鐵路跨度12 m低高度鋼筋混凝土板梁橋試驗研究

賈晉中

(朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧 062350)

跨度12 m低高度鋼筋混凝土梁因易滿足橋梁凈空、節省材料，在我國前期的鐵路建設中得以廣泛應用。朔黃鐵路是我國西煤東運的重要通道，全線采用了24孔12 m低高度鋼筋混凝土板梁。據運營實踐及現場調研，該類板梁普遍存在裂縫，部分孔跨梁體表面出現豎向環裂現象，其中西留肖中橋尤為突出，另外該橋梁體橫向振幅較大，橋上車輛晃動，存在行車安全隱患。限速措施雖減小了梁體橫向振動，但對運營干擾較大，需采取措施對梁體進行加固或改造，以解除線路限速。12 m低高度鋼筋混凝土板梁的豎向剛度相對較低，本文通過對該類梁體的動力性能進行現場測試，研究該類梁體對近半年來開行的C80(25 t軸重運煤專用敞車)貨車運輸的適應性。

1 試驗概況

1.1 試驗內容

試驗主要測試內容:梁體自振頻率;梁體跨中截面的主筋動應變、動撓度;梁體跨中截面豎向振幅、橫向振幅;板式橡膠支座豎向、橫向動位移;墩頂橫向振幅;列車速度和位置。

1.2 試驗橋梁

為分析西留肖中橋梁體橫向晃動大的原因和12 m低高度鋼筋混凝土梁體適應性，另選取跨新滄保公路大橋作對比試驗研究，兩座試驗橋梁概況如下:

西留肖中橋，中心里程K477+051，上行重車線橋號227A，橋梁全長34.0 m，孔跨樣式為2-12 m低高度鋼筋混凝土簡支板梁，圖號為專橋(88)1024，梁體后期采用碳纖維布進行加固，測試孔跨為第1孔，為避免破壞梁體既有加固措施，未測試該橋跨中截面的主筋動應變，該橋限速65 km/h。

跨新滄保公路大橋，中心里程K428+051，上行重車線橋號 207A，橋梁全長 187.9 m，孔跨樣式為13-12 m低高度鋼筋混凝土簡支板梁，圖號為專橋(88)1024，測試孔跨為第10孔。

兩座橋梁試驗現場如圖1所示。

圖1 兩座橋梁試驗現場

兩座橋梁支座均采用板式橡膠支座，橋上線路為直線，上行重車線軌道結構均為無縫線路、75 kg/m鋼軌、Ⅱ型軌枕。西留肖中橋采用單線圓端形板式橋墩，跨新滄保公路大橋采用門式框架墩。兩座橋梁下部結構如墩臺形式、墩高、基礎類型等均不一致，對兩座橋梁均測試墩臺動力響應以便于梁體結構動力性能對比分析。

兩座橋梁測點布置如圖2所示。

圖2 兩座橋梁試驗測點布置示意

試驗測試內容主要分為振幅、位移、應變與列車速度。振幅傳感器采用國家地震局哈爾濱工程力學研究所生產的891-Ⅱ傳感器與積分放大器;應變傳感器采用日本KYOWA公司生產的KFW-5-120應變片與動態應變儀;位移傳感器采用中國水利水電科學研究院生產的LVDT差動變壓器式位移計與位移放大器;列車速度傳感器采用永磁磁鋼。各傳感器通過數據電纜連接至動態數據采集分析系統進行試驗物理量的測量。

1.3 測試列車

測試列車為運營列車，列車類型主要為 C64，C70A，C80。西留肖中橋測試運營列車速度為54～64 km/h，平均車速為60 km/h;跨新滄保公路大橋運營列車速度為68～77 km/h，平均車速為75 km/h。

2 測試結果及分析

2.1 自振頻率

采用力錘沖擊法對兩座橋梁梁體豎向自振頻率進行測試。實測西留肖中橋第1孔左右兩片梁的豎向一階自振頻率為9.20 Hz;實測跨新滄保公路大橋第10孔左右兩片梁體豎向一階自振頻率為8.80 Hz。

2.2 梁體豎向振幅

運營列車作用下西留肖中橋左右梁體跨中豎向振幅最大值分別為2.23，2.29 mm;跨新滄保公路大橋左右梁體跨中豎向振幅最大值分別為2.54，2.44 mm。兩座橋實測梁體豎向強振頻率與列車速度/車長均呈線性關系，并與強振頻率理論計算值(f=車速/車長)吻合;左右兩片梁跨中豎向振幅相位在梁體豎向響應的主要頻率范圍內呈線性正相關，相關系數接近于1.0，說明兩片梁體豎向共同作用狀態較好。

2.3 梁跨體系橫向振動

運營中發現西留肖中橋梁體橫向振幅較大，橋上車輛晃動，存在行車安全隱患。本文詳細地對運營列車作用下橋跨結構的橫向振動響應進行了測量。橋跨橫向振動測點包含梁端與跨中截面處的橫向振幅、支座橫向位移、墩頂橫向振幅。梁跨體系橫向剛度評價方法按照文獻[1]中的規定進行，評價指標見表1。需要說明的是，梁端橫向振幅與特殊墩臺結構橫向振幅沒有相應的評價標準，本文主要為分析橫向振動響應過大的原因而加以測量。

表1 橋跨體系橫向振動評價參數

實測兩橋左側梁體跨中及C80貨車作用下梁端橫向振幅與行車速度關系見圖3、圖4。右側梁體跨中橫向振動響應規律與左側基本一致，在此不再贅述。

圖3 兩橋左側梁體跨中橫向振幅與行車速度關系

圖4 C80貨車作用下左側梁端橫向振幅與行車速度關系

運營列車作用下，西留肖中橋左右梁體跨中豎向振幅最大值分別為0.73，0.74 mm;跨新滄保公路大橋左右梁體跨中豎向振幅最大值分別為0.45，0.40 mm，實測梁體跨中橫向振幅均小于梁體跨中橫向振幅通常值，但西留肖中橋梁體跨中橫向振幅實測值的離散程度與數值大小均大于跨新滄保公路大橋實測值。

C80貨車作用下西留肖中橋梁體橫向振幅沿線路方向依次增大，臺上梁端(神池南)梁體橫向振幅最小，墩上梁端(黃驊港)橫向振幅最大;跨新滄保公路大橋梁體橫向振幅兩梁端與跨中基本一致。測試梁跨下部結構西留肖中橋神池南為橋臺，黃驊港為橋墩。跨新滄保公路大橋兩梁端均為結構形式相同、墩高基本一致的橋墩。一般而言，橋臺水平剛度遠大于橋墩水平剛度，而梁體橫向振幅與下部結構剛度關系密切，造成兩橋梁體橫向振幅沿線路方向表現規律不一致。

運營列車作用下，西留肖中橋左右梁體梁端板式橡膠支座橫向位移最大值分別為1.33，1.15 mm，跨新滄保公路大橋左右梁體跨中豎向振幅最大值分別為0.60，0.43 mm，兩橋板式橡膠支座橫向位移均滿足規范限值要求。對于西留肖中橋，臺上與墩上支座橫向位移最大值分別為0.57，1.33 mm，跨新滄保公路大橋兩梁端墩上支座位移基本一致。

運營列車作用下，西留肖中橋墩頂橫向振幅最大值為0.16 mm，跨新滄保公路大橋墩頂橫向振幅最大值為0.13 mm。西留肖中橋墩頂橫向振幅小于規范規定的墩頂橫向振幅通常值。

兩橋梁跨體系橫向振動響應的實測結果見表2。由表2可知:梁體橫向振幅與支座橫向位移關系密切，西留肖中橋梁體跨中橫向振幅較大，與支座橫向位移密切相關(二者墩頂橫向振幅差異較小)。除西留肖中橋未設置梁端橫向限位裝置外，兩橋上部結構形式基本一致，線路條件與測試運營車輛基本相同。西留肖中橋梁體橫向振幅過大的主要原因是未設置橫向限位裝置，次要原因是橋梁梁體及墩體橫向剛度較小。文獻[2]規定縱向活動支座的橫橋向應設置可靠的橫向限位裝置，使支座的橫向位移不大于1 mm。實測西留肖中橋支座橫向位移最大值為1.33 mm，超出支座橫向限位構造設計要求，應采取對西留肖中橋設置梁端橫向限位裝置等措施以改善梁體橫向振幅較大的問題。

表2 兩橋梁跨體系橫向振動響應測試結果

2.4 梁體跨中動撓度

運營列車作用下，西留肖中橋梁體跨中動撓度(扣除梁端支座豎向位移)最大值為6.37 mm，跨新滄保公路大橋梁體跨中動撓度最大值為6.57 mm，對應車型均為C80貨車。靜撓度按文獻[1]實測動撓度波形獲得相應的動力系數計算。計算出的西留肖中橋與跨新滄保公路大橋梁體跨中撓度動力系數分別為1.34，1.33，從而推算C80貨車作用下梁體跨中靜撓度分別為4.75，4.94 mm。按簡支梁計算，換算至中—活載作用下，兩橋撓跨比分別為1/2 073，1/2 090。根據文獻[1]，該類梁型屬于低高度鋼筋混凝土梁，其豎向撓跨比通常值為1/1 900。實測兩橋梁體豎向撓跨比均未超過撓跨比通常值，且小于文獻[3]規定的簡支鋼筋混凝土梁的豎向撓跨比容許值(1/800)和該梁型豎向撓跨比設計值(1/1 644)。根據文獻[4]可將豎向剛度劣化等級劃定為C級，認為結構物或構件劣化對使用功能和行車安全影響較小[1，3-4]。

從梁體撓度校驗系數(實測值與理論計算值的比值)看，橋梁結構按平面理論分析，按簡支梁計算，C80作用下梁體跨中靜撓度為6.28 mm。因此西留肖中橋與跨新滄保公路大橋梁體跨中撓度校驗系數分別為0.76，0.79，均超過文獻[1]規定的通常值范圍(0.55～0.65)，主要原因是雙片并置式板梁橫向整體性能差與梁體開裂導致豎向剛度降低。受線橋偏心及裝載偏心影響，左右兩片梁跨中撓度不一致。西留肖中橋右片梁撓度實測平均值較左片梁大0.16 mm，撓度最大值相差0.33 mm。跨新滄保公路大橋右片梁撓度實測平均值較左片梁撓度大0.14 mm，撓度最大值相差0.34 mm。

從梁體豎向剛度實測值、設計值與規范限值比較分析可知，兩橋豎向剛度均滿足使用功能與行車安全要求，梁體豎向剛度的劣化對該橋梁梁體結構的使用功能與行車安全影響較小。

2.5 梁體跨中截面主筋動應變

運營列車作用下，跨滄保公路大橋跨中截面主筋動應變波形圖(左右兩片梁共4個測點)見圖5，最大動應變換算應力為77.7 MPa。實測應力幅值低于我國科研院校鋼筋疲勞試驗得出的108次時鋼筋疲勞抗力值[5-6]，且低于該橋梁在中—活載作用下，設計動力系數取1.29。按文獻[3]檢算時鋼筋主拉應力增量(113.2 MPa)。

圖5 C80貨車主筋動應變波形

與撓度測試結果相一致，試驗荷載卸載后，梁體跨中撓度與主筋應變波形圖無明顯飄移現象，表明梁體在線彈性范圍內工作。

兩橋梁體雖均有開裂現象，但在承載能力方面，實測主筋應力小于疲勞抗力與活載作用下主拉應力增量值，且梁體在線彈性范圍內工作。另外對于12 m跨度的橋梁，不考慮列車動力作用，標準列車豎向靜活載(中—活載)相對C80貨車含16%的活載儲備。因此，綜合兩橋試驗結果分析可知，該類梁體結構可適應25 t軸重C80貨車的重載運輸要求。

3 結論

1)梁體橫向振幅與支座橫向位移關系密切，西留肖中橋梁體跨中橫向振幅較大，與支座橫向位移密切相關(二者墩頂橫向振幅差異較小)。除西留肖中橋未設置梁端橫向限位裝置外，兩橋上部結構形式基本一致，線路條件與測試運營車輛基本相同。西留肖中橋梁體橫向振幅過大的主要原因是未設置橫向限位裝置，次要原因是橋梁梁體及墩體橫向剛度較小。

2)在對西留肖中橋采取梁端橫向限位措施后，可通過組織不同列車速度級橋梁動力性能試驗，并加強橋梁日常檢查，以解除目前該橋采取的限速措施。

3)從梁體豎向剛度實測值、設計值與規范限值比較分析可知，兩橋豎向剛度均滿足使用功能與行車安全要求，梁體豎向剛度的劣化對該橋梁梁體結構的使用功能與行車安全影響較小。

4)兩橋梁體雖均有開裂現象，但在承載能力方面，實測主筋應力小于疲勞抗力與活載作用下主拉應力增量，且梁體在線彈性范圍內工作。另外對于12 m跨度的橋梁，不考慮列車動力作用，標準列車豎向靜活載(中—活載)相對C80貨車含16%的活載儲備，因此，該類梁體結構適應25 t軸重C80貨車的重載運輸要求。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120號 鐵路橋梁檢定規范[S].北京:中國鐵道出版社，2004.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2010.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].北京:中國鐵道出版社，2010.

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2010]38號 鐵路橋隧建筑物修理規則[S].北京:中國鐵道出版社，2010.

[5]中國鐵道科學研究院.呼鐵局開行重載列車條件下橋涵適應性分析及強化對策研究分報告之三——跨度4.5 m鋼筋混凝土梁疲勞試驗報告[R].北京:中國鐵道科學研究院，2012.

[6]戴公連，呂海燕，曾慶元.25噸軸重荷載下鐵路中、小跨度混凝土橋剛度研究[J].長沙鐵道學院學報，1997，15(2):88-94.