重载条件下单双线钢桁梁桥静动力性能对比试验研究

柳墩利

(国家铁路局工程质量监督中心，北京 100891)

客运高速和货运重载是我国铁路发展的主要方向。提高货车车辆轴重、增加车辆编组是发展重载运输的主要模式。轴重和运量的增加会对既有铁路桥梁的刚度、强度、稳定性等产生不利影响，导致病害增加，疲劳加剧，使用寿命缩短，需采取相应的对策。跨度64 m下承式简支钢桁梁是我国既有铁路桥梁中的一种结构形式，在单线桥和双线桥上都使用过。对于跨度相同的单双线钢桁梁桥，相同荷载作用下的静动力性能指标表现会有所不同。

有关重载运输对桥涵结构的影响以及大跨度钢桁梁桥性能试验问题，研究成果较多。文献[1]针对朔黄铁路常见桥涵结构，完成了30 t轴重下的桥涵试验检测分析、强化改造和加固技术研究；文献[2]以跨度32 m预应力混凝土T梁为对象，通过模型试验研究了在大轴重重载运输条件下铁路桥梁的疲劳性能；文献[3]针对朔黄铁路3种不同类型钢桁梁桥，完成了重载条件下的力学行为分析和试验研究；文献[4]在重载列车过桥时简支桥梁的垂向动力方面进行了深入研究；文献[5-6]针对重载条件下的钢桁梁桥，开展了相关动力分析、疲劳分析和现场试验研究；文献[7-11]针对高铁和普通铁路中存在的单线或双线钢桁梁桥，开展了相关理论分析和现场荷载试验研究，并完成了相应的桥梁技术状况评定。既有研究成果主要集中在重载对中小跨度混凝土桥的影响和普通荷载下的钢桁梁桥动力响应分析方面，而有关重载运输对大跨度钢桁梁桥的静动力性能试验研究较少或不够深入。

本文以某重载铁路2座跨度64 m单双线简支钢桁梁桥为研究对象，在完成重载对桥梁结构影响的静力分析基础上，开展现场静动力性能试验，对比分析单双线钢桁梁桥的受力特点，为钢桁梁桥在重载条件下的改造加固提供依据。

1 工程概况

双线桥跨越京港澳高速公路，单线桥跨越京杭大运河，且上下行分开布置。单双线钢桁梁桥桥面系均为纵横梁结构，桥梁全长65.24 m，计算跨度64 m，主桁高均为11.0 m。单双线桥主桁中心距分别为6.204 m和9.732 m，上下弦杆均采用H形截面，相同位置处单线桥杆件截面尺寸约为双线桥的70%。单双线桥均采用滚轴支座，圆端形板式桥墩，单双线桥墩尺寸分别为7.4 m×3.0 m和11.0 m×2.0 m，高度分别为13.95 m和9.33 m，采用承台钻孔桩基础，桩长33 m，每个承台下设12根桩基，直径1.0 m，设计荷载为中活载。

目前重载铁路上主要运行C64(21 t轴重)、C70(23 t轴重)、C80(25 t轴重)敞车，少量开行KM98(30 t轴重)漏斗车，牵引质量采用5 000，1万，2万t等多种编组形式，以韶山号机车和和谐号机车为主。日通行列车超过100趟，年运量超过2亿t，2016年计划运量2.8亿t。由于单双线钢桁梁桥跨度、结构形式、杆件类型、桥门架形式均相同，主桁高度也一致，因此双线桥具有更大的桥宽、更大的弦杆和纵横梁尺寸，相应地就有更大的自重、横向和竖向刚度。相比之下单线钢桁梁桥结构杆件尺寸较小，对应桥梁自重较轻。

2 静力性能分析

在静力性能分析之前，需要准确了解车辆荷载的基本参数，表1中列出了目前正在运营的车辆类型及其主要参数。

表1 车辆类型及主要参数

车辆类型从C64K到KM98，轴重从21 t增加到30 t，单轴重增加约40%，对于跨度64 m简支钢桁梁而言，列车每米载重大小是影响桥梁整体受力的主要因素。对比运营荷载和设计荷载可知，C64和C70敞车每米载重远小于中活载标准，而C80敞车和KM98漏斗车每米载重则已经超过中活载标准，从静力学角度研究重载条件下钢桁梁桥的适用性，可以从活载储备量方面进行计算分析。

活载储备量是考虑现有运行荷载效应和设计荷载效应的参数，活载储备量＝1-运营荷载弯矩(剪力)效应/设计荷载弯矩(剪力)效应，计算时采用MIDAS/Civil建模，结构尺寸按照设计图纸确定。模型中桁架采用杆单元，纵横梁采用梁单元，节点按照刚节点考虑。活载储备量计算结果见表2，计算时仅考虑车厢作用，未考虑机车对结构的影响，考虑动力系数的影响。

表2 活载储备量计算结果 %

由表2可知，随着列车轴重提高，钢桁梁各主要构件的活载储备量降低。KM98列车作用下，跨中弯矩和杆件应力活载储备量均在10%以下，活载储备量较小，与文献[1]的结果比较接近。比较钢桁梁结构不同部位主要受力杆件，相同荷载作用下斜杆的活载储备量最小，它是重载运输的最薄弱环节。因此，当铁路干线提高列车荷载等级时，应以钢桁梁结构的斜杆应力为主要控制因素。

3 静载对比试验

根据理论计算结果，依据受力和变形最大原则确定测点位置。因单双线桥结构形式基本相同，在2种桥梁结构的相同位置布置测点(见图1)，以便对测试数据进行对比分析。全桥共布置应变测点64个，挠度测点6个。应变测点共布置16个截面，每个截面4个测点。桥梁北侧布置图1中带标记所有测点，南侧布置 4＃，5＃，11＃，12＃，15＃截面测点。 挠度测点布置在桥梁南北两侧1/4跨、1/2跨、3/4跨处，同时布置支座沉降测点。

图1 静载试验测点布置

列车按照万吨扩能要求进行编组，具体方式为:2×SS4B+7×C70满载重车+7×C70空车+2×SS4B，按照影响线确定最不利加载位置，静载试验时共分为5级进行加载(见图2)，单双线钢桁梁桥加载方式均相同，其荷载效率系数分别为0.66和0.70，二者比较接近。

图2 加载位置示意(23 t轴重)

表3为试验荷载和设计荷载作用下杆件最大应力及挠度，计算时考虑了动力系数的影响。表4为单双线钢桁梁桥静载试验结果对比，挠度数值已经扣除了支座沉降，仅列出应力较大的6根杆件(11＃和12＃为南侧杆件，其余为北侧杆件)实测结果。

表3 试验荷载和设计荷载作用下杆件最大应力及挠度

表4 单双线钢桁梁桥静载试验结果对比

由表4可知:在试验荷载作用下，单双线钢桁梁桥杆件应力和挠度实测数据均小于理论计算值，单线桥上弦杆和斜杆应力校验系数基本满足铁运函[2004]120号《铁路桥梁检定规范》通常值要求，但下弦杆应力和挠度校验系数均不满足要求，且超限较多；双线桥的应力及挠度校验系数均满足规范要求。

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单线桥上下弦杆及斜杆应力以及挠度校验系数远远大于双线桥，主要是由于荷载大小相同，而单线桥杆件较小，钢桁梁竖向和横向刚度均低于双线桥。实测单双线桥挠跨比(换算至中活载)分别为1/1 757和1/1 364，均满足《铁路桥梁检定规范》中小于1/1 250的要求。

大轴重列车开行，导致单双线钢桁梁桥的活载储备量降低，会进一步加剧钢结构的疲劳损伤和破坏，需要引起足够重视。

4 动力性能对比试验

4.1 试验内容

开展动载对比试验，是为了了解单双线钢桁梁桥在不同编组重载列车作用下的振动规律和动力性能，为改造加固提供技术依据。动载试验时，以正常运营列车作为激振荷载，测试单双线钢桁梁桥的自振特性和强振特性，测试内容包括跨中横向振幅、横向加速度、竖向振幅、竖向加速度、跨中动挠度、动力系数、墩顶横向振幅、桥跨及桥墩自振频率等参数。

考虑通过桥梁时的试验列车类型基本相同，分别在2013年10月21—25日和2013年11月22—25日先后完成了单线桥和双线桥运营性能测试，试验期间通过双线桥和单线桥的运营车辆类型基本一致，主要包括C64，C70，C803种类型，未采集到KM98列车通过的数据。

4.2 数据统计

现场实测运营车辆速度在40～76 km/h，其中单线桥车辆通过速度为60～76 km/h，双线桥车辆通过速度为40～60 km/h，因邻近钢桁梁桥附近简支T梁振动过大，整座双线桥处于70 km/h限速状态。表5为上行满载重车过桥时单双线钢桁梁桥主要运营性能指标对比，表6为下行空车过桥时单双线钢桁梁桥主要运营性能指标对比，分析如下。

表5 单双线钢桁梁桥主要运营性能指标对比(上行重车)

表6 单双线钢桁梁桥主要运营性能指标对比(下行空车)

1)整体分析。在轻重运营列车作用下，单双线钢桁梁桥跨中横向振幅、竖向振幅以及墩顶横向振幅等参数均满足《铁路桥梁检定规范》要求，但单线桥的跨中横向加速度略微偏大，不满足规范要求，双线桥跨中横向加速度也比较接近规范值。

2)单双线桥数据对比。上行重车作用下单线桥跨中横竖向振幅以及横竖向加速度均远大于双线桥，实测单线桥4项参数的平均值和最大值约为双线桥的2倍及以上；单线桥跨中动挠度大于双线桥，约为双线桥动挠度的1.15倍；单线桥墩顶横向振幅也大于双线桥，但数值都很小。下行空车作用下单线桥跨中横竖向振幅以及横竖向加速度均大于双线桥，约为1.5倍左右；单线桥跨中动挠度与双线桥比较接近，最大值均出现在机车位置处。单线桥墩顶横向振幅也略大于双线桥，数值都非常小。车辆类型对桥梁振动特性影响不明显，重载列车引起单线桥较大振动。

3)轻重车作用对比。上行重车作用下单线桥跨中横竖向振幅及动挠度均远大于下行空车作用下的数值，而重车和轻车作用下的横竖向加速度则比较接近，墩顶横向振幅都很小；对于双线桥而言，C64，C70重车及轻车作用下的跨中横竖向振幅比较接近，而上行C80重车下的跨中横竖向振幅远大于下行C80空车作用下的数据；下行空车作用下双线桥横竖向加速度远大于上行重车作用下的数据，而重车作用下跨中动挠度大于空车数据。重车对单双线桥的影响更大。

4.3 振幅

实测正常运营列车通过试验桥梁时跨中振幅与车速的关系分别见图3、图4。

图3 跨中横向振幅与车速的关系

图4 跨中竖向振幅与车速的关系

从整体趋势上分析，实测单线桥跨中横竖向振幅远大于双线桥，且单双线桥跨中横向振幅和竖向振幅均有随着速度提高而增大的趋势，不同类型车型引起的横竖向振幅比较接近。对单双线桥振动时程曲线进行频谱分析，实测单双线桥横向强振频率分别在1.31～1.81 Hz和 1.12～2.36 Hz，与横向自振频率1.87 Hz和2.24 Hz(采用脉动、余振和敲击3种方法测试并校核)相差较小，单线桥更容易发生共振现象，需要重点观测。

实测墩顶横向振幅都很小，上行重车作用下桥墩振幅略大于下行轻车通过时数值，单线桥略大于双线桥。列车轴重的提高会引起横向冲击加大，造成重车作用下墩顶振幅有所增加，而双线桥墩高度低和横向宽度大的结构特点也使得其墩顶振幅偏小。

4.4 动挠度及挠跨比

实测正常运营列车通过试验桥梁时跨中动挠度与速度关系见图5。

图5 跨中动挠度与车速的关系

由表5、表6和图5可知:上下行列车作用下单线桥跨中动挠度大于双线桥，挠度数值与速度关系不明显，但与车辆类型及载重密切相关，满载C80作用下动挠度最大；上行重车通过时，单双线跨中动挠度最大值基本上出现在车厢位置，而下行空车通过时，动挠度最大值基本上发生在机车位置处。

图6为上行重车和轻、重车在桥上会车时双线桥跨中动挠度与车速的关系。图7为上行重车通过时双线桥跨中两侧动挠度与车速的关系。

图6 双线桥跨中动挠度与车速的关系

现场测试发现，当桥上会车时跨中动挠度比较大，最大值达到41.01 mm，远大于上行重车通过时的最大值34.16 mm；实测桥上会车时跨中动挠度最大值(上下行均为C80货车)的平均值为36.80 mm，也大于仅上行重车通过时桥梁跨中动挠度最大值的平均值(C80货车)31.61 mm。上行重车通过导致南北两侧动挠度相差较大，其中北侧和南侧动挠度最大相差13.95 mm。

图7 上行重车通过时双线桥跨中两侧动挠度与车速的关系

4.5 动应力及动力系数

实测列车作用下单线钢桁梁桥杆件动应力最大值为71.95 MPa，发生在桥门架斜杆(15＃杆)处，由C80满载重车引起；同样类型列车作用下，单线桥杆件应力略大于双线桥相同位置处杆件；桥上会车时双线钢桁梁桥杆件应力最大，实测桥门架斜杆(15＃杆)动应力最大值达到79.2 MPa。

实测单双线桥动挠度动力系数和动应力动力系数都很小，基本上都在1.05以下，且相同类型荷载作用下单双线桥动力系数基本相等，而单双线桥的动力系数与车速关系不明显；同一列车作用下动应力动力系数略大于动挠度动力系数。

5 结论

1)静力分析和静动载对比试验结果表明，重载运输快速发展降低了钢桁梁桥的活载储备，大轴重列车作用下活载储备量在10%以下。在目前运营列车荷载作用下，两座跨度64 m单双线钢桁梁桥的强度、刚度和主要运营性能指标均满足规范要求，但单双线桥的竖向刚度和横向刚度都偏小，尤其是单线桥横向刚度偏小。从安全运营和长远规划角度出发，可以考虑对其进行加固改造，以适应重载运输要求。

2)列车荷载作用下，单线钢桁梁桥的静动力性能指标均弱于双线桥。尤其是荷载作用下的杆件应力和挠度校验系数、桥梁横竖向振动幅值、动挠度等静动力参数，单线桥数值均远大于双线桥，单线桥安全储备小；荷载冲击引起杆件局部冲击加大，单双线桥实测自振频率分别为1.87，2.24 Hz，与实测两座桥梁的强振频率 1.31～1.81 Hz，1.12～2.36 Hz比较接近，容易发生共振现象，需要重点观测。

3)大轴重、大运量的重载运输快速发展对钢桁梁桥的静动力性能带来很多不利影响，引起杆件应力增加、挠度增大、振动加剧，既有钢桁梁已不能适应重载运输的要求，因此，针对不同的结构类型和部件，对其进行强化改造迫在眉睫。