軌道交通雙U形-箱形連續梁橋結構整體力學性能試驗研究

黃繼成

（上海申通地鐵集團有限公司，上海市 226001）

0 引言

城市軌道交通U形梁由于其建筑高度低、截面利用率高、造型美觀、降噪效果好等優點，越來越受到工程人員的關注。與傳統的槽形梁相比，雙U形-箱形梁在底板取消了橫向預應力鋼筋，中間腹板與邊腹板不對稱。雙U形-箱形梁結構特殊、受力復雜，特別是底板在橫向取消預應力鋼束后，其橫向抗裂性能如何，以及整體受力能否滿足目前設計運營的要求等問題還不清楚[1]。同時，目前國內軌道交通工程中應用較少，尚無成熟、系統的設計經驗可供借鑒，因此對雙U形-箱形梁在施工、運營階段中的靜力行為進行試驗研究，為雙U形-箱形梁在城市軌道高架線路中的推廣應用提供依據是相當必要的。為全面了解軌道交通節段拼裝雙U形-箱形連續梁橋的靜力性能，本文選取在世界上首次采用雙U形-箱形連續梁橋的上海軌道交通17號線為工程背景，通過實橋荷載試驗研究節段拼裝雙U形-箱形截面連續梁橋結構的整體力學行為，了解大橋主要構件在試驗荷載下的實際工作狀態，評價其在設計使用荷載下的工作性能和實際承載能力，同時獲得橋跨結構目前的結構固有振動特性以及荷載作用下的靜動力性能，為雙U形-箱形結合截面主梁在軌道交通建設中的推廣運用提供重要的試驗性資料。

1 節段拼裝雙U形-箱形連續梁橋構造特點及試驗概況

上海市軌道交通17號線工程節段拼裝雙U形-箱形截面連續梁橋主要采用中跨50 m、55 m、70 m的結構型式[2]，主梁截面主要采用雙U形-箱形結合斷面，由U形-箱梁底板、箱梁底板、箱梁腹板、U形-箱梁頂板、U形-箱梁腹板和中腹板組成，預制節段間采用濕接縫和膠結縫連接。支座采用球形鋼支座或盆式橡膠支座。軌道交通17號線荷載等級為地鐵-A型，按六節車輛編組設計，單線重車共24個軸，最大設計軸重160 kN，設計時速100 km/h。典型橋梁立面照及正面照如圖1所示。

圖1 雙U形-箱形連續梁橋立面照和正面照

根據結構理論分析，靜載試驗中對全橋四個控制部位進行加載測試，控制部位包括中跨跨中、四分點、墩頂及邊跨最大正彎矩斷面S1～S4（見圖2）。試驗采用2列6節編組的軌道交通車輛（通過在車廂內堆放砂袋使車輛軸重達到目標值）做試驗列車，加載車示意圖如圖3所示。靜載試驗分三個工況進行撓度、彎矩加載，加載控制元素和荷載水平見表1。各工況車輛均按同向布置，圖4為中跨跨中最大正彎矩及撓度S3斷面加載布置示意圖。加載前先讀零確定有無異常情況，車輛上橋10 min后開始讀數，退載后重新讀零以確認變形及應力恢復情況。試驗于2017年12月14—15日夜里12:00至上午8:00進行，加載時跟蹤監測主梁溫度和橋面風向風速，以消除環境溫度、濕度及風荷載對實測數據的影響。動載試驗選取主梁邊跨S1斷面、中跨跨中S3斷面進行動應力測試，同時測試S3斷面橫向、豎向動位移和加速度以及中墩墩頂兩側橫橋向動位移。試驗工況包括列車以20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h 速度單線勻速過橋以及雙線橋上會車共10種工況。振動測試主要通過測量主梁在環境激勵下的振動響應，識別大橋振動的前3階振動頻率、振型和阻尼比。

圖2 典型雙U形-箱形連續梁橋測試部位圖（單位：cm）

圖3 試驗加載車示意圖

表1 控制元素和荷載水平

圖4 中跨跨中最大正彎矩及撓度S3斷面加載布置示意圖（單位：cm）

靜載試驗測試內容主要包括主梁豎向撓度和應力。主梁撓度測點布設在測試斷面布置于中跨跨中、四分點和邊跨跨中斷面，上下游對稱，共10個。混凝土主梁S1～S4斷面靜應力測點為U形-箱形主梁頂緣、腹板和底面縱橋向應力測點。其中，腹板測點沿斷面高度等分，S1、S3斷面北側測點為四等分，南側測點為二等分，S4斷面南北側測點均為四等分，每個斷面設14個測點，具體位置如圖5所示。

圖5 U形-箱形截面縱向靜應力測點布置及編號示意圖

動載試驗測試內容主要包括主梁動應力、動位移、加速度和墩頂橫橋向動位移。在S1、S3斷面U形-箱形主梁底板各布設2個動應力測點，共4個測點；在S3斷面U形-箱形主梁U肋頂緣布設1個橫向動位移和2個豎向動位移測點；在中墩墩頂（兩側）各布設1個橫橋向動位移測點，共2個測點；在S3斷面U形-箱形主梁U肋頂緣布設2個豎向加速度、1個橫向加速度傳感器。具體測點布置如圖6所示。

圖6 U形-箱形截面動應力、動位移和加速度測點布置及編號示意圖

主梁動力特性參數測試內容主要包括振動頻率、振型和阻尼比。在主梁中跨四分點斷面和邊跨跨中斷面布置9個加速度測試斷面，每個斷面上行、下行側各布置1個豎向測點，并在下行側布置1個橫橋向測點，用以拾取主梁豎向和橫向加速度響應。具體測點布置示意如圖6d所示。

2 靜力荷載下結構整體力學行為

2.1 應力測試結果

靜力加載試驗下雙U形-箱形截面應力實測結果與理論分析對比表明，在靜力荷載作用下，截面應力的實測結果與理論計算值基本吻合，試驗橋梁處于彈性工作階段，如圖7所示。

圖7 中跨跨中截面S3最大正彎矩對稱加載（滿載）應力理論與實測比較

2.2 位移測試結果分析

圖8 為中跨跨中截面S3最大正彎矩對稱加載（滿載）全橋變形理論與實測比較。由圖可知，在試驗加載工況下，位移的實測結果與理論計算值相吻合，主梁截面橫向變形分布基本對稱，表明橋梁結構剛度滿足設計要求。

圖8 中跨跨中截面S3最大正彎矩對稱加載（滿載）全橋變形理論與實測比較

3 動力荷載下結構力學行為

圖9 為列車以20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100 km/h速度單線勻速過橋以及雙線橋上會車時S3斷面的典型動應力、動位移及加速度時程圖。結果表明：主梁底板縱橋向測點的動態應力增量不大，動力系數均小于1.15。主梁中跨跨中的豎向動位移最大振幅為0.47 mm；橫向最大振幅為0.42 mm。墩頂主梁橫向動位移幅值接近于零。中跨跨中豎向加速度最大幅值為0.92 m/s2；橫向加速度最大幅值為0.77 m/s2。主梁的應力動力系數、動位移振幅以及振動加速度幅值均與列車速度的關系不明顯。

圖9 列車以不同速度勻速過橋及橋上會車時中跨跨中截面典型動應力、動位移及加速度時程圖

4 結構固有振動特性

試驗模態分析獲得各大橋主梁前3階振動形態，典型振動形態如圖10所示。結果表明：各大橋實測各階振動頻率比理論計算值稍大，說明實際結構動力剛度大于計算值；實測1階橫向自振頻率介于2.700～5.770 Hz，滿足《鐵路橋梁檢定規范》中最小橫向自振頻率要求[3]；各大橋前3階振型的阻尼比介于1.64%～3.47%。

5 結語

通過對軌道交通節段拼裝雙U形-箱形截面連續梁橋結構的整體力學行為試驗研究，獲得結論如下：

（1）在相當于設計荷載水平的試驗荷載下，各橋梁結構處于彈性工作狀態，其變形增量、應力增量均隨荷載近似呈線性規律變化。

圖10 各大橋主梁前3階振動形態

（2）列車以不同速度、不同車輛數正常行駛時，實測主梁動力系數小于1.15；實測主梁中跨跨中最大橫、豎向振幅分別為0.47 mm、0.42 mm，橫、豎向加速度最大幅值分別為0.92 m/s2、0.77 m/s2。

（3）大橋實測各階振動頻率比理論計算值大，實測1階橫向自振頻率介于2.700～5.770 Hz，前3階振型的阻尼比介于1.64%～3.47%。