雁荡山2×90 m钢箱叠合拱动力性能分析

金中凡

(湖北城市建设职业技术学院,湖北武汉 430063)

1 概况

甬台温铁路为双线电气化铁路,客货共线，旅客列车运行时速250 km,货物列车最高时速120 km。雁荡山特大桥是甬台温铁路重点工程之一,主桥斜跨甬台温高速公路,受线路高程控制,要求主桥结构建筑高度小。桥式采用2-90 m下承式叠合无推力拱,钢箱梁、钢箱拱、三拱叠合结构，结构新颖、造型美观。该桥式结构不仅可采用较低的梁高,降低了整体工程造价,而且结构具有较好的刚度条件。施工时先顶推就位,再利用桥面拼装拱肋,施工简便，对高速公路运营干扰小。

主桥立面布置如图1所示。

图1 主桥立面布置(单位：cm)

2 结构设计

2.1 上部结构

主桥2-90 m连续下承式叠合拱桥,计算跨径2×90 m,全长184 m。两主拱之间采用辅助拱肋联结,辅助拱肋总长102 m,与主拱轴线几近相切,以保证传力的顺畅。钢箱梁采用单箱多室等高度箱形截面,顶宽14.80 m,底宽12.60 m,顶板横向倾斜形成2%的双向横坡,最大梁高为2.20 m。

主拱采用两榀平行钢箱拱肋,拱脚与钢箱梁固结,两榀拱肋横向中心距11.2 m,设计矢高f=18.00 m,矢跨比f/L=1∶5,拱轴线采用二次抛物线。主拱肋采用等高度箱形截面,箱高2.80 m,箱宽1.20 m。在两孔钢箱主拱间设置钢箱辅助拱,辅助拱采用两榀平行钢箱拱肋,拱脚固结在主拱拱顶,拱顶纵向断开横向固结,同时在辅拱顶与主拱之间设置斜腿支撑,用以改善辅拱受力状况及全桥景观。

主梁横截面如图2所示。

图2 主梁横截面(单位：mm)

2.2 下部结构

本桥中墩位于高速公路两幅车道中间。受公路限界控制,主墩顶帽采用SRC混凝土顶帽,主墩墩身采用钢筋混凝土结构,基础采用15φ1.5 m钻孔桩；边墩采用钢筋混凝土结构,基础采用12φ1.25 m钻孔桩。

3 动力测试目的及检测内容

试验货物列车采用25 t轴重C80系列货车、23 t轴重C70(H)系列货车,空重混编,试验动车采用CRH2-010A综合检测车。

3.1 测试目的

通过测试桥梁自振特性和试验货物列车、CRH2-010A综合检测车以各种速度通过桥梁时的动力响应,与空间振动分析模型计算结果对比,分析理论计算与实测差距,据此判断结构在动载作用下的工作状态,判断桥梁是否具有足够的竖向和横向刚度,分析、评价试验货物列车和CRH2-010A综合检测车通过桥梁时的安全性。主要内容包括自振频率、竖向挠跨比动挠度、竖横向振幅、强振频率、竖向振动加速度等。

3.2 评判标准

评判标准采用《新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定》(以下简称“250暂规”),《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》(以下简称“200暂规”)和《铁路桥梁检定规范》(以下简称“检规”)。

3.3 检测内容

(1)梁体竖向振动(含振幅、强振频率、自振频率、阻尼比)。

(2)梁体横向振动(含振幅、强振频率、自振频率、阻尼比)。

(3)梁体控制截面的动应变及动力系数。

(4)梁体控制截面动挠度及动力系数。

(5)梁端竖向转角。

(6)桥面竖向振动加速度。

(7)桥墩横向振动(含振幅、强振频率、自振频率)。

(8)列车速度和位置等。

3.4 测点布置

根据检测目的,检测点应能反映桥梁的主要受力性能,测点布置如表1。

表1 主桥测点布置

3.5 试验速度

通过桥梁时的试验速度：货物列车为79.4～119.4 km/h,CRH2-010A综合检测车为180.0～251.2 km/h。

4 动力测试结果及分析

4.1 自振频率及振动阻尼比

“250暂规”规定简支梁竖向自振频率(Hz)不应小于n0

实测及计算自振频率见表2,两者结果基本一致,都大于“250暂规”容许值。横向及竖向振动阻尼比均与国内外原型桥梁试验结果吻合。

4.2 跨中竖向挠跨比和挠度动力系数

跨中竖向挠跨比按“250暂规”控制,规定梁体在ZK活载静力作用下的竖向挠度(扣除支座竖向位移)不应大于表3所列数值。

表2 自振频率及振动阻尼比

表3 梁体的竖向挠度限值

试验货物列车、CRH2-010A综合检测车以5 km/h准静态通过时,实测挠度推算试验货物列车、CRH2-010A综合检测车双线加载时跨中最大挠度,换算至中-活载的跨中竖向挠跨比见表4。设计值与实测值基本接近,都远大于“250暂规”容许值。

表4 中-活载挠跨比

在试验货物列车、CRH2-010A综合检测车作用下,实测挠度动力系数与运营动力系数的关系见图3、图4。可以看出,实测CRH2-010A综合检测车作用下动力系数均小于运营动力系数,试验货物列车作用下有部分超出运营动力系数的现象。

图3 1/4跨实测与运营动力系数关系

图4 跨中实测与运营动力系数关系

根据“200暂规”,货物列车设计动力系数按下式计算：1+μ=1+(28/(40+L)),L为计算跨度。本桥货物列车设计动力系数1+μ=1.215。试验货物列车作用下,实际运营列车的动力系数虽然部分超出运营动力系数,但仍小于设计动力系数,结构是安全的。

4.3 梁端转角

测试列车以5 km/h速度通过桥梁时的梁端竖向转角,换算至中-活载下的梁端竖向转角,以评定是否满足梁端转角限值的要求,试验货物列车、CRH2-010A综合检测车准静态双线加载时按梁端竖向转角按暂规不应大于2‰控制。实测值小于设计值,都满足暂规要求。

4.4 墩顶及跨中振幅

实测试验货物列车、CRH2-010A综合检测车作用下,梁体跨中横向及竖向振幅见表5,远小于《铁路桥梁检定规范》(以下简称“简规”)振幅通常值的要求。

表5 墩顶及跨中振幅汇总 mm

注：括号内为行车速度(km/h)。

在试验车速范围内,主桥梁体横向均未发生共振现象；在235～250 km/h的速度下主桥出现竖向共振现象,但由于动车组质量较小、编组较短,激励能量有限,因此实测桥梁竖向振幅仍然很小。其他测点均未发生共振现象。

在试验车速范围内,墩顶均未发生共振现象。

4.5 梁体应变及动力系数

图5 实测与运营动力系数关系

在试验货物列车、CRH2-010A综合检测车作用下实测应变动力系数与运营动力系数的关系见图5。从关系图中可以看出,实测动力系数小于运营动力系数。

试验货物列车、CRH2-010A综合检测车作用下的竖向动力作用与设计荷载的竖向动力作用比较见表6,实测竖向动力作用全部小于设计荷载的竖向动力作用。

表6 竖向动力作用作用比较

注：括号内为行车速度km/h。

4.6 梁体振动加速度

梁体竖向振动加速度汇总见表7,在试验货物列车、CRH2-010A综合检测车作用下,实测梁体跨中最大竖向加速度(20 Hz低通数字滤波后)均满足“暂规”3.50 m/s2的要求。

表7 梁体竖向加速度汇总 m/s2

5 结论

实桥动态检测试验表明,雁荡山特大桥2-90 m叠合拱铁路桥梁横、竖向刚度较大,动力性能较好,能够满足120 km/h试验货物列车、250 km/h CRH2-010A综合检测车运行安全性和平稳性的要求,目前该桥已正式投入运营。

通过对本桥动态检测试验和理论计算的结果对比分析,较为全面地分析了主桥结构动力性能参数两者的差异性,对提高客运专线桥梁结构设计技术有重要意义。另一方面,通过对比可知,实际测试结果与设计理论、设计暂规之间存在一定差异,说明我国客运专线的设计标准还需要进一步通过运营实践来检验。

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