鐵路混合梁斜拉橋動靜載荷載試驗研究

胡曉東，魏博豪，王 炎，陳 勇

（1.中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230041；2.浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310000；3.上海市建筑科學研究院有限公司，上海市 200032）

0 引 言

甬江鐵路斜拉橋屬于寧波鐵路樞紐貨運列車外環線的控制性工程，是國內首座大跨度鐵路混合梁斜拉橋。該橋設置為雙線Ⅰ級電氣化鐵路，設計荷載選用中—活載，貨車最高運行時速為120 km/h。甬江鐵路斜拉橋主橋為鐵路鋼-混混合梁斜拉橋，梁體全長為909.1 m，邊跨為4跨混凝土箱梁，孔跨按照（53+50+50+66）m布置，主跨為468 m鋼箱混合梁。甬江橋承受荷載大，結構設計復雜，施工難度較大。在主梁設計及施工過程中，缺乏可供參考的工程案例和數據資料。為確保成橋效果，眾多學者圍繞該橋展開進行了許多研究工作[1-4]。

對于大跨度的混合梁斜拉橋，以往研究工作大多依據理論分析和模型試驗展開。但事實上，由于此類橋梁橋體結構受力復雜，施工技術含量高，需利用有限元軟件模擬各施工階段，根據理論數據制定動靜載試驗方案，對主橋進行動靜載試驗，以此來評估橋梁在試驗荷載作用下的工作狀態，檢驗其是否符合國家標準和設計要求，為其他橋梁工程提供參考。

本文以甬江鐵路斜拉橋為例，介紹了基于MIDAS/CIVIL有限元模型，依照試驗方案在各種設定工況下開展動靜載的試驗，總結歸納了此類大跨度鐵路斜拉橋動靜載試驗的經驗。

1 甬江橋整體有限元分析

為確保測試結果能更真實的反映所測橋體結構的實際受力狀況以及承載力，如何在超大尺寸的橋體上恰當的做出選擇，就需要依靠有限元分析軟件來實現[5-7]。

1.1 有限元模型的建立

采用MIDAS/CIVIL對主橋梁體、斜拉索、橋塔、橋墩及承臺等結構進行模擬，全橋共計999個單元。邊界條件設置時，邊跨縱梁在P1#—P4#、P7#—P10#墩處設置豎向支承，主梁與橋塔間橫系梁間采用彈性連接，橋梁結構為半飄浮體系。橋墩與基礎采用固結方式。整橋有限元模型如圖1所示。

1.2 有限元模型靜力分析結果

基于設計資料，在有限元模型中對各施工階段進行模擬，得到控制截面的彎矩影響線，如圖2、圖3所示，以及設計活載彎矩及位移包絡圖，如圖4、圖5所示。

圖3 主跨鋼混結合段截面彎矩影響線

圖4 主梁設計活載彎矩包絡圖（單位：kN·m）

圖5 主梁設計活載位移包絡圖（單位：m）

1.3 有限元模型自振分析結果

對主橋進行動力特性分析，得到自振特性分析結果，如表1所示，部分振型曲線如圖6、圖7所示。

表1 主橋自振特性分析結果

圖6 主梁一階豎彎振型圖（f=0.436 Hz）

圖7 主梁二階豎彎振型圖（f=0.553 Hz）

1.4 試驗工況選取

結合橋梁的實際情況和有限元分析結果，選取若干截面作為試驗控制截面，各截面布置如下圖8、圖9所示。

圖8 試驗截面洪塘岸半跨布置圖（單位：m）

圖9 試驗截面云龍岸半跨布置圖（單位：m）

2 試驗方案

2.1 試驗目的

通過靜載試驗，檢驗橋梁結構實際性能是否達到設計要求；判定橋梁能否保證貨運列車安全運行；檢驗并判斷橋梁是否滿足設計及運輸要求，為橋梁交工驗收、提供技術依據。

2.2 初始狀態測試

正式試驗前，需根據施工坐標控制網對橋面布置的各測點進行高程測量。測點應沿橫橋向對稱布置。此外，還需對橋塔三維線形以及所有斜拉索索力進行測試。

2.3 靜載試驗

基于計算結果，確定靜載試驗內容如下：

（1）A-A～N-N工況下，對各加載試驗截面進行應力測試；

（2）A-A～C-C、O-O工況下，選擇其中索力最大的3對斜拉索進行索力增量測試；選擇主跨中加載車輛最多的工況，利用索力健康監測系統對主跨索力進行全測；

（3）橋塔塔頂縱向水平偏位測試；

（4）主跨箱梁八分點豎向撓度測試，其它試驗跨箱梁四分點豎向撓度測試；

（5）支座、阻尼器位移測試；

（6）箱梁縱向位移及梁端轉角測試；

在進行測點布置時，應有針對性的進行應力測點、撓度測點、位移測點、轉角測點以及索力測點的布置。以梁體加載截面靜應力測點為例，在A-A～E-E工況、G-G～N-N工況試驗截面中，單個混凝土截面布置17個靜應力測點，單個鋼箱梁截面布置20個靜應力測點。梁體試驗截面具體測點布置見圖10、圖11。

圖10 混凝土梁試驗截面靜應力測點布置圖（單位：cm）

圖11 鋼箱梁試驗截面靜應力測點布置圖（單位：cm）

靜載試驗荷載[8]用列車充當（機車為DF4型，車輛為C70貨車）。每一個檢驗項目所需列車重量及編組，應根據設計控制荷載產生的最不利效應值按下式等效換算得到：

式中：η為靜力試驗荷載效率；Sst為試驗荷載作用下檢驗項目計算效應值（某檢驗特定位置的變形、內力或應力值）；S為設計標準荷載作用下的計算效應值（不計動力系數）；δ為動力系數。

靜載試驗荷載應該根據靜載試驗加載項目，對列車進行相應解編，來滿足各工況中最不利的加載情況。甬江橋各試驗工況的荷載效率系數介于0.75～0.88之間。

2.4 動載試驗

基于計算結果，選取B-B、D-D、E-E、G-G、I-I截面來進行動載試驗，具體試驗內容如下：

（1）脈動試驗

測定橋跨結構的振型、臨界阻尼比和固有模態頻率。

（2）制動試驗

測定在車輛制動荷載作用下橋跨結構的動態響應，制動速度為40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h。

（3）行車試驗

測定橋跨結構在行車荷載作用下的動態響應，行車速度包括：5（標定車速試驗）、40 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h。

在進行測點布置時，應有針對性的對動撓度測點、動應變測點、加速度測點、橫向和豎向振幅測點以及主梁振型測點進行布置。以動撓度測點為例，應在主跨跨中截面（B-B）橫向布置1個測點，具體測點布置見圖12。

圖12 動撓度測點橫向布置圖（單位：cm）

主橋行車試驗采用貨車單向行車。制動試驗和行車試驗單列貨車由2DF4D+20C70（重車）+20C70（空車）編組組成。動載試驗包括行車試驗和制動試驗，先進行行車試驗，然后進行制動試驗。

3 試驗結果分析及比較

3.1 初始狀態線形測試結果分析

篇幅有限，表2、表3列出了部分試驗數據以及計算結果?；趯崪y結果可知，各測試部位的橋面初始高程、偏位、橋塔初始線形、恒載索力值均與設計值符合較好。

表2 洪塘岸實測索力值與設計索力值對比

表3 洪塘岸索塔初始線形檢測結果

3.2 靜力試驗結果分析

基于試驗結果，得出各試驗截面的撓度、應力、塔頂水平偏位、阻尼器位移、梁端轉角、支座位移以及索力的實測值與計算值較符合。表4、表5列出了部分試驗數據以及計算結果。

圖13 洪塘岸索塔實測線形與設計線形對比圖

表4 部分滿載加載試驗撓度實測值與計算值比較

表5 部分試驗截面應力實測值與計算值比較

3.3 動載試驗結果分析

表6、表7為部分根據測試部位的實測加速度時程曲線分析得到的對應加速度測試結果。由測試結果可以看出：甬江橋的主跨跨中處橋面橫、豎向加速度分別介于0.10~1.10 m/s2和0.34~1.11 m/s2之間；橋塔處的橋面橫、豎向加速度分別介于0.03~0.32 m/s2和0.12~0.95 m/s2之間；P6#墩的墩頂橫、縱向加速度分別介于0.01~0.15 m/s2和0.01~0.09 m/s2之間。

表6 部分試驗截面行車實測振動加速度 單位：m/s 2

表7 部分試驗截面制動實測振動加速度 單位：m/s 2

根據《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》[9]（鐵建設函[2003]205號）第5.3.2條規定：“道砟橋面強震頻率不大于20 Hz的豎向振動加速度a≤0.35g”。橋跨結構實測豎向加速度最大值發生在行車速度為80 km/h時的主跨跨中處，其值為1.11 m/s2，小于規定，表明橋跨結構的豎向動力性能良好。根據《鐵路橋梁檢定規范》[10]10.0.5條第2項規定：“橋跨結構在荷載平面的橫向振動加速度a不應超過1.4 m/s2”。橋跨結構實測橫向加速度最大值發生在制動速度為70 km/h時的主跨跨中處，其值為1.10 m/s2，小于規定，表明橋跨結構的橫向動力性能良好。

表8~表11為根據脫軌系數和減載率實測時程曲線圖得到的橋跨結構脫軌系數及減載率測試結果。

表8 甬江特大橋行車脫軌系數實測值

表11 甬江特大橋制動減載率實測值

表9 甬江特大橋制動脫軌系數實測值

表10 甬江特大橋行車減載率實測值

分析測試結果可得：橋跨結構的行車減載率介于0.08~0.39，制動減載率介于0.03~0.16；行車脫軌系數介于0.24~0.55，制動脫軌系數介于0.07~0.27。

根據規范《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》[11]（GB 5599—85）第3.3.3.1條規定，減載率的限值為0.60。行車速度為80 km/h時，橋跨結構的最大減載率為0.39，小于規定值，滿足要求。根據規范《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》[12]（TB/T 2360—93）第2.2.2.1條規定，當最大脫軌系數小于等于0.6時，評定等級為優良。行車速度為80 km/h時，橋跨結構的最大脫軌系數為0.55，小于規定值，等級為優良。

4 結論

（1）甬江橋的橋面初始高程、恒載索力、橋塔初始線形與設計值符合較好。

（2）甬江橋的主橋橋跨結構具有足夠的強度和剛度，滿足設計荷載，即雙線“中—活載”的要求。

（3）甬江橋的設計以及施工質量良好。橋跨結構的橫向振幅、脫軌系數以及加速度等均滿足規范要求。