大准线黄河特大桥(96+132+96)m钢桁梁检定试验研究

兰晓峰，刘鹏辉，周 政

(1.神华准格尔能源有限责任公司，准格尔 内蒙古 010300;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

1 概述

大准线(大同—准格尔)于1992年12月开通运营，2006年7月开行了C80的万t列车，最高列车速度80 km/h。黄河特大桥主跨为(96+132+96)m连续柔性拱式钢桁梁，是我国修建的第一座无竖杆三角形钢桁梁桥，设计活载为中-活载。边跨为96 m下承式无竖杆刚性桁架、中跨为刚性桁梁柔性拱结构，主桁节间距12 m，两片主桁中心距7 m，桁高12 m，拱矢高22 m。钢梁材料采用16 Mnq；采用盆式橡胶支座。9#,11#墩为空心墩，10#墩为实心墩、制动墩，基础均为扩大基础，地基土为白云岩层。9#,10#,11#墩高分别为55.28,59.27,56.80 m，墩全高为57.28,61.27,58.8 m，墩身横向平均宽度均为8 m。按照铁总科技[2014]172号《铁路技术管理规程》的规定，1993年、2002年、2011年分别对大准线黄河特大桥进行了桥梁检定试验，包括静载试验、动载试验和模态试验。检定评估方案的制定、检测方法等的依据是铁运函[2004]120号《铁路桥梁检定规范》(以下简称《桥检规》)。

2 试验内容

2.1 静载试验

本次试验测试了4个加载轮位下关键杆件的静应变和边跨、中跨跨中的静挠度。每个轮位重复加载3次。①轮位Ⅰ，中跨满载，列车编组为DF10D+9辆C80重车+1辆C70重车，DF10D机车第1轴在E16节点。②轮位Ⅱ，左边跨(大同侧)满载，列车编组为DF10D+6辆C80重车+1辆C70重车，DF10D机车第1轴在E0节点。③轮位Ⅲ，右边跨(准格尔侧)满载，列车编组为DF10D+6辆C80重车+1辆C70重车，DF10D机车第1轴在E16′节点。④轮位Ⅳ，中跨半跨加载，列车编组为DF10D+3辆C80重车+1辆C70重车，DF10D机车第1轴在E16节点。轮位加载见图1。

图1 轮位加载及杆件示意图

主杆件内力测点选在各加载轮位下受力较大的、复杂的下弦杆和拱脚处斜杆；按左右边跨对称布置测点以判别荷载作用下结构的对称性；在上下游主梁同时布置测点，以检测2片主梁受力的均匀性。测点位于上下游侧边跨和中跨跨中下弦杆、中跨L/4(L为跨度)处下弦杆、两侧拱脚斜杆处。

2.2 动载试验

测试大准线上下行运营货列通过桥梁时的动力响应，通过桥梁速度级分别为50,60,70,80 km/h，每个速度级试验车次不少于3趟。测试内容：①应变测点选取上游侧主桁杆件，包括边跨中、中跨中的下弦杆、纵梁、横梁、斜杆;②第10#,11#墩上游侧盆式橡胶支座横向、竖向、纵向动位移;③中跨L/4、跨中、3L/4和边跨L/4、跨中处下弦杆竖向振幅;④中跨跨中、3L/4、端部横梁和边跨跨中处下弦杆横向振幅;⑤9#,10#,11#墩顶横向振幅;⑥端横梁动挠度。

2.3 模态试验

梁体自振频率是反映桥梁动力特性的基本参数，梁体自振频率过低可能导致列车通过时产生过大振动或共振。桥梁自振特性可以采用脉动法(大地微振动法)和自振衰减法进行识别，桥梁脉动试验通过记录并分析桥跨结构在环境激振下的脉动信号以得出桥跨结构的自振特性。脉动法测试时间一般不少于20 min。大跨度测试断面多，可分断面记录，但每次应保证有一个参考点不动。

3 试验数据分析

3.1 实测主桁杆件内力和挠度结构校验系数

4个加载轮位下挠度实测值、计算值和结构校验系数[1]见表1。

表1 挠度实测值、计算值和结构校验系数

从表1可以看出：

1)实测内力和挠度值与理论计算值较为接近，表明理论计算较为准确。

2)该桥跨实测杆件内力的结构校验系数均超过了《桥检规》中根据简支钢桁梁实测值综合分析和推理得到的结构校验系数通常值。由于本次试验桥跨是三跨连续钢桁梁桥，可见《桥检规》的结构校验系数通常值有一定的局限性。由于《桥检规》的理论计算是平面铰接模型，这种模型计算误差较大，本次计算采用空间刚接模型。跨度分别为48,64,80 m下承简支钢桁梁主杆件构造系数(平面铰接模型计算内力/空间刚接模型计算内力)均超过了1.00。反映桥跨结构整体竖向刚度的挠度值，其结构校验系数较杆件内力的校验系数值低一些，这体现出该桥中跨加设系杆拱型的结构加大了全桥整体竖向刚度，从而使结构的校验系数基本上<1，接近《桥检规》的要求。

3)对比2011年试验[2]和1993年[3]、2002年[4-5]试验得到的杆件内力和结构校验系数，可以看出3次试验数据规律和大小基本一致。这说明黄河特大桥钢桁梁现在的静力技术状态与成桥时相比变化较小，状态稳定。

3.2 2片主桁受力的均匀性

在上游和下游2片主桁对称布置测点，同时进行测试。从实测内力分析可知实测2片主桁对称杆件轴力值相差较小，可认为2片主桁受力较为均匀。

3.3 主桁杆件换算内力及挠跨比

表2给出通过实际测得的杆件内力和挠度值换算得到的设计荷载中-活载作用下的内力和挠度。可知：在中-活载作用下应力最大的杆件为A17～E18，其轴向应力为89.05 MPa;在中-活载作用下边跨中的挠度大于中跨中的挠度，分别为75.33，63.76 mm，计算得各自的挠跨比为1/1 274 和1/2 071，与2002年实测挠跨比吻合良好，同时满足设计挠跨比1/1 115 和1/2 020 的要求。

表2 实测挠度换算到中-活载的挠跨比

3.4 主力作用下主要杆件的应力值

桥梁结构主要承受中-活载和恒载作用，其最终应力是二者作用下应力的组合[6]。各主要杆件的最终受力见表3。桥墩上的桥跨是桁架梁与系杆结构相接点，受力比较复杂[7]。根据计算和实测数据分析可得本桥跨受力最大的杆件是10#墩上的右斜杆A17～E18，最终应力为144.61 MPa，小于设计图纸给出的本杆件基本允许应力[σ]=200 MPa。其余桥跨杆件应力在100 MPa左右，由此可认为该桥设计具有足够的安全储备。

表3 桥跨结构主要杆件的最终应力值

4 动载下杆件动应变数据分析

动应变试验测点选取上游侧主桁，测点位置在跨中的下弦杆、横梁、纵梁和拱脚斜杆处，共计11个动应变测点。实测黄河特大桥各处下弦杆、斜杆、横梁、纵梁动应变最大动力系数见表4，各处杆件实测动力系数均小于设计动力系数。从整体趋势看，应变动力系数随行车速度提高而缓慢增大；运营货列重车作用下动力系数大于空车。

表4 黄河特大桥动应变最大动力系数

5 动载下动位移数据分析

实测黄河特大桥准格尔旗侧端横梁竖向动位移见表5，实测端横梁竖向挠度最大值为2.01 mm，小于日本《铁路结构物设计标准及解说》关于钢桥、结合梁桥端横梁规定的限度值4 mm。运营货列空车、重车作用下，端横梁挠度动力系数分别为1.22,1.27，小于该端横梁设计动力系数1.54。动力系数随行车速度的提高而缓慢增大，运营货列重车作用下动力系数大于空车。

表5 运营货列作用下黄河特大桥端横梁动位移及动力系数

6 主桁杆件、墩顶横向振幅数据分析

6.1 主桁杆件横向振幅数据分析

主桁杆件横向振幅测试选取上游侧下弦杆，测点位置在边跨中、拱脚处、中跨3L/4处、中跨跨中处，共4个测点。实测黄河特大桥下弦杆横向振幅见表6。货列重车作用下横向振幅大于空车；虽然C62,C64,C70满载质量小于C80货车，但产生的振动响应反而较大，与该类货车转向架自身状况关系密切。

表6 下弦杆横向振幅 mm

6.2 墩顶横向振幅数据分析

运营货列空车、重车作用下，实测墩顶横向振幅见表7。实测9#,10#,11#桥墩墩顶横向振幅均在《桥检规》通常值范围内。从整体趋势上看，运营货列作用下墩顶横向振幅与行车速度关系不明显，货列重车作用下墩顶横向振幅大于空车。

表7 墩顶横向振幅 mm

6.3 主桁杆件竖向振幅数据分析

杆件竖向振幅测试主要选取下弦杆，测点位于中跨L/4(上游侧)、中跨跨中(上下游侧)、中跨3L/4(上下游侧)、准格尔旗侧边跨L/4(上游侧)、准格尔旗侧边跨跨中(上下游侧)，共8个测点。运营货列作用下，实测黄河特大桥各处下弦杆竖向振幅最大值见表8。

表8 下弦杆竖向振幅最大值 mm

图2 边跨、中跨跨中处下弦杆竖向振幅与行车速度的关系

实测各处下弦杆竖向振幅与行车速度关系见图2。从整体趋势上看，货列重车作用下梁体跨中竖向振幅大于空车；运营空车作用下杆件竖向振幅大小与速度关系不明显；运营重车作用下，在列车速度低于65 km/h时，C62+C64+C70和C80编组区别不明显，当列车速度高于65 km/h时，C80编组货列产生的竖向振幅随行车速度提高呈线性增大，在车速73 km/h 时出现峰值。

7 黄河特大桥模态测试分析

桥梁结构固有模态参数的测定主要是为了获取桥梁结构的自振频率、阻尼比和振型，桥梁固有模态参数能反映桥梁结构的整体性能和技术状况[8]。桥梁的自振频率和阻尼比采用脉动法进行测试。

表9中给出2011年试验与1993年成桥时对该桥主梁自振频率测试结果的对比。可见，主梁横向1阶自振频率为0.94 Hz，竖向1阶自振频率为2.55 Hz。与1993年测试结果相比主梁自振频率变化较小，说明黄河特大桥经过20年的运营，桥梁整体性能和技术状态与成桥时相比变化较小。黄河特大桥132 m中跨横向振动阻尼比为0.63%(余振法)，竖向振动阻尼比为0.85%(余振法)，与国内外原型桥梁试验结果吻合[9]。

表9 黄河特大桥模态及主梁自振频率试验结果

梁体横向1阶频率为0.94 Hz，该阶振型以梁体中跨弯扭为主，中跨中、中跨3L/4横向同相位，中跨中上游、下游侧竖向相位相反。桥墩横向在该频率成分上明显小于跨中。

实测梁部一阶横向自振频率在《桥检规》钢梁通常值0.68 Hz的范围内(跨度按照132 m计)。对于连续梁和连续刚构全桥整体横向自振周期的限值，可参考文献[10]的规定：第一自振周期应满足T1≤0.011Ls，且T1≤1.7 s，其中L为连续梁或连续刚构的主跨长度。黄河特大桥主跨132 m，按上述规定全桥横向自振频率不小于0.69 Hz。实测横向自振频率0.94 Hz大于该值。

梁体竖向1阶频率2.55 Hz，该阶振型以梁体主跨竖向对称弯曲为主。中跨跨中上下游竖向幅值相近，相位相同；中跨3L/4处上下游竖向幅值相近，相位相同；中跨跨中、中跨3L/4竖向相位相同；中跨跨中处竖向与边跨跨中处竖向相位相反。

8 结论

1)对比2011年试验和1993年、2002年试验得到的杆件内力和挠度的结构校验系数，可以看出3次试验数据规律和大小基本一致。这说明黄河特大桥钢桁梁的技术状态与成桥时相比变化较小。在中-活载作用下杆件应力小于设计给出的基本允许应力，可认为该桥设计具有足够的安全储备。挠跨比与往年吻合良好，满足设计要求。

2)在运营货列作用下，C80编组货列重车在车速73 km/h 时出现峰值，梁体竖向振幅最大值为4.46 mm。鉴于采用25 t轴重的C80重车对黄河特大桥主桥的竖向静荷载已接近中-活载，运营中C80应严格按照额定载重均匀装载，严禁超载，并加强对黄河特大桥的长期观测和线路养护维修。

3)实测主梁自振频率与往年测试数据相比变化较小，说明黄河特大桥经过20年的运营，桥梁整体性能和技术状态与成桥时相比变化较小。

[1]邓蓉.铁路钢桁梁桥结构校验系数研究[J].铁道建筑，2017,57(5):1-6.

[2]杨宜谦，刘鹏辉，孟鑫，等.大准铁路2011年桥梁检定试验报告[R].北京：中国铁道科学研究院，2011.

[3]李志锋，杨永英.大准线黄河大桥悬拼过程中的静力和动力分析[J].山西交通科技,1996(6):30-32.

[4]兰晓峰，杨宜谦，柯在田，等.大准铁路黄河特大桥钢桁梁静载试验[J].铁道建筑,2004,44(2):23-24.

[5]杨宜谦，柯在田，白玲，等.大准铁路黄河特大桥钢桁梁静载试验[J].实验力学,2005,20(1):139-144.

[6]YANG Y B,YAU J D,WU Y S.Vehicle-Bridge Interaction Dynamics with Applications to High-Speed Railways[M].Singapore:World Scientific Publishing Co. Pte Ltd.,2004.

[7]王克海，李耀，吉开茂，等.大准线黄河大桥钢梁架设及拱部合拢[J].桥梁建设,1994,24(2):28-30.

[8]伯野元彦.土木工程振动手册[M].北京:中国铁道出版社,1992.

[9]FRYBA L.铁路桥梁动力学[M].北京:科学出版社,2007.

[10]中华人民共和国铁道部.铁建鉴[1992]93号 关于南昆线四座大桥横向刚度的补充技术要求[S].北京：中华人民共和国铁道部,1992.