(40+56+40)m预应力混凝土连续槽形梁动力性能试验研究

董振升，杨宜谦，张高翔

(中国铁道科学研究院，北京 100081)

在高速铁路桥梁建设中，跨越河流、峡谷时一般采用预应力混凝土连续箱形梁或拱桥等特殊结构，很少采用连续槽形梁结构。因为槽形梁特有的建筑高度低，可增高桥下净空，减小路堤高度，结构轻巧，腹板可以隔音等优点[1-5]，在新建线路有特殊要求的地段也开始采用。但目前连续槽形梁动力性能的评价指标不完善，本文通过对比(40+56+40)m连续槽形梁和(40+56+40)m连续箱形梁的自振特性、动力响应，分析和评价了该种结构形式对高速列车运营的适用性。

1 桥梁概况

石济客运专线平禹特大桥(40+56+40)m预应力混凝土连续槽形梁全长137.5 m。跨中梁高4 m，边支点梁高4.8 m，中支点梁高6.3 m，梁顶由跨中向中支点按圆曲线变化，曲线半径149.153 m。槽形梁总宽度16 m，内侧净宽11.3 m，主梁腹板宽度0.4～0.5 m，按折线变化。顶板厚0.55 m，道床板厚1.0 m，支点处设置横梁，边支点处宽度1.5 m，中支点处宽度2.4 m。双线直线桥，线间距4.6 m，有砟轨道。支座采用铁路常用跨度连续梁球形钢支座，型号通桥(2009)8361-LXQZ-I。桥上线路为无缝线路，60 kg/m钢轨，Ⅲ型轨枕，桥上道砟厚度为43 cm。

2 测试内容

试验主要测试内容如下:

1)跨中横向、竖向振动(含振幅、竖向自振频率)；

2)梁端竖向转角；

3)跨中竖向振动加速度；

4)跨中动挠度、动应变及动力系数；

测点布置示意见图1。

图1 测点布置示意

3 数据分析

试验列车采用CRH2A-2010综合检测列车。

该桥试验中共测试下行线动车组27趟(不含5 km/h准静态标定)，速度181.6～273.8 km/h。

3.1 梁体竖向自振频率

竖向自振频率采用脉动法测试。实测竖向1阶自振频率为3.08 Hz，竖向2阶自振频率为4.93 Hz，与250 km/h速度等级的(40+56+40)m连续箱形梁自振频率对比见表1。可见连续槽形梁竖向自振频率略低于连续箱形梁，但均满足TG/GW 209—2014[6]规定的连续箱形梁的1阶自振频率通常值2.87 Hz，2阶自振频率通常值4.30 Hz的要求。

表1 连续槽形梁和连续箱形梁竖向自振频率对比 Hz

3.2 跨中竖向挠度和挠跨比

连续槽形梁56 m跨中由于现场条件限制，只测试了上下行主梁位置处挠度，40 m跨中同时测试了上下行主梁，上下行钢轨下方和横断面中心处的挠度。连续槽形梁和连续箱形梁实测挠度见表2。综合检测列车下行线通过40 m跨中和56 m跨中时，上行侧主梁挠度均远小于下行侧主梁。说明道床板在列车荷载直接作用位置处局部变形较大，荷载往距离较远的上行侧的主梁传递较少，上行主梁挠度较小。

表2 综合检测列车作用下实测梁体跨中挠度汇总 mm

综合检测列车在下行单线加载和双线加载作用下，连续槽形梁40 m跨中断面挠度拟合曲线见图2。可以看出，单线加载作用下，连续槽形梁道床板横向弯曲明显，这与T梁和箱形梁受力不同。一般情况下，T梁和箱梁在列车荷载作用下，整体受力明显，各断面挠度呈线性关系，不存在横向弯曲。双线加载作用下，槽形梁道床板对称弯曲，横断面中心处挠度最大，向两侧逐渐减小。而T梁和箱梁在双线加载作用下，跨中各断面挠度基本相同。

图2 测试断面挠度拟合曲线

连续槽形梁和连续箱形梁实测挠跨比汇总见表3。40 m边跨挠跨比采用主梁位置处挠度计算为1/14 025，若采用横断面中心处挠度计算则是1/9 996，可见道床板的局部变形使挠跨比增大约28%。连续槽形梁56 m跨中挠跨比采用跨中主梁位置处挠度计算，实测挠跨比为1/11 645，远小于箱形连续梁挠跨比1/6 318。主要原因是道床板的局部变形大，受力传递到主梁位置处较小，主梁位置处的挠度变小。如连续槽形梁挠跨比采用跨中横断面中心处挠度进行计算，则挠跨比会大幅增大。针对上述连续槽形梁道床板变形的规律，建议在评价挠跨比时需指明计算使用的挠度的准确位置。

表3 梁体竖向挠跨比(换算至ZK活载)对比

目前连续槽形梁这种结构在铁路桥梁中应用较少，挠跨比的评价指标也不完善，本文参考《高速铁路工程动态验收技术规范》中相同跨度连续箱形梁的评价标准和设计图纸中的设计值进行评判。从表3中数据可以看出，槽形连续梁40 m跨中和56 m跨中挠跨比均满足设计值要求，也满足TG/GW 209—2014通常值和TB 10621—2014[7]限值的要求，且有一定裕量。说明此梁的竖向刚度较大，能够满足列车高速平稳运行的要求。

3.3 梁端竖向转角

对于有砟轨道桥梁，梁端竖向转角过大会导致位于梁端伸缩缝部位的道床不稳定，导致轨道养护工作量增大，且对高速行车条件下的安全和舒适性具有一定的影响，故梁端竖向转角也是桥梁动力性能评价的的一个重要指标。

CRH2A-2010综合检测列车准静态加载时，主梁梁端竖向转角换算至ZK活载的梁端竖向转角为0.27‰，满足TG/GW 209—2014通常值0.60‰的要求，远小于TB 10761—2013[8]规定的限值2‰。

3.4 跨中横向振幅

横向振幅是影响列车运营安全性的重要因素，过大的横向振幅会导致列车脱轨。

本文共测试了上下行主梁，下行侧挡砟墙共3处的横向振幅，实测跨中横向振幅与行车速度关系见图3。可以看出，上下行主梁和下行挡砟墙位置处的横向振幅相当，主要原因是道床板的面内刚度较大，在列车荷载作用下，梁体各位置的横向振动一致，不存在局部横向振动。

图3 梁体横向振幅与行车速度关系

连续槽形梁和连续箱形梁跨中横向振幅与行车速度关系见图4。可以看出，连续槽形梁跨中横向振幅比连续箱形梁稍小，这主要与梁体横断面的宽度有关。连续槽形梁为了提高梁体的抗扭刚度，在两侧主梁采用箱形截面，这大大增加了梁体整个横断面的宽度，梁底横向宽度达到16.0 m。而连续箱形梁梁底横向宽度为5.53 m，梁顶宽12.2 m。

图4 连续槽形梁和连续箱形梁跨中横向振幅对比关系

从振动幅值上看，连续槽形梁和连续箱形梁均能满足TG/GW 209—2014规定的40 m跨通常值0.10 mm，56 m跨通常值0.15 mm的要求。

3.5 跨中竖向振幅

竖向振幅是影响列车运营平稳性和舒适性的重要因素。若列车对桥梁的激励频率与梁体竖向自振频率吻合，会引起梁体的共振，过大的竖向振幅将影响列车运营平稳性和乘客的乘坐舒适性。

本文考虑到槽形梁道床板局部竖向刚度弱，振动是否与主梁振动一致的问题，共测试了上下行主梁、下行挡砟墙共3处的竖向振幅。实测3处竖向振幅时域波形，下行主梁和挡砟墙位置处的竖向振幅相当，大于上行侧主梁位置处的竖向振幅，3处竖向振幅振动波形相位相同，说明连续槽形梁在列车荷载作用下，整体受力明显。

连续槽形梁和连续箱形梁跨中竖向振幅与行车速度关系见图5。连续槽形梁和连续箱形梁竖向振幅随行车速度的提高而增大，增长趋势一致，连续槽形梁竖向振幅小于连续箱形梁竖向振幅。在试验车速范围内，列车对梁体的竖向激励频率在1.96～2.94 Hz，梁体竖向自振频率不在此范围内，未发生竖向共振现象。

图5 连续槽形梁和连续箱形梁跨中竖向振幅对比关系

从振动幅值看，连续槽形梁和连续箱形梁均能满足TG/GW 209—2014规定的40 m跨和56 m跨通常值0.40 mm的要求。

3.6 梁体应变及动力系数

为了保证高速列车运营的平稳性和乘客乘坐的舒适性，高速铁路桥梁比普速铁路桥梁的刚度已经大大提高，强度不再是桥梁设计的控制指标。目前在高速铁路桥梁动态检测中，测试应变的主要目的是为了评价高速列车通过桥梁时对桥梁的动力放大效应。

在综合检测列车作用下，连续槽形梁40 m和56 m跨中应变动力系数相当，最大值分别为1.16(236.2 km/h)，1.13(260.0 km/h)，(40+56+40)m 连续箱形梁40 m和56 m跨中应变动力系数最大值分别为 1.14(270.7 km/h)，1.15(260.9 km/h)，可见连续槽形梁和连续箱形梁应变动力系数相当。

3.7 梁体振动加速度

为保证桥上线路结构的稳定性，TB 10621—2014对有砟轨道和无砟轨道桥面的竖向振动加速度作了规定，有砟轨道桥面相应于20 Hz以内的竖向振动加速度在3.5 m/s2及以下，可保证道床的稳定性。对于无砟桥面，为防止跳轨，限值取5.0 m/s2。

实测连续槽形梁和连续箱形梁桥面竖向振动加速度最大值见表4。可以看出，无砟轨道桥面的连续箱形梁桥面竖向振动加速度比有砟轨道桥面的连续槽形梁大，这主要是道砟桥面上道砟对列车荷载起了分散和缓冲的作用，但最大值均远小于TB/10621—2014规定的相应限值。

表4 槽形和连续箱形梁桥面竖向振动加速度 m/s2

4 结论

1)连续槽形梁竖向自振频率略小于连续箱形梁，但满足《高速铁路桥梁运营性能检定规定(试行)》同等跨度的连续箱形梁通常值的要求。

2)连续槽形梁的道床板横向弯曲明显，局部变形较大，与T梁和箱梁横断面整体受力特性不同，建议评价挠跨比时需指明测试挠度准确位置。实测连续槽形梁挠跨比满足《高速铁路桥梁运营性能检定规定(试行)》通常值和《高速铁路设计规范》限值的要求。

3)连续槽形梁梁端竖向转角满足《高速铁路桥梁运营性能检定规定(试行)》通常值和《高速铁路工程动态验收技术规范》限值要求。

4)连续槽形梁梁体跨中横向和竖向振幅均小于连续箱形梁，均能满足《高速铁路桥梁运营性能检定规定(试行)》的通常值要求。

5)连续槽形梁梁体应变动力系数与连续箱形梁相当。连续槽形梁桥面竖向振动加速度也满足《高速铁路设计规范》限值要求。

根据连续槽形梁和连续箱形梁竖向刚度和动力响应的对比分析可知，在高速铁路有净空和噪声控制等特殊要求的地段，可以采用连续槽形梁代替连续箱形梁。连续槽形梁结构在设计合理的情况下，动力性能良好，能够适应高速列车运营的要求。