(40+56+40)m預應力混凝土連續槽形梁動力性能試驗研究

董振升，楊宜謙，張高翔

(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

在高速鐵路橋梁建設中，跨越河流、峽谷時一般采用預應力混凝土連續箱形梁或拱橋等特殊結構，很少采用連續槽形梁結構。因為槽形梁特有的建筑高度低，可增高橋下凈空，減小路堤高度，結構輕巧，腹板可以隔音等優點[1-5]，在新建線路有特殊要求的地段也開始采用。但目前連續槽形梁動力性能的評價指標不完善，本文通過對比(40+56+40)m連續槽形梁和(40+56+40)m連續箱形梁的自振特性、動力響應，分析和評價了該種結構形式對高速列車運營的適用性。

1 橋梁概況

石濟客運專線平禹特大橋(40+56+40)m預應力混凝土連續槽形梁全長137.5 m。跨中梁高4 m，邊支點梁高4.8 m，中支點梁高6.3 m，梁頂由跨中向中支點按圓曲線變化，曲線半徑149.153 m。槽形梁總寬度16 m，內側凈寬11.3 m，主梁腹板寬度0.4～0.5 m，按折線變化。頂板厚0.55 m，道床板厚1.0 m，支點處設置橫梁，邊支點處寬度1.5 m，中支點處寬度2.4 m。雙線直線橋，線間距4.6 m，有砟軌道。支座采用鐵路常用跨度連續梁球形鋼支座，型號通橋(2009)8361-LXQZ-I。橋上線路為無縫線路，60 kg/m鋼軌，Ⅲ型軌枕，橋上道砟厚度為43 cm。

2 測試內容

試驗主要測試內容如下:

1)跨中橫向、豎向振動(含振幅、豎向自振頻率)；

2)梁端豎向轉角；

3)跨中豎向振動加速度；

4)跨中動撓度、動應變及動力系數；

測點布置示意見圖1。

圖1 測點布置示意

3 數據分析

試驗列車采用CRH2A-2010綜合檢測列車。

該橋試驗中共測試下行線動車組27趟(不含5 km/h準靜態標定)，速度181.6～273.8 km/h。

3.1 梁體豎向自振頻率

豎向自振頻率采用脈動法測試。實測豎向1階自振頻率為3.08 Hz，豎向2階自振頻率為4.93 Hz，與250 km/h速度等級的(40+56+40)m連續箱形梁自振頻率對比見表1。可見連續槽形梁豎向自振頻率略低于連續箱形梁，但均滿足TG/GW 209—2014[6]規定的連續箱形梁的1階自振頻率通常值2.87 Hz，2階自振頻率通常值4.30 Hz的要求。

表1 連續槽形梁和連續箱形梁豎向自振頻率對比 Hz

3.2 跨中豎向撓度和撓跨比

連續槽形梁56 m跨中由于現場條件限制，只測試了上下行主梁位置處撓度，40 m跨中同時測試了上下行主梁，上下行鋼軌下方和橫斷面中心處的撓度。連續槽形梁和連續箱形梁實測撓度見表2。綜合檢測列車下行線通過40 m跨中和56 m跨中時，上行側主梁撓度均遠小于下行側主梁。說明道床板在列車荷載直接作用位置處局部變形較大，荷載往距離較遠的上行側的主梁傳遞較少，上行主梁撓度較小。

表2 綜合檢測列車作用下實測梁體跨中撓度匯總 mm

綜合檢測列車在下行單線加載和雙線加載作用下，連續槽形梁40 m跨中斷面撓度擬合曲線見圖2。可以看出，單線加載作用下，連續槽形梁道床板橫向彎曲明顯，這與T梁和箱形梁受力不同。一般情況下，T梁和箱梁在列車荷載作用下，整體受力明顯，各斷面撓度呈線性關系，不存在橫向彎曲。雙線加載作用下，槽形梁道床板對稱彎曲，橫斷面中心處撓度最大，向兩側逐漸減小。而T梁和箱梁在雙線加載作用下，跨中各斷面撓度基本相同。

圖2 測試斷面撓度擬合曲線

連續槽形梁和連續箱形梁實測撓跨比匯總見表3。40 m邊跨撓跨比采用主梁位置處撓度計算為1/14 025，若采用橫斷面中心處撓度計算則是1/9 996，可見道床板的局部變形使撓跨比增大約28%。連續槽形梁56 m跨中撓跨比采用跨中主梁位置處撓度計算，實測撓跨比為1/11 645，遠小于箱形連續梁撓跨比1/6 318。主要原因是道床板的局部變形大，受力傳遞到主梁位置處較小，主梁位置處的撓度變小。如連續槽形梁撓跨比采用跨中橫斷面中心處撓度進行計算，則撓跨比會大幅增大。針對上述連續槽形梁道床板變形的規律，建議在評價撓跨比時需指明計算使用的撓度的準確位置。

表3 梁體豎向撓跨比(換算至ZK活載)對比

目前連續槽形梁這種結構在鐵路橋梁中應用較少，撓跨比的評價指標也不完善，本文參考《高速鐵路工程動態驗收技術規范》中相同跨度連續箱形梁的評價標準和設計圖紙中的設計值進行評判。從表3中數據可以看出，槽形連續梁40 m跨中和56 m跨中撓跨比均滿足設計值要求，也滿足TG/GW 209—2014通常值和TB 10621—2014[7]限值的要求，且有一定裕量。說明此梁的豎向剛度較大，能夠滿足列車高速平穩運行的要求。

3.3 梁端豎向轉角

對于有砟軌道橋梁，梁端豎向轉角過大會導致位于梁端伸縮縫部位的道床不穩定，導致軌道養護工作量增大，且對高速行車條件下的安全和舒適性具有一定的影響，故梁端豎向轉角也是橋梁動力性能評價的的一個重要指標。

CRH2A-2010綜合檢測列車準靜態加載時，主梁梁端豎向轉角換算至ZK活載的梁端豎向轉角為0.27‰，滿足TG/GW 209—2014通常值0.60‰的要求，遠小于TB 10761—2013[8]規定的限值2‰。

3.4 跨中橫向振幅

橫向振幅是影響列車運營安全性的重要因素，過大的橫向振幅會導致列車脫軌。

本文共測試了上下行主梁，下行側擋砟墻共3處的橫向振幅，實測跨中橫向振幅與行車速度關系見圖3。可以看出，上下行主梁和下行擋砟墻位置處的橫向振幅相當，主要原因是道床板的面內剛度較大，在列車荷載作用下，梁體各位置的橫向振動一致，不存在局部橫向振動。

圖3 梁體橫向振幅與行車速度關系

連續槽形梁和連續箱形梁跨中橫向振幅與行車速度關系見圖4。可以看出，連續槽形梁跨中橫向振幅比連續箱形梁稍小，這主要與梁體橫斷面的寬度有關。連續槽形梁為了提高梁體的抗扭剛度，在兩側主梁采用箱形截面，這大大增加了梁體整個橫斷面的寬度，梁底橫向寬度達到16.0 m。而連續箱形梁梁底橫向寬度為5.53 m，梁頂寬12.2 m。

圖4 連續槽形梁和連續箱形梁跨中橫向振幅對比關系

從振動幅值上看，連續槽形梁和連續箱形梁均能滿足TG/GW 209—2014規定的40 m跨通常值0.10 mm，56 m跨通常值0.15 mm的要求。

3.5 跨中豎向振幅

豎向振幅是影響列車運營平穩性和舒適性的重要因素。若列車對橋梁的激勵頻率與梁體豎向自振頻率吻合，會引起梁體的共振，過大的豎向振幅將影響列車運營平穩性和乘客的乘坐舒適性。

本文考慮到槽形梁道床板局部豎向剛度弱，振動是否與主梁振動一致的問題，共測試了上下行主梁、下行擋砟墻共3處的豎向振幅。實測3處豎向振幅時域波形，下行主梁和擋砟墻位置處的豎向振幅相當，大于上行側主梁位置處的豎向振幅，3處豎向振幅振動波形相位相同，說明連續槽形梁在列車荷載作用下，整體受力明顯。

連續槽形梁和連續箱形梁跨中豎向振幅與行車速度關系見圖5。連續槽形梁和連續箱形梁豎向振幅隨行車速度的提高而增大，增長趨勢一致，連續槽形梁豎向振幅小于連續箱形梁豎向振幅。在試驗車速范圍內，列車對梁體的豎向激勵頻率在1.96～2.94 Hz，梁體豎向自振頻率不在此范圍內，未發生豎向共振現象。

圖5 連續槽形梁和連續箱形梁跨中豎向振幅對比關系

從振動幅值看，連續槽形梁和連續箱形梁均能滿足TG/GW 209—2014規定的40 m跨和56 m跨通常值0.40 mm的要求。

3.6 梁體應變及動力系數

為了保證高速列車運營的平穩性和乘客乘坐的舒適性，高速鐵路橋梁比普速鐵路橋梁的剛度已經大大提高，強度不再是橋梁設計的控制指標。目前在高速鐵路橋梁動態檢測中，測試應變的主要目的是為了評價高速列車通過橋梁時對橋梁的動力放大效應。

在綜合檢測列車作用下，連續槽形梁40 m和56 m跨中應變動力系數相當，最大值分別為1.16(236.2 km/h)，1.13(260.0 km/h)，(40+56+40)m 連續箱形梁40 m和56 m跨中應變動力系數最大值分別為 1.14(270.7 km/h)，1.15(260.9 km/h)，可見連續槽形梁和連續箱形梁應變動力系數相當。

3.7 梁體振動加速度

為保證橋上線路結構的穩定性，TB 10621—2014對有砟軌道和無砟軌道橋面的豎向振動加速度作了規定，有砟軌道橋面相應于20 Hz以內的豎向振動加速度在3.5 m/s2及以下，可保證道床的穩定性。對于無砟橋面，為防止跳軌，限值取5.0 m/s2。

實測連續槽形梁和連續箱形梁橋面豎向振動加速度最大值見表4。可以看出，無砟軌道橋面的連續箱形梁橋面豎向振動加速度比有砟軌道橋面的連續槽形梁大，這主要是道砟橋面上道砟對列車荷載起了分散和緩沖的作用，但最大值均遠小于TB/10621—2014規定的相應限值。

表4 槽形和連續箱形梁橋面豎向振動加速度 m/s2

4 結論

1)連續槽形梁豎向自振頻率略小于連續箱形梁，但滿足《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定(試行)》同等跨度的連續箱形梁通常值的要求。

2)連續槽形梁的道床板橫向彎曲明顯，局部變形較大，與T梁和箱梁橫斷面整體受力特性不同，建議評價撓跨比時需指明測試撓度準確位置。實測連續槽形梁撓跨比滿足《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定(試行)》通常值和《高速鐵路設計規范》限值的要求。

3)連續槽形梁梁端豎向轉角滿足《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定(試行)》通常值和《高速鐵路工程動態驗收技術規范》限值要求。

4)連續槽形梁梁體跨中橫向和豎向振幅均小于連續箱形梁，均能滿足《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定(試行)》的通常值要求。

5)連續槽形梁梁體應變動力系數與連續箱形梁相當。連續槽形梁橋面豎向振動加速度也滿足《高速鐵路設計規范》限值要求。

根據連續槽形梁和連續箱形梁豎向剛度和動力響應的對比分析可知，在高速鐵路有凈空和噪聲控制等特殊要求的地段，可以采用連續槽形梁代替連續箱形梁。連續槽形梁結構在設計合理的情況下，動力性能良好，能夠適應高速列車運營的要求。