重載條件下單雙線鋼桁梁橋靜動力性能對比試驗研究

柳墩利

(國家鐵路局工程質量監督中心，北京 100891)

客運高速和貨運重載是我國鐵路發展的主要方向。提高貨車車輛軸重、增加車輛編組是發展重載運輸的主要模式。軸重和運量的增加會對既有鐵路橋梁的剛度、強度、穩定性等產生不利影響，導致病害增加，疲勞加劇，使用壽命縮短，需采取相應的對策。跨度64 m下承式簡支鋼桁梁是我國既有鐵路橋梁中的一種結構形式，在單線橋和雙線橋上都使用過。對于跨度相同的單雙線鋼桁梁橋，相同荷載作用下的靜動力性能指標表現會有所不同。

有關重載運輸對橋涵結構的影響以及大跨度鋼桁梁橋性能試驗問題，研究成果較多。文獻[1]針對朔黃鐵路常見橋涵結構，完成了30 t軸重下的橋涵試驗檢測分析、強化改造和加固技術研究；文獻[2]以跨度32 m預應力混凝土T梁為對象，通過模型試驗研究了在大軸重重載運輸條件下鐵路橋梁的疲勞性能；文獻[3]針對朔黃鐵路3種不同類型鋼桁梁橋，完成了重載條件下的力學行為分析和試驗研究；文獻[4]在重載列車過橋時簡支橋梁的垂向動力方面進行了深入研究；文獻[5-6]針對重載條件下的鋼桁梁橋，開展了相關動力分析、疲勞分析和現場試驗研究；文獻[7-11]針對高鐵和普通鐵路中存在的單線或雙線鋼桁梁橋，開展了相關理論分析和現場荷載試驗研究，并完成了相應的橋梁技術狀況評定。既有研究成果主要集中在重載對中小跨度混凝土橋的影響和普通荷載下的鋼桁梁橋動力響應分析方面，而有關重載運輸對大跨度鋼桁梁橋的靜動力性能試驗研究較少或不夠深入。

本文以某重載鐵路2座跨度64 m單雙線簡支鋼桁梁橋為研究對象，在完成重載對橋梁結構影響的靜力分析基礎上，開展現場靜動力性能試驗，對比分析單雙線鋼桁梁橋的受力特點，為鋼桁梁橋在重載條件下的改造加固提供依據。

1 工程概況

雙線橋跨越京港澳高速公路，單線橋跨越京杭大運河，且上下行分開布置。單雙線鋼桁梁橋橋面系均為縱橫梁結構，橋梁全長65.24 m，計算跨度64 m，主桁高均為11.0 m。單雙線橋主桁中心距分別為6.204 m和9.732 m，上下弦桿均采用H形截面，相同位置處單線橋桿件截面尺寸約為雙線橋的70%。單雙線橋均采用滾軸支座，圓端形板式橋墩，單雙線橋墩尺寸分別為7.4 m×3.0 m和11.0 m×2.0 m，高度分別為13.95 m和9.33 m，采用承臺鉆孔樁基礎，樁長33 m，每個承臺下設12根樁基，直徑1.0 m，設計荷載為中活載。

目前重載鐵路上主要運行C64(21 t軸重)、C70(23 t軸重)、C80(25 t軸重)敞車，少量開行KM98(30 t軸重)漏斗車，牽引質量采用5 000，1萬，2萬t等多種編組形式，以韶山號機車和和諧號機車為主。日通行列車超過100趟，年運量超過2億t，2016年計劃運量2.8億t。由于單雙線鋼桁梁橋跨度、結構形式、桿件類型、橋門架形式均相同，主桁高度也一致，因此雙線橋具有更大的橋寬、更大的弦桿和縱橫梁尺寸，相應地就有更大的自重、橫向和豎向剛度。相比之下單線鋼桁梁橋結構桿件尺寸較小，對應橋梁自重較輕。

2 靜力性能分析

在靜力性能分析之前，需要準確了解車輛荷載的基本參數，表1中列出了目前正在運營的車輛類型及其主要參數。

表1 車輛類型及主要參數

車輛類型從C64K到KM98，軸重從21 t增加到30 t，單軸重增加約40%，對于跨度64 m簡支鋼桁梁而言，列車每米載重大小是影響橋梁整體受力的主要因素。對比運營荷載和設計荷載可知，C64和C70敞車每米載重遠小于中活載標準，而C80敞車和KM98漏斗車每米載重則已經超過中活載標準，從靜力學角度研究重載條件下鋼桁梁橋的適用性，可以從活載儲備量方面進行計算分析。

活載儲備量是考慮現有運行荷載效應和設計荷載效應的參數，活載儲備量＝1-運營荷載彎矩(剪力)效應/設計荷載彎矩(剪力)效應，計算時采用MIDAS/Civil建模，結構尺寸按照設計圖紙確定。模型中桁架采用桿單元，縱橫梁采用梁單元，節點按照剛節點考慮。活載儲備量計算結果見表2，計算時僅考慮車廂作用，未考慮機車對結構的影響，考慮動力系數的影響。

表2 活載儲備量計算結果 %

由表2可知，隨著列車軸重提高，鋼桁梁各主要構件的活載儲備量降低。KM98列車作用下，跨中彎矩和桿件應力活載儲備量均在10%以下，活載儲備量較小，與文獻[1]的結果比較接近。比較鋼桁梁結構不同部位主要受力桿件，相同荷載作用下斜桿的活載儲備量最小，它是重載運輸的最薄弱環節。因此，當鐵路干線提高列車荷載等級時，應以鋼桁梁結構的斜桿應力為主要控制因素。

3 靜載對比試驗

根據理論計算結果，依據受力和變形最大原則確定測點位置。因單雙線橋結構形式基本相同，在2種橋梁結構的相同位置布置測點(見圖1)，以便對測試數據進行對比分析。全橋共布置應變測點64個，撓度測點6個。應變測點共布置16個截面，每個截面4個測點。橋梁北側布置圖1中帶標記所有測點，南側布置 4＃，5＃，11＃，12＃，15＃截面測點。 撓度測點布置在橋梁南北兩側1/4跨、1/2跨、3/4跨處，同時布置支座沉降測點。

圖1 靜載試驗測點布置

列車按照萬噸擴能要求進行編組，具體方式為:2×SS4B+7×C70滿載重車+7×C70空車+2×SS4B，按照影響線確定最不利加載位置，靜載試驗時共分為5級進行加載(見圖2)，單雙線鋼桁梁橋加載方式均相同，其荷載效率系數分別為0.66和0.70，二者比較接近。

圖2 加載位置示意(23 t軸重)

表3為試驗荷載和設計荷載作用下桿件最大應力及撓度，計算時考慮了動力系數的影響。表4為單雙線鋼桁梁橋靜載試驗結果對比，撓度數值已經扣除了支座沉降，僅列出應力較大的6根桿件(11＃和12＃為南側桿件，其余為北側桿件)實測結果。

表3 試驗荷載和設計荷載作用下桿件最大應力及撓度

表4 單雙線鋼桁梁橋靜載試驗結果對比

由表4可知:在試驗荷載作用下，單雙線鋼桁梁橋桿件應力和撓度實測數據均小于理論計算值，單線橋上弦桿和斜桿應力校驗系數基本滿足鐵運函[2004]120號《鐵路橋梁檢定規范》通常值要求，但下弦桿應力和撓度校驗系數均不滿足要求，且超限較多；雙線橋的應力及撓度校驗系數均滿足規范要求。

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單線橋上下弦桿及斜桿應力以及撓度校驗系數遠遠大于雙線橋，主要是由于荷載大小相同，而單線橋桿件較小，鋼桁梁豎向和橫向剛度均低于雙線橋。實測單雙線橋撓跨比(換算至中活載)分別為1/1 757和1/1 364，均滿足《鐵路橋梁檢定規范》中小于1/1 250的要求。

大軸重列車開行，導致單雙線鋼桁梁橋的活載儲備量降低，會進一步加劇鋼結構的疲勞損傷和破壞，需要引起足夠重視。

4 動力性能對比試驗

4.1 試驗內容

開展動載對比試驗，是為了了解單雙線鋼桁梁橋在不同編組重載列車作用下的振動規律和動力性能，為改造加固提供技術依據。動載試驗時，以正常運營列車作為激振荷載，測試單雙線鋼桁梁橋的自振特性和強振特性，測試內容包括跨中橫向振幅、橫向加速度、豎向振幅、豎向加速度、跨中動撓度、動力系數、墩頂橫向振幅、橋跨及橋墩自振頻率等參數。

考慮通過橋梁時的試驗列車類型基本相同，分別在2013年10月21—25日和2013年11月22—25日先后完成了單線橋和雙線橋運營性能測試，試驗期間通過雙線橋和單線橋的運營車輛類型基本一致，主要包括C64，C70，C803種類型，未采集到KM98列車通過的數據。

4.2 數據統計

現場實測運營車輛速度在40～76 km/h，其中單線橋車輛通過速度為60～76 km/h，雙線橋車輛通過速度為40～60 km/h，因鄰近鋼桁梁橋附近簡支T梁振動過大，整座雙線橋處于70 km/h限速狀態。表5為上行滿載重車過橋時單雙線鋼桁梁橋主要運營性能指標對比，表6為下行空車過橋時單雙線鋼桁梁橋主要運營性能指標對比，分析如下。

表5 單雙線鋼桁梁橋主要運營性能指標對比(上行重車)

表6 單雙線鋼桁梁橋主要運營性能指標對比(下行空車)

1)整體分析。在輕重運營列車作用下，單雙線鋼桁梁橋跨中橫向振幅、豎向振幅以及墩頂橫向振幅等參數均滿足《鐵路橋梁檢定規范》要求，但單線橋的跨中橫向加速度略微偏大，不滿足規范要求，雙線橋跨中橫向加速度也比較接近規范值。

2)單雙線橋數據對比。上行重車作用下單線橋跨中橫豎向振幅以及橫豎向加速度均遠大于雙線橋，實測單線橋4項參數的平均值和最大值約為雙線橋的2倍及以上；單線橋跨中動撓度大于雙線橋，約為雙線橋動撓度的1.15倍；單線橋墩頂橫向振幅也大于雙線橋，但數值都很小。下行空車作用下單線橋跨中橫豎向振幅以及橫豎向加速度均大于雙線橋，約為1.5倍左右；單線橋跨中動撓度與雙線橋比較接近，最大值均出現在機車位置處。單線橋墩頂橫向振幅也略大于雙線橋，數值都非常小。車輛類型對橋梁振動特性影響不明顯，重載列車引起單線橋較大振動。

3)輕重車作用對比。上行重車作用下單線橋跨中橫豎向振幅及動撓度均遠大于下行空車作用下的數值，而重車和輕車作用下的橫豎向加速度則比較接近，墩頂橫向振幅都很小；對于雙線橋而言，C64，C70重車及輕車作用下的跨中橫豎向振幅比較接近，而上行C80重車下的跨中橫豎向振幅遠大于下行C80空車作用下的數據；下行空車作用下雙線橋橫豎向加速度遠大于上行重車作用下的數據，而重車作用下跨中動撓度大于空車數據。重車對單雙線橋的影響更大。

4.3 振幅

實測正常運營列車通過試驗橋梁時跨中振幅與車速的關系分別見圖3、圖4。

圖3 跨中橫向振幅與車速的關系

圖4 跨中豎向振幅與車速的關系

從整體趨勢上分析，實測單線橋跨中橫豎向振幅遠大于雙線橋，且單雙線橋跨中橫向振幅和豎向振幅均有隨著速度提高而增大的趨勢，不同類型車型引起的橫豎向振幅比較接近。對單雙線橋振動時程曲線進行頻譜分析，實測單雙線橋橫向強振頻率分別在1.31～1.81 Hz和 1.12～2.36 Hz，與橫向自振頻率1.87 Hz和2.24 Hz(采用脈動、余振和敲擊3種方法測試并校核)相差較小，單線橋更容易發生共振現象，需要重點觀測。

實測墩頂橫向振幅都很小，上行重車作用下橋墩振幅略大于下行輕車通過時數值，單線橋略大于雙線橋。列車軸重的提高會引起橫向沖擊加大，造成重車作用下墩頂振幅有所增加，而雙線橋墩高度低和橫向寬度大的結構特點也使得其墩頂振幅偏小。

4.4 動撓度及撓跨比

實測正常運營列車通過試驗橋梁時跨中動撓度與速度關系見圖5。

圖5 跨中動撓度與車速的關系

由表5、表6和圖5可知:上下行列車作用下單線橋跨中動撓度大于雙線橋，撓度數值與速度關系不明顯，但與車輛類型及載重密切相關，滿載C80作用下動撓度最大；上行重車通過時，單雙線跨中動撓度最大值基本上出現在車廂位置，而下行空車通過時，動撓度最大值基本上發生在機車位置處。

圖6為上行重車和輕、重車在橋上會車時雙線橋跨中動撓度與車速的關系。圖7為上行重車通過時雙線橋跨中兩側動撓度與車速的關系。

圖6 雙線橋跨中動撓度與車速的關系

現場測試發現，當橋上會車時跨中動撓度比較大，最大值達到41.01 mm，遠大于上行重車通過時的最大值34.16 mm；實測橋上會車時跨中動撓度最大值(上下行均為C80貨車)的平均值為36.80 mm，也大于僅上行重車通過時橋梁跨中動撓度最大值的平均值(C80貨車)31.61 mm。上行重車通過導致南北兩側動撓度相差較大，其中北側和南側動撓度最大相差13.95 mm。

圖7 上行重車通過時雙線橋跨中兩側動撓度與車速的關系

4.5 動應力及動力系數

實測列車作用下單線鋼桁梁橋桿件動應力最大值為71.95 MPa，發生在橋門架斜桿(15＃桿)處，由C80滿載重車引起；同樣類型列車作用下，單線橋桿件應力略大于雙線橋相同位置處桿件；橋上會車時雙線鋼桁梁橋桿件應力最大，實測橋門架斜桿(15＃桿)動應力最大值達到79.2 MPa。

實測單雙線橋動撓度動力系數和動應力動力系數都很小，基本上都在1.05以下，且相同類型荷載作用下單雙線橋動力系數基本相等，而單雙線橋的動力系數與車速關系不明顯；同一列車作用下動應力動力系數略大于動撓度動力系數。

5 結論

1)靜力分析和靜動載對比試驗結果表明，重載運輸快速發展降低了鋼桁梁橋的活載儲備，大軸重列車作用下活載儲備量在10%以下。在目前運營列車荷載作用下，兩座跨度64 m單雙線鋼桁梁橋的強度、剛度和主要運營性能指標均滿足規范要求，但單雙線橋的豎向剛度和橫向剛度都偏小，尤其是單線橋橫向剛度偏小。從安全運營和長遠規劃角度出發，可以考慮對其進行加固改造，以適應重載運輸要求。

2)列車荷載作用下，單線鋼桁梁橋的靜動力性能指標均弱于雙線橋。尤其是荷載作用下的桿件應力和撓度校驗系數、橋梁橫豎向振動幅值、動撓度等靜動力參數，單線橋數值均遠大于雙線橋，單線橋安全儲備小；荷載沖擊引起桿件局部沖擊加大，單雙線橋實測自振頻率分別為1.87，2.24 Hz，與實測兩座橋梁的強振頻率 1.31～1.81 Hz，1.12～2.36 Hz比較接近，容易發生共振現象，需要重點觀測。

3)大軸重、大運量的重載運輸快速發展對鋼桁梁橋的靜動力性能帶來很多不利影響，引起桿件應力增加、撓度增大、振動加劇，既有鋼桁梁已不能適應重載運輸的要求，因此，針對不同的結構類型和部件，對其進行強化改造迫在眉睫。