京雄城際鐵路簡(jiǎn)支大跨度鋼箱系桿拱橋靜動(dòng)力性能

楊建偉

中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京100860

鋼箱系桿拱橋由鋼箱拱、系桿、縱梁、橫梁、橋面板等組成。系桿拱橋可以充分發(fā)揮縱梁受彎和拱肋受壓的優(yōu)勢(shì)，具有跨越性能好、承載力較高、剛度較大、施工快捷等優(yōu)點(diǎn)。因此，系桿拱橋常被應(yīng)用于公路和鐵路的橋梁建設(shè)中。

文獻(xiàn)［1］對(duì)下承尼爾森體系鋼管混凝土系桿拱橋的靜力性能進(jìn)行了分析，并以一跨徑112 m的實(shí)橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)，驗(yàn)證了該類系桿拱橋在鐵路客運(yùn)專線上應(yīng)用的可行性。文獻(xiàn)［2］采用有限元法計(jì)算分析了福廈鐵路鋼箱系桿拱橋的結(jié)構(gòu)受力情況，給出了該橋的合理結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)［3］對(duì)比分析了高速鐵路中預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱、預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土系桿拱、鋼箱系桿拱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力特性，給出了三種系桿拱橋的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［4-6］對(duì)在靜力荷載作用下系桿拱橋局部受力情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明系桿拱橋的拱肋與拱腳相接處以及吊索錨固區(qū)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意。文獻(xiàn)［7］分析了施工過程中系桿拱橋的受力情況，指出系桿拱橋施工控制應(yīng)以主拱肋線形控制為主，應(yīng)力控制為輔。文獻(xiàn)［8-10］對(duì)列車荷載作用下鋼箱系桿拱橋的動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，指出按單車荷載作用下沖擊系數(shù)計(jì)算汽車荷載效應(yīng)較安全；列車荷載作用下該類橋梁最不利受力位置為邊吊桿端部與拱肋連接處和拱肋與主梁連接處。

既有文獻(xiàn)對(duì)鐵路鋼箱系桿拱橋現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力性能試驗(yàn)鮮有報(bào)道。本文以京雄城際鐵路一跨徑112.5 m的簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬分析靜動(dòng)載作用下結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和安全性。

1 工程概況

該橋?yàn)殡p線簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋（圖1），橋上線路為直線。橋梁全長(zhǎng)114.1 m，跨徑為112.5 m。設(shè)計(jì)活載為ZK活載，設(shè)計(jì)速度為250 km/h。拱軸線采用拋物線，矢跨比為1∶4.167，矢高為27 m。上下行側(cè)兩個(gè)拱肋的橫向中心距為14.78 m。全橋共計(jì)4個(gè)球形鋼支座。

圖1 簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋立面及支座布置（單位：cm）

拱腳采用寬度相等但高度變化的變截面鋼箱梁，拱肋寬度為1.60 m，高度從2.697 m線性漸變至2.500 m。其他部分拱肋采用等高截面，高2.50 m，寬1.60 m。縱梁采用箱形等高截面，寬1.60 m，高3.00 m。橋面結(jié)構(gòu)采用正交異性板，由端橫梁、主橫梁、次橫梁，U型縱肋、板肋和鋼橋面板組合而成。為保證鋼橋面板在時(shí)速250 km下列車運(yùn)行穩(wěn)定性，在鋼橋面板與軌道板之間設(shè)置厚35 cm的混凝土橋面板。混凝土板和鋼板之間采用直徑19 mm，長(zhǎng)200 mm的ML15AL剪力釘連接。

縱梁內(nèi)側(cè)豎板的鋼材為Q370qE-Z25。縱梁的上下翼緣板和外側(cè)豎板、拱肋的上下水平板和豎板、拼接板、鋼橋面板、橫撐、斜撐等的鋼材均采用Q370qE。混凝土橋面板采用C50補(bǔ)償收縮混凝土。人行道、檢查設(shè)備等附屬設(shè)施采用Q235-B.Z碳素鋼。該橋采用CRTSⅢ型板式無砟軌道和60 kg/m鋼軌。

參考的規(guī)范主要為鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱橋檢規(guī)）、TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、TG/GW 209—2014《高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢定規(guī)定（試行）》、TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》和TG/GW 275—2015《鐵路橋梁檢定評(píng)估管理辦法》。

2 靜力性能有限元計(jì)算及試驗(yàn)分析

本節(jié)首先建立該橋有限元模型，計(jì)算其靜力性能，然后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，對(duì)比分析有限元模擬結(jié)果和靜載試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 有限元模型

采用MIDAS建立跨徑112.5 m的簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋有限元模型（圖2），其中拱肋、橫撐、斜撐、橫梁、縱梁采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用只受拉桁架單元模擬，橋面板、U肋及I肋采用板單元模擬。全橋共448個(gè)節(jié)點(diǎn)，796個(gè)單元，其中桁架單元22個(gè)，板單元322個(gè)，梁?jiǎn)卧?52個(gè)。

圖2 有限元模型

2.2 靜載試驗(yàn)工況

為全面了解該簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋的受力狀態(tài)，根據(jù)其受力特點(diǎn)，對(duì)該橋縱梁和拱肋的撓度和應(yīng)力、吊桿索力、支座縱向位移以及梁端轉(zhuǎn)角進(jìn)行了靜載測(cè)試。

根據(jù)設(shè)計(jì)荷載分析結(jié)果，采用DF4機(jī)車（軸重230 kN）和N17平板車（軸重200 kN）進(jìn)行加載。根據(jù)影響線和加載效率要求，列車采用兩種編組方式。

編組A：上下行線兩列編組，每列編組均為1×DF4+3×N17。每列編組的鉤-鉤總長(zhǎng)度62.914 m，軸-軸總長(zhǎng)度58.570 m。

編組B：上下行線兩列編組，每列編組均為1×DF4+1×N17。每列編組的鉤-鉤總長(zhǎng)度35.038 m，軸-軸總長(zhǎng)度30.694 m。

靜載試驗(yàn)加載工況見表1。跨徑L為112.5 m。

表1 靜載試驗(yàn)加載工況

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

拱肋撓度和梁端轉(zhuǎn)角測(cè)點(diǎn)僅布置在上行線，其他的撓度、應(yīng)力、索力和位移測(cè)點(diǎn)均上下行線對(duì)稱布置，如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 拱肋和縱梁的撓度

靜載作用下測(cè)試截面的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比見圖4。其中，實(shí)測(cè)值為靜載試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算值為有限元模擬結(jié)果。

由圖4可知：①拱肋和縱梁撓度的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值變化規(guī)律基本一致，且各截面撓度實(shí)測(cè)值的絕對(duì)值均小于計(jì)算值的絕對(duì)值。②上下行線縱梁的撓度測(cè)試值基本一致，說明橋梁兩側(cè)剛度對(duì)稱性良好。

圖4 各工況下?lián)隙葘?shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

2.4.2 拱肋和縱梁應(yīng)力

在橋檢規(guī)中采用應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)（結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值之比）來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的安全性。縱梁和拱肋關(guān)鍵截面的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)見表2。

表2 縱梁和拱肋的關(guān)鍵截面的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)

由表2可知：不同工況下拱肋和縱梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，說明各構(gòu)件的應(yīng)力實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

2.4.3 吊桿索力

對(duì)工況2靜載作用下該系桿拱橋6#吊桿的索力進(jìn)行測(cè)試，索力增量的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比見表3。可知：上下行線的索力增量實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，最大校驗(yàn)系數(shù)為0.89。這說明該系桿拱橋吊桿工作狀態(tài)良好。

表3 6#索的索力增量實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比

2.4.4 支座位移和梁端轉(zhuǎn)角

對(duì)工況4靜載作用下該系桿拱橋活動(dòng)支座端縱向位移和2#墩處梁端轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)試，其實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比見表4、表5。可知：①工況4靜載作用下活動(dòng)支座端縱向位移實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)最大為0.67。這說明支座活動(dòng)性能良好。②梁端轉(zhuǎn)角校驗(yàn)系數(shù)為0.89，說明該梁工作狀態(tài)良好。

表4 活動(dòng)支座端縱向位移的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比

表5 梁端轉(zhuǎn)角的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比

3 動(dòng)力特性有限元計(jì)算及試驗(yàn)分析

首先采用上述MIDAS有限元模型，計(jì)算該橋的自振頻率和振型。然后在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試該橋的自振頻率和振型。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)采樣頻率為1 024 Hz。結(jié)果見表6和圖5。

圖5 簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋振型計(jì)算結(jié)果

表6 簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋的振型和自振頻率

由表6和圖5可知：簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋前5階振型的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值基本一致；前5階自振頻率實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值，兩者之比在1.05~1.18，說明結(jié)構(gòu)整體剛度滿足要求。

4 動(dòng)載試驗(yàn)分析

高速列車通過時(shí)若橋梁出現(xiàn)較大振動(dòng)會(huì)造成旅客不適，甚至危及行車安全。因此通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)列車荷載作用下該橋的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。

采用CRH2A-2010、CRH380BJ-A-0504綜合檢測(cè)列車在符合行車安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下逐級(jí)提速，測(cè)試該橋梁體跨中截面的豎向和橫向振幅、豎向加速度、應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)和橋墩橫向振幅等。在梁體跨中截面布置了豎向和橫向振幅測(cè)點(diǎn)、豎向加速度測(cè)點(diǎn)、動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，在橋墩墩頂布置了橫向振幅測(cè)點(diǎn)。采樣頻率為

10.24 kHz。

CRH2A-2010綜合檢測(cè)列車全長(zhǎng)201.4 m，頭車和中間車的車鉤中心距分別為25.7、25.0 m，轉(zhuǎn)向架中心距為17.5 m，轉(zhuǎn)向架軸距為2.5 m。列車軸重為

107.8 kN。

CRH380BJ-A-0504綜合檢測(cè)列車全長(zhǎng)200 m，車鉤中心距為25.0 m，轉(zhuǎn)向架中心距為17.5 m，轉(zhuǎn)向架軸距為2.5 m。列車軸重為128.5 kN。

兩個(gè)檢測(cè)列車動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果見圖6。可知：①跨中截面橫向和豎向振幅與行車速度的關(guān)系不明顯，即沒有出現(xiàn)共振現(xiàn)象。跨中截面橫向振幅最大值為0.061 mm，跨中截面豎向振幅最大值為0.20 mm，小于規(guī)范值0.60 mm。②跨中截面應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)最大值為1.03，小于規(guī)范值1.125。③2#墩墩頂橫向振幅最大值為0.009 mm，小于規(guī)范值0.04 mm。

圖6 兩檢測(cè)列車動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

該橋梁體L/4截面處、跨中截面處豎向振動(dòng)加速度（20 Hz低通數(shù)字濾波后）的最大值分別為0.18、0.11 m/s2，均小于規(guī)范值5.00 m/s2。

可見各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均小于規(guī)范值，且各項(xiàng)指標(biāo)與行車速度的關(guān)系不明顯，表明該橋動(dòng)力學(xué)性能滿足檢測(cè)列車以設(shè)計(jì)時(shí)速及以下速度運(yùn)行時(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

本文通過MIDAS有限元分析以及靜載試驗(yàn)、動(dòng)力特性試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)對(duì)一跨徑112.5 m的簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋受力狀態(tài)進(jìn)行了分析。結(jié)論如下：

1）靜載作用下該橋縱梁和拱肋各控制截面的應(yīng)力、撓度的實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)均與計(jì)算值相符，校驗(yàn)系數(shù)均小于1.00；靜載作用下吊桿索力增量、支座縱向位移、梁端轉(zhuǎn)角的實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值。結(jié)構(gòu)的受力和變形對(duì)稱性良好。

2）橋梁實(shí)測(cè)自振頻率及振型與計(jì)算結(jié)果吻合，且橋梁實(shí)測(cè)自振頻率大于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)整體剛度滿足要求。

3）動(dòng)載作用下橋梁各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均小于規(guī)范值，且與行車速度的關(guān)系不明顯，表明該橋動(dòng)力學(xué)性能滿足檢測(cè)列車以設(shè)計(jì)時(shí)速及以下速度運(yùn)行時(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋可應(yīng)用于我國(guó)城際鐵路。