計算值綜合分析,提速鐵路橋梁加固前應變和位移校驗系數多數小于1.0,荷載平面內的結構性能能滿足當前運營的需要.

(2)動載測試表明,加固前橋梁動力性能存在明顯的不足,隨通車提速等級的增加暴露出橫向剛度偏小的問題;橋梁加固后在各提速等級區間內各項動力測試參數均達到規范要求,證明加固效果顯著.

(3)通過靜載試驗評定速鐵路橋梁的承載力,動載試驗評定提速橋梁的動力性能,兩者的結合可以對橋梁的提速運營狀況進行較為全面的評價,對指導提速鐵路橋梁的加固具有重要的實用意義.

[1]鄭希正.鐵路提速既有線簡支梁橋加固問題研究[J].國防交通工程與技術,2007(2):7-9.

[2]劉濤.提速后既有線混凝土橋梁的普遍問題及對策[J].甘肅科技縱橫,2008,37(3):128

[3]晏小明,梁彬,孫曉軍.在役橋梁荷載試驗及其結構質量分析[J].山西建筑,2008,34(6):315-316.

[4]高建敏,翟婉明,蔡成標.提速鐵路橋梁橫向振動異常探討及加固技術[J].鐵道建筑,2006(3):13-16.

[5]楊果岳,張家生,方淑君,等.提速狀態下預應力混凝土簡支梁受迫振動試驗研究[J].中國鐵道科學,2007,28(2):39-43.

[6]李運生,閻貴平,鐘鐵毅,等.鐵路實體橋墩橫向振動規律J].北京交通大學學報,2007,33(1):77-80.

[7]中華人民共和國鐵道部.鐵路橋梁檢定規范(鐵運函[2004]120號)[S].

[8]交通部第二公路勘察設計院.公路舊橋承載能力鑒定方法(試行1988)[S].

[9]GB 50157)中華人民共和國建設部.地鐵設計規范[S].