高速鐵路大跨度鋼箱提籃拱橋靜動力性能試驗研究

何旭輝，秦思謀，鄒云峰

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；

2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

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高速鐵路大跨度鋼箱提籃拱橋靜動力性能試驗研究

何旭輝1，2，秦思謀1,2，鄒云峰1,2

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；

2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

摘要:以南廣鐵路肇慶西江特大橋為工程背景，介紹高速鐵路大跨度鋼箱提籃拱橋的靜動載試驗和列車運行安全性試驗方法。靜載試驗測試關鍵截面應力,撓度,梁端轉角,支座位移及吊桿索力。動載試驗對列車以不同速度過橋時關鍵截面的橫、豎向動力響應進行量測，分析橋梁的動力特性。列車運行安全性試驗對3個指標——輪對橫向力、列車脫軌系數和輪重減載率進行計算，結合聯調聯試結果，對比分析貨車和動車運行的穩定性。研究結果表明：該橋梁具有足夠的強度和剛度，具有良好的靜動力性能，同時驗證了該橋梁設計的合理性和運營的安全性。

關鍵詞：高速鐵路；鋼箱提籃拱橋；靜動載試驗；運行安全性；結構評估

1工程概況

單位：cm圖1　主橋整體布置圖Fig.1 Overall layout of main bridge

2有限元模型模擬

西江雙線特大橋的靜力和動力分析采用空間有限元軟件MIDAS/Civil2015進行，同時基于通用有限元軟件ANSYS14.0建立了該橋的ANSYS計算分析模型，用于對MIDAS模型的理論計算值進行驗證。全橋MIDAS模型共計采用了1 946個節點和2 483個單元，其中拱肋、縱橫梁、橫撐均采用空間梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，混凝土橋面板采用板單元模擬，拱肋、縱梁、橫梁和橫撐相互之間都按剛結處理。在鋼-混凝土結合區域，正交縱橫梁與混凝土板對應節點處通過剛性連接令豎向位移和各角位移都相等，不考慮鋼與混凝土板間的滑移。為了盡可能模擬橋梁的真實情況，確保理論值與試驗值具有可比性，全橋模型采用了帶墩分析的力學模型，如圖2所示。

2.1控制截面確定

利用MIDAS/Civil2015計算西江橋的設計活載軸力包絡圖、彎矩包絡圖以及主拱內力影響線，得出全橋的軸力和彎矩較大的位置，作為控制截面進行試驗加載。根據橋梁結構形式和受力特點，計算各個加載截面的內力(撓度)影響線，并據此進行荷載布置。

圖2　西江橋全橋MIDAS有限元模型Fig.2 Midas Finite Element Model of Xijiang River Bridge

子結構控制截面部位主拱拱頂處、拱腳位置、拱肋1/4位置鋼縱橫梁主縱梁的主跨跨中位置和主跨1/4位置吊桿吊桿截面

2.2模態分析

采用MIDAS/Civil2015提供的子空間迭代法作為特征值計算方法，對西江橋模型進行成橋狀態的動力模態進行分析。本文列出成橋狀態在恒載及雙線全橋滿布中—活載作用下前3階模態的整體穩定系數及相應的模態描述，如表2所示。

表2　橋梁整體穩定系數和失穩模態

3靜力性能試驗

3.1加載工況

試驗采用2列列車加載，每列配1節DF4型內燃機車和32節滿載的K13型風動卸渣車。試驗時要求卸渣車裝滿道碴。采用有限元分析軟件MIDAS求得主跨跨中截面、主跨1/4截面及拱腳的彎矩影響線后，根據控制截面的彎矩影響線，按照最不利加載原則確定加載輪位和試驗工況。工況如表3所示。表中的荷載效率系數是按照撓度計算得出的。

3.2應力試驗結果及分析

應力和位移測點布置如圖3所示，圖中Y1～Y7表示應力測點，W1～W8表示位移測點。

該橋靜載試驗各試驗截面應力測試值經過荷載效率系數的換算后，試驗值結果見表4。從表中看出，各工況測得主梁應力的校驗系數均介于0.8～0.85之間，主拱的拱肋和拱腳的應力校驗系數均不超過0.9，符合《鐵路橋梁鑒定規范》[2]中對橋梁應力校驗系數的規定范圍要求。卸載后殘余變形(應變)基本為0，說明結構仍處于彈性工作階段，滿足設計及規范要求。

3.3撓度試驗結果及分析

撓度值的控制位置在主跨跨中和廣州側引橋跨中位置，表5列出了雙線工況加載下主橋和引橋跨中撓度檢測和計算結果，從表中看出，實測撓度值均小于理論計算值，校驗系數均在0.7～0.8范圍內，滿足《鐵路橋梁鑒定規范》[2]中的要求。按照表3中的荷載效率系數將實測的撓跨比換算成中活載對應的撓跨比，得出的結果均小于《鐵路橋梁鑒定規范》[2]規定的1/1 200限值。特別注意的是，本次試驗當天的天氣從早上到中午一直處于陰天狀態，無強烈的日照，溫度變化很小，因此溫差變化對撓度測量的影響忽略不計。

表3　靜載試驗工況

圖3　測點布置Fig.3 Arrangement of measuring points

工況控制截面位置測點位置試驗值/kPa理論值/kPa校驗系數校驗系數的規定范圍1主縱梁1/2位置截面上游下緣9701.311467.60.8460.80～0.85主拱1/2位置截面上游外側-9273.7-10336.30.897～2主縱梁1/2位置截面下游下緣11971.214428.50.8300.80～0.85主拱1/2位置截面下游外側-15473.6-17252.50.897～3主縱梁1/4位置截面上游下緣6227.17430.30.8380.80～0.85主拱1/4位置截面上游外側-12591.5-14988.40.840～4主縱梁1/4位置截面上游下緣11581.113853.80.8360.80～0.85主拱1/4位置截面上游外側-24043.8-27889.50.862～5主拱拱腳位置截面上游外側-19347.9-22955.40.843～6主拱拱腳位置截面上游外側-40241.64-45656.90.881～

表5　雙線工況加載下主橋和引橋跨中撓度結果

3.4梁端轉角試驗結果及分析

梁端轉角測量結果表明，轉角最不利的工況出現在雙線加載工況，表6列出了雙線工況加載下的梁端轉角實測結果，最大引橋梁端轉角為1.625‰ rad，換算至設計荷載的轉角值為1.912‰，該值小于《高速鐵路工程動態驗收技術規范》[3]規定的轉角限值2.0‰ rad；最大相鄰兩孔梁之間的轉角為2.869‰，換算后為3.457‰，同樣也小于規范[3]規定的轉角限值4.0‰ rad。

表6　雙線工況加載下主橋梁端轉角結果

3.5支座位移試驗結果及分析

支座位移實測結果表明，1號和2號墩上的4個支座在順橋向和橫橋向均發生了不同程度的微小位移。查詢《公路橋梁支座實用手冊》[4]中鋼支座摩擦系數為0.05，通過計算得知各工況產生的縱向水平力均大于支座最大靜摩擦力，實測結果由此得到了驗證。最大位移發生在工況6時2號墩上游支座的順橋向，也僅有0.271 mm。表明橋梁具有較強的剛度。

3.6吊桿索力試驗結果及分析

本試驗所測吊桿主要集中在廣州側，原因是6個工況下車輛主要加載于廣州側；之所以不測量D0吊桿，是因為D0吊桿太短，為保證測試精度和有效而選擇從D1吊桿開始測量，累計選擇了上下游兩側的D1，D4，D7，D10和D14(最長)吊桿進行檢測(見圖1)。

表7為各工況下吊桿索力測試結果，其中，吊桿索力最大值發生在工況2下的D10上游索，為3 268.0 kN。參考《大跨度斜拉橋平行鋼絲斜拉索》(JT/T 775—2010)[5]規范，本橋吊桿破斷索力值為14 372 kN，取安全系數為3.0時，吊桿的設計索力為4 791 kN，因此，試驗所測得的索力在吊桿材料可允許的安全范圍內；所測吊桿僅有工況1時的D7上游吊桿索力值超出了校驗系數范圍，其他吊桿索力均在規定的校驗系數范圍內[2]。

4動力性能試驗

動載試驗主要測試橋跨的行車動力響應、剎車動力響應和結構動力特性。本試驗在橋上共設置傳感器20個，測點布置如圖4所示。

表7　各控制吊桿的索力結果

圖4　動載測點布置Fig.4 Arrangement of measuring points in dynamic loading tests

4.1動載試驗工況

工況分為單向行車和雙向會車2大類，單向行車考慮10，20，30，40和50 km/h 5個速度，在下游側行車；雙向會車考慮40和50 km/h 2個速度，雙線列車編組為2DF4+32K13。

4.2行車動力響應測試結果和分析

1)動位移。實測主跨跨中截面最大豎向動位移為1.30 mm，小于理論豎向最大振幅4.23 mm。最大橫橋向動位移為0.96 mm，小于《鐵路橋梁鑒定規范》[2]規定的鋼梁跨中橫向振幅限值[Amax]5%=L/7.8B=2.88 mm限值。在單向行車工況下，隨著行車速度的增加，主跨各測點動位移響應基本呈現顯增大趨勢(見圖5)。雙向會車時動位移響應大于單向行車時的動位移響應。

2)動力系數。根據《鐵路橋涵基本設計規范》(TB10002.1—2005)[6]計算西江橋動力系數理論值為1.052。通過傳感器獲得的動位移振動波形分析橋梁的動力系數(見表9)。實測結果表明，橋梁在不同工況下測得的動力系數值均小于理論值；在單向行車工況下，動力系數隨速度的增加而增大(見圖6)，符合橋梁動力響應的實際情況。

表8　主橋跨中下游側各向最大動位移實測結果

表9　由跨中上下游測點測出的動位移波形分析所得的動力系數匯總

圖5　跨中下游各向最大動位移折線圖

Fig.5 Line chart of dynamic displacement on the downstream side of midspan deflection

圖6跨中動位移分析得到的動力系數折線圖

Fig.6 Line chart of dynamic coefficient, analyzing from the dynamic displacement waveform of midspan

4.3剎車動力響應測試結果和分析

以渦輪部裝任務t4為例，共有10個工序，目前第7工序已完工，則DLt4=(pt40,pt4),pt4={pt41,pt42,,pt47}，其中pt47為關鍵工序任務，需進行三檢。

剎車試驗是1臺試驗車以50 km/h速度在大橋主跨跨中截面處緊急剎車，剎車時實測主跨跨中最大順橋向動位移為0.30 mm，而行車試驗中主跨跨中最大順僑向動位移為0.22 mm，制動下的跨中縱向位移大于行車下的，符合力學規律，0.30 mm的值足以說明該橋具有良好的縱向剛度。

4.4結構動力特性測試結果和分析

1)振動頻率。實測西江特大橋的前2階振動頻率和相應階次模態的頻率計算結果列于表10以作對比，第1和2階自振頻率分別為0.463 Hz和0.493 Hz，均大于理論值，可見實測的橋梁剛度比理論計算的剛度更大。

表10　振動頻率實測值和理論值的對比

2)阻尼。根據結構的動力響應信號，獲取結構臨界阻尼比的方法很多，較常用的有對數衰減率方法、半功率帶寬法等。本測試拾取了50 km/h剎車后的余振信號，采用INV阻尼計法計算。實測該橋第一階臨界阻尼比為4.510%，與一般橋梁結構臨界阻尼比1.0%～10%接近。

5列車運行安全性試驗

列車運行穩定性測試內容包括貨車和動車的脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力3項參數，3項參數可通過測得的鋼軌水平力和豎向力計算得到。鋼軌水平力和豎向力的測試依據《輪軌水平力、垂直力地面測試方法》[7]提出的電測法。應變測點布置在西江橋下游軌道跨中截面。整個試驗的方法詳見參考文獻[7](下文闡述的試驗標定結果指的是貨車運行安全性試驗，動車的試驗結果本文直接引用了聯調聯試的測試數據)。

5.1鋼軌水平力和豎向力標定結果

1)水平力。對水平力的標定須按照規范要求對內、外軌分別進行水平方向加載，按5，10，15，…，分級加載至50 kN，標定的結果如圖7所示。

2)豎向力。對豎向力的標定同樣須對內、外軌分別進行豎向方向加載，按10，20，30，…，分級加載100 kN，標定的結果如圖8所示。

圖7　外軌、內軌水平力標定曲線

圖8　外軌、內軌豎向力標定曲線

5.2試驗列車與速度

貨車由2DF4+32K13滿載卸渣車組成，試驗行駛速度為10，20，30，40和50 km/h 5種勻速工況，還包括有50 km/h緊急制動工況。動車采用聯調聯試CRH380A型動車組，每列8節編組。列車從180 km/h到275 km/h進行逐級加載。

5.3測試結果

從表11可以看出，在測試的車速范圍內，貨車和動車脫軌系數、輪重減載率、輪對橫向力的最大值均遠低于文獻[9]～[11]要求的限定值，列車運行安全性符合規范要求。貨車剎車的情況下，脫軌系數整體有所增大。貨車與動車相比，貨車的脫軌系數最大值和平均值均隨車速提高而增大，其輪重減載率最大值和平均值隨車速提高有明顯的起伏變化，而動車的這兩項指標最大值和平均值幾乎保持不變。貨車和動車的輪對橫向力最大值和平均值隨車速提高均呈現增大趨勢，但相比之下，提升同等的速度貨車輪對橫向力的增幅明顯大于動車的增幅。貨車每個指標的最大值與平均值的差距都比動車的大，說明貨車運行過程中安全性指標的離散性比動車更明顯。

表11　試驗列車通過主橋跨中時的穩定性指標

6結論

1)該橋靜載試驗各試驗截面應力校驗系數均在規范給定的通常值范圍內，且殘余應變基本為0，荷載試驗中結構尚處于彈性工作階段；各工況下撓度校驗系數均在規范給定的通常值范圍內，且撓跨比均小于容許值1/1 200；梁端轉角均小于限值2.0‰ rad；每個支座在各工況下均出現不同程度的微小位移，與理論計算得出的支座靜摩擦力均小于縱向水平力的結果相符，最大位移僅有0.271 mm。說明橋跨具有足夠的強度和剛度。

2)吊桿索力測試結果表明，吊桿索力最大值為3 268.0 kN，查閱規范后取吊桿安全系數為3.0的情況下，設計索力為4 791 kN，因此，試驗所測得的索力在吊桿材料可允許的安全范圍內；所測吊桿僅有工況1時的D7上游吊桿索力值超出了校驗系數范圍，其他吊桿索力均在規定的校驗系數范圍內。

3)該橋動載試驗實測橫橋向動位移小于規范限值，表明橋梁橫向剛度較好；實測最大動力系數和阻尼比均處于合理范圍內；橋梁的實測1和2階自振頻率均大于理論值，表明該橋在不同的行車和制動工況下具有足夠的剛度和良好的動力性能。

4)在測試的車速范圍內，貨車與動車的脫軌系數、輪重減載率和輪對橫向力均小于規范限值，列車運行安全性滿足規范要求。動車的脫軌系數和輪重減載率隨車速增大幾乎穩定在一個水平，兩個指標的最大值均小于貨車，且貨車的這兩項指標隨車速增大有明顯的變化。另外，貨車運行過程中安全性指標的離散性比動車更明顯。由此驗證了動車運行安全性優于貨車。

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(編輯蔣學東)

The test research of static and dynamic loading of large-spansteel-box handle basket arch bridges on high-speed railway

HE Xuhui1,2, QIN Simou1,2, ZOU Yunfeng1,2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

Abstract:Based on the Xijiang River Bridge of Nanning-Guangzhou railway as engineering background, the paper carried out the test research of static and dynamic loading and train running security of large-span steel-box handle basket arch bridges on high-speed railway. Throug static loading tests, the stress of key section, the deflection of girder, the angle of beam-end, the displacement of bearing and the tensile force of suspender were measured. Through dynamic loading tests, the horizontal and vertical dynamic response of key section when the train pass the bridge at different rates were measured, and the dynamic characteristics was analyzed. Based on train running security tests, the three operation safety indicators were calculated which are the lateral force of wheel, the derailment coefficient of train and the rate of wheel load reduction. According to the alignment joint-test, the running stability of the multiple unit and the freight trains were comparatively analyzed. It shows that the freight trains running on the bridge is safe and the bridge has enough strength and rigidity, good static and dynamic performance.

Key words:high-speed railway; steel-box handle basket arch bridge; static and dynamic loading test; running security; structure assessment

中圖分類號：U446.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0210-09

通訊作者：何旭輝(1975-)，男，貴州遵義人，教授，博士，從事橋梁抗風與評估研究；E-mail: xuhuihe@csu.edu.cn

基金項目：中南大學“創新驅動計劃”資助項目(2015CX006)；國家自然科學基金資助項目(51178471、51322808)；中國博士后科學基金資助項目(2014M562133)

收稿日期：2015-07-06