四線鐵路剛架系桿拱橋靜動力性能試驗研究

張 強,劉德軍,李小珍

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

四線鐵路剛架系桿拱橋靜動力性能試驗研究

張 強,劉德軍,李小珍

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

以廣州樞紐四線鐵路主跨160m剛架系桿拱橋為研究對象,對大跨度剛架系桿拱橋進行靜動力性能試驗,了解結構在荷載作用下的實際工作狀態。靜載試驗選取該橋關鍵斷面進行截面應力、撓度測試,通過有限元軟件進行模擬仿真和試驗驗證,試驗結果與理論分析相符；動載試驗在列車以不同速度過橋時,對關鍵截面的橫、豎向動力響應進行量測,并與相關規范進行對比,動力響應指標符合相關規范要求。結果表明：橋梁在列車荷載作用下,結構靜動力特性良好,具有足夠的強度和剛度。

四線鐵路橋；剛架橋；系桿拱橋；靜動力性能試驗

拱橋在中國早期鐵路中較少應用，而常見于現代高速鐵路橋梁中，拱橋由于景觀性強、結構高度低、剛度大，同時，施工可因地制宜選取支架拼裝、拖拉、浮運、轉體等方法，對高速鐵路有很好的適應性，在中國現代高速鐵路中有較多的應用案例[1，2]。鋼管混凝土應用于拱橋始于20世紀30年代末，前蘇聯于1939年建成第一座跨度140 m的鋼管混凝土鐵路拱橋[3，4]，中國于2000年建成第一座鐵路鋼管混凝土拱橋—主跨236 m的水柏鐵路北盤江大橋[5]。研究對象為國內首座四線鐵路最大跨度鋼管混凝土剛架系桿拱橋(加勁拱除外)，也是首座吊桿采用銷鉸式錨固的鐵路拱橋。基于有限元軟件對該橋進行靜動力分析，靜載試驗測試關鍵截面應力、撓度；動載試驗對CRH2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。探討該橋梁在荷載作用下的強度、剛度以及動力特性。

為使既有橋梁和新建橋梁更加安全地為交通運輸事業服務，需對那些影響較大、結構新穎的橋梁進行試驗檢測[6，7]，荷載試驗是對橋梁工程內在質量進行評定時最直接和最有效的方法和手段[8，9]。荷載試驗結果可為設計認證、施工、健康檢測和維護提供相關的技術參數和基礎數據[10]。

1 工程概況

該橋橋跨結構布置為四線(24+160+24)m鋼管混凝土剛架系桿拱橋，南廣上行線靠近站房側邊跨及部分主跨位于緩和曲線和R=5 000 m圓曲線地段，其余三線均為直線，平面采用等寬梁設計。鐵路等級為客運專線，設計活載為ZK活載，設計速度為160 km/h。平立面布置如圖1所示。主梁采用單箱三室扁平鋼箱梁，梁高3.706 m，主跨橋面寬26 m，邊跨橋面寬25 m。拱肋采用鋼管混凝土結構，計算跨度L=160.0 m，設計矢高f=40.0 m，矢跨比f/L=1/4，拱軸線采用m=1.15次懸鏈線。兩片拱肋間橫向中心距24.2 m。拱肋采用等高度啞鈴形截面。鋼管內灌注C55微膨脹混凝土。兩片拱肋之間共設7道橫撐，拱頂設1道“X”形撐，靠近拱腳處設1道“K”形撐，其余均采用“一”字撐。主跨吊桿順橋向間距為8 m，橫向吊桿間距為24.2 m，采用順橋向雙吊桿體系，全橋共設17組吊桿。本橋系桿錨固于拱座上，每側設6束61孔單根張拉可換索式鋼絞線系桿。

主墩為鉆石形橋墩，通過兩側伸出肢與拱肋固結，主墩承臺為矩形，橫橋向長30.4 m，順橋向寬13.2 m，高4 m。每個承臺底設3列6行共18根φ2 m的鉆孔灌注樁，樁基橫橋向中心距除橋梁中心線處為7.2 m外其余均為5 m，順橋向間距均為5 m，樁中心至承臺邊緣為1.6 m。16號主墩樁長45 m，佛山西站方向17號主墩樁長47 m。

圖1 剛架系桿拱橋整體布置(單位：cm)

2 有限元模型模擬

廣州樞紐四線鐵路主跨160 m剛架系桿拱橋靜動力分析采用空間有限元軟件Midas/Civil2015，同時基于通用有限元軟件Midas/FEA2015建立該橋的FEA計算分析模型，用于對試驗實測值進行驗證。全橋Midas模型共計采用了669個節點，1 014個單元，其中拱肋、橫撐均采用空間梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，鋼箱梁采用自定義截面的方法來模擬。在兩端拱腳處，視為剛結，約束全部自由度；橋墩承臺底部按6×6個自由度的剛度矩陣模擬；橫撐與拱肋之間的連接用彈性連接模擬；縱橋向：主梁為半漂浮體系，正常使用條件下最右端主墩縱向固定，其余均為縱向活動。橫橋向：邊墩及主墩支座橫向均為活動支座，主墩處設橫向彈性限位支座約束橫向位移。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。

圖2 剛架系桿拱橋全橋Midas有限元模型

3 靜力性能試驗

3.1 加載工況

試驗采用T11BK型長鋼軌車列車組進行加載，編組為DF4機車+發電車+安全車+8輛運軌車+2輛防翻車+6輛運軌車+4輛鎖定車+6輛運軌車+2輛防翻車+7輛運軌車+安全車+5輛作業車，計算可得：發電車和作業車總質量為5×104kg、DF4機車為1.38×105kg，其他車輛的質量都為5.42×104kg。采用有限元分析軟件Midas求得主跨跨中截面、主跨1/4截面、吊桿、系桿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，共11個工況。

輪位1(主梁支點最大負彎矩)：DF4機車首輪距P15號墩支座73 m；

輪位2(D1吊桿索力最大)：DF4機車首輪距P15號墩支座75 m；

輪位3(主梁1/4最大正彎矩)：DF4機車首輪距P15號墩支座79.6 m

輪位4(拱腳鋼管負彎矩最大)：DF4機車首輪距P15號墩支座87 m；

輪位5(主梁跨中彎矩最大)：DF4機車首輪距P15號墩支座125.2 m

輪位6(拱肋跨中彎矩最大)：DF4機車首輪距P15號墩支座127.2 m；

輪位7(D9吊桿索力最大)：DF4機車首輪距P15號墩支座128.8 m；

輪位8(主梁跨中位移最大)：DF4機車首輪距P15號墩支座130.8 m；

輪位9(拱肋跨中位移最大)：DF4機車首輪距P15號墩支座132.6 m；

輪位10(系桿軸力最大)：DF4機車首輪距P15號墩支座143 m；

輪位11(拱腳鋼管軸力最大)：DF4機車首輪距P15號墩支座145 m。

3.2 試驗截面及測點布置

靜載應力和撓度測點布置如圖3、圖4及表1所示。本橋為3跨剛架拱連續鋼箱梁組合橋，為超靜定結構，無法根據現有《鐵路橋梁檢定規范》[11]的影響線公式計算繪制測點的影響線圖。因此，采用Midas/Civil2015空間有限元模型進行移動荷載影響線計算，以此來確定出各種加載輪位，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。

圖3 控制截面測點布置(單位：cm)

圖4 現場測點布置

表1 靜載測點布置

3.3 應力試驗結果及分析

《鐵路橋梁檢定規范》[11]中關于結構應力校驗系數規定：根據截面上實測的纖維應力與理論計算值進行比較，求出構件或截面的結構校驗系數

應力校驗系數的表達式中所表達的含義：

當Kσ=1時，說明理論值與實測值完全相符合；

當Kσ<1時，說明結構工作性能好，承載能力有一定富余，有安全儲備；

當Kσ>1時，說明結構的工作性能較差，設計強度不足，不夠安全。

由于工況數較多，以下僅列出小部分斷面測點彎曲應力實測值與理論值結果的對比(圖5～圖8)。

圖5 輪位1(16號墩頂)主梁斷面結果對比

圖6 輪位5中跨跨中斷面結果對比

圖7 輪位8中跨1/4斷面結果對比

圖8 輪位11拱肋斷面結果對比

以上11種工況，校驗系數位于0.80～0.95之間，目前國內規范對鋼管混凝土剛架系桿拱-連續鋼箱梁組合橋的校驗系數的限值還沒有明確的規定，《公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)》[12]中規定，大跨徑混凝結構的橋梁在最大試驗荷載作用下，其應變、撓度的校驗系數應符合：0.70<(Kσ,Kδ)<1.05，鋼材為各項同性材料，在計算模型和方法都正確的情況下，鋼管混凝土剛架系桿拱-連續鋼箱梁組合橋各項待測參數的理論計算值和試驗值還是比較接近的，其應變、撓度的校驗系數較《公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)》[12]中規定的范圍應該要小，但要在規范中對鋼管混凝土剛架系桿拱-連續鋼箱梁組合橋的校驗系數做出明確的說明，還需要做大量的試驗和計算來證明，因為影響校驗系數的因素有很多，包括截面尺寸、跨度、結構類型、測量誤差等[13-14]。在今后的試驗中，若遇到類似結構的橋梁，該校驗系數可以作為參考。

綜上可得：鋼管混凝土剛架系桿拱-連續鋼箱梁組合橋，16號墩頂主梁斷面、中跨1/4斷面、主梁中跨跨中斷面、以及拱肋斷面的應力校驗系數均位于0.80～0.95之間。說明該結構處于彈性工作階段，結構整體強度滿足實際要求。

3.4 撓度試驗結果及分析

撓度值的控制位置在主跨跨中，本次測量點位于中跨擋砟墻上，左右分別布置1個測點，表2列出了11種工況加載下，主跨跨中撓度檢測和理論計算結果。

表2 各工況作用下主跨跨中撓度結果

從表2可看出，實測撓度值均小于理論計算值，校驗系數均在0.80～0.91范圍內，說明該結構處于彈性工作階段，結構整體剛度滿足實際要求。

4 動力性能試驗

動載試驗主要選取該橋主梁邊跨跨中斷面、中跨跨中斷面進行振幅、加速度測試，15號、16號墩頂進行墩頂橫向振幅與橫向加速度測試，并測試了列車通過該橋時，橋梁中、邊跨跨中撓度值。控制截面的選取見圖9、測點布置見表3。

圖9 控制截面的選取

表3 動載試驗測點布置

4.1 動載試驗工況

本次試驗測試正常運營動車組在運營速度下的動力響應，車型選取的是CRH2。

4.2 自振特性測試結果和分析

自振特性的測試采用跑車強迫振動，橋跨結構實測CRH2車型過橋的時程曲線見圖10，實測CRH2車型過橋時自振頻率為1.700 Hz，采用空間有限元軟件Midas / Civil 2015計算， 得到橋跨結構豎向一階頻率f1=1.626 Hz，橋梁的實測基頻與理論計算頻率的比值為0.956，橋梁的動力性能良好。

圖10 中跨跨中振動時程曲線

圖11 跨中豎向振幅實測最大值與車速關系

4.3 動力響應測試結果和分析

(1)豎向動撓度：實測主跨跨中截面最大豎向動位移為5.643 mm，換算到設計活載撓跨比為1/5 338，小于設計撓跨比1/3 555。符合設計要求。

(2)動力系數：根據《鐵路橋涵基本設計規范》(TB1002.1—2005)[15]計算剛架系桿拱橋動力系數理論值為1.063。通過拾振器獲得的動位移振動波形分析橋梁的動力系數(表4)。實測結果表明，在列車運行過程中，隨著行車速度的增加，主跨各測點動撓度動力系數基本呈現顯增大趨勢。橋梁在不同工況下測得的動力系數值均小于理論值；鋼箱梁中跨跨中撓度動力系數最大值為1.056，發生在158 km/h工況下，在試驗車速內未發生共振和振動過大現象。

表4 主跨和邊跨跨中撓度動力系數

4.4 梁體振幅與振動加速度測試結果分析

實測邊跨跨中最大豎向振幅為0.140 mm，中跨跨中最大豎向振幅為0.339 mm；實測邊跨跨中最大豎向加速度(按20 Hz低通濾波)為0.068 m/s2，中跨跨中最大豎向加速度為0.063 m/s2(圖11、圖12)。各工況下實測豎向振幅均小于《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定》[16]的規定，梁體實測豎向加速度均小于限值3.5 m/s2。

圖12 跨中豎向加速度實測最大值與車速關系

實測邊跨跨中最大橫向加速度(按40 Hz低通濾波)為0.486 m/s2，中跨跨中最大橫向加速度為0.663 m/s2。各工況下梁體實測橫向加速度均小于限值1.4 m/s2。實測邊跨跨中最大橫向振幅為0.036 mm；中跨跨中最大橫向振幅為0.075 mm。各工況下實測橫向振幅均小于《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定》[16]的規定。

4.5 墩頂振幅與振動加速度測試結果分析

實測15號墩墩頂最大橫向振幅為0.005 mm、墩頂最大橫向加速度(按40 Hz低通濾波)為0.011 m/s2，16號墩墩頂最大橫向振幅為0.004 mm、最大橫向加速度(按40 Hz低通濾波)為0.003 m/s2。各工況下實測橫向振幅均小于文獻[11]規定的橋墩橫向振幅通常值，加速度均小于規定限值1.4 m/s2。

5 結論

(1)該橋靜載試驗各試驗截面應力校驗系數均在0.80～0.99范圍之間，且殘余應變基本為0，實測撓度值均小于理論計算值，校驗系數均在0.80～0.91范圍內，荷載試驗中結構尚處于彈性工作階段，說明橋跨具有足夠的強度和剛度。

(2)橋跨結構實測一階豎向自振頻率高于理論計算值；設計撓跨比符合設計要求；橋梁在不同工況下測得的動力系數值均小于理論值；實測邊跨和中跨跨中最大豎向振幅、最大豎向加速度、最大橫向加速度、最大橫向振幅均小于《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定》的規定；實測15號及16號墩墩頂最大橫向振幅、最大橫向加速度均小于《鐵路橋梁檢定規范》的規定。該橋在列車荷載作用下具有良好的動力性能。

(3)基于剛架系桿拱橋有限元模型制定試驗方案，并進行現場荷載試驗。通過靜載試驗理論計算值與實測數據分析對比，動載試驗實測值與相關規范對比，最終確定該橋在荷載作用下的實際工作性能良好。

[1] 嚴翯.拱橋在我國鐵路建設中的應用[J].四川建筑，2016，36(2):97-98.

[2] Y Li，YX Wang. Static Model Experiment Study on a Concrete-Filled Steel Tubular Arch Bridge[J].Key Engineering Materials，2015，648(2):61-71.

[3] Hani G. Melhem， Senaka Aturaliya. Bridge Condition Rating Using an Eigenvector of Priority Settings[J]. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering，1996，11(6):421-432.

[4] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京:人民交通出版社，2007.

[5] 徐勇，馬庭林，陳克堅.水柏鐵路北盤江大橋鋼管混凝土拱設計[J].中國鐵道科學，2003，24(5):34-39.

[6] 楊正斌.橋梁荷載試驗車輛自動化布載算法研究[D].重慶:重慶交通大學，2016.

[7] 金星.拱橋動測參數評價結構性能方法研究[D].重慶：重慶交通大學，2010.

[8] 冉志紅，林帆.基于實驗模態的橋梁結構動力分析理論研究[J].公路工程，2015，40(4):10-13.

[9] 王濤.鋼管混凝土拱橋靜動載試驗研究[D].西安：長安大學，2009.

[10] FU Chun-Hui.The Analysis of Dynamic Characteristics of Long-span Half-through CFST Arch Bridges[J].Northern Communications，2012，36(4):105-116.

[11] 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.

[12] 中華人民共和國交通運輸部.公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)[S].北京:人民交通出版社，1988.

[13] 中國鐵道科學研究院.高速鐵路橋梁運營性能檢定規定(試行)[S]北京：中國鐵道出版社，2014.

[14] 中華人民共和國鐵道部.TB1002.1—2005 鐵路橋涵基本設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[15] 楊永超.中承式鋼管混凝土拱橋靜動載試驗應用研究[D].天津：河北工業大學，2015.

[16] 鄭湜.聊城市趙王河橋靜動力荷載試驗方法[D].長春：吉林大學，2015.

Research on Static and Dynamic Performances of Rigid Frame Tied-arch Bridge on Four-line Railway

ZHANG Qiang, LIU De-jun, LI Xiao-zhen

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Based on a four-line railway rigid frame tied-arch bridge with main span of 160m, the paper conducts the test of static and dynamic performances of bridges on high-speed railway to understand the actual working state of loaded structure, the stress of key section and the deflection of girder. The analysis results are verified by using the finite element method and experiment. Through dynamic loading tests, the horizontal and vertical dynamic response of key section when the train passes the bridge at different speed is measured. The dynamic response index of bridge accords with the requirements of correlative specifications. The results show that all measurement indicators of the bridge meet the requirements of the relevant norms, and the bridge under the loading of the train has good static and dynamic performances with sufficient strength and rigidity

Four-line railway bridge; Rigid frame bridge; Tied-arch bridge; Static and dynamic performance test

1004-2954(2018)01-0078-06

2017-03-13；

2017-04-07

國家自然科學基金高鐵聯合基金重點項目(U1434205)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(2682016CX020)

張 強(1989—)，男，碩士研究生，E-mail：785149059@qq.com。

劉德軍(1977—)，男，講師，博士，E-mail：swjtu_ldj@163.com。

U446.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703130004