轨道交通双U形-箱形连续梁桥结构整体力学性能试验研究

黄继成

（上海申通地铁集团有限公司，上海市 226001）

0 引言

城市轨道交通U形梁由于其建筑高度低、截面利用率高、造型美观、降噪效果好等优点，越来越受到工程人员的关注。与传统的槽形梁相比，双U形-箱形梁在底板取消了横向预应力钢筋，中间腹板与边腹板不对称。双U形-箱形梁结构特殊、受力复杂，特别是底板在横向取消预应力钢束后，其横向抗裂性能如何，以及整体受力能否满足目前设计运营的要求等问题还不清楚[1]。同时，目前国内轨道交通工程中应用较少，尚无成熟、系统的设计经验可供借鉴，因此对双U形-箱形梁在施工、运营阶段中的静力行为进行试验研究，为双U形-箱形梁在城市轨道高架线路中的推广应用提供依据是相当必要的。为全面了解轨道交通节段拼装双U形-箱形连续梁桥的静力性能，本文选取在世界上首次采用双U形-箱形连续梁桥的上海轨道交通17号线为工程背景，通过实桥荷载试验研究节段拼装双U形-箱形截面连续梁桥结构的整体力学行为，了解大桥主要构件在试验荷载下的实际工作状态，评价其在设计使用荷载下的工作性能和实际承载能力，同时获得桥跨结构目前的结构固有振动特性以及荷载作用下的静动力性能，为双U形-箱形结合截面主梁在轨道交通建设中的推广运用提供重要的试验性资料。

1 节段拼装双U形-箱形连续梁桥构造特点及试验概况

上海市轨道交通17号线工程节段拼装双U形-箱形截面连续梁桥主要采用中跨50 m、55 m、70 m的结构型式[2]，主梁截面主要采用双U形-箱形结合断面，由U形-箱梁底板、箱梁底板、箱梁腹板、U形-箱梁顶板、U形-箱梁腹板和中腹板组成，预制节段间采用湿接缝和胶结缝连接。支座采用球形钢支座或盆式橡胶支座。轨道交通17号线荷载等级为地铁-A型，按六节车辆编组设计，单线重车共24个轴，最大设计轴重160 kN，设计时速100 km/h。典型桥梁立面照及正面照如图1所示。

图1 双U形-箱形连续梁桥立面照和正面照

根据结构理论分析，静载试验中对全桥四个控制部位进行加载测试，控制部位包括中跨跨中、四分点、墩顶及边跨最大正弯矩断面S1～S4（见图2）。试验采用2列6节编组的轨道交通车辆（通过在车厢内堆放砂袋使车辆轴重达到目标值）做试验列车，加载车示意图如图3所示。静载试验分三个工况进行挠度、弯矩加载，加载控制元素和荷载水平见表1。各工况车辆均按同向布置，图4为中跨跨中最大正弯矩及挠度S3断面加载布置示意图。加载前先读零确定有无异常情况，车辆上桥10 min后开始读数，退载后重新读零以确认变形及应力恢复情况。试验于2017年12月14—15日夜里12:00至上午8:00进行，加载时跟踪监测主梁温度和桥面风向风速，以消除环境温度、湿度及风荷载对实测数据的影响。动载试验选取主梁边跨S1断面、中跨跨中S3断面进行动应力测试，同时测试S3断面横向、竖向动位移和加速度以及中墩墩顶两侧横桥向动位移。试验工况包括列车以20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h 速度单线匀速过桥以及双线桥上会车共10种工况。振动测试主要通过测量主梁在环境激励下的振动响应，识别大桥振动的前3阶振动频率、振型和阻尼比。

图2 典型双U形-箱形连续梁桥测试部位图（单位：cm）

图3 试验加载车示意图

表1 控制元素和荷载水平

图4 中跨跨中最大正弯矩及挠度S3断面加载布置示意图（单位：cm）

静载试验测试内容主要包括主梁竖向挠度和应力。主梁挠度测点布设在测试断面布置于中跨跨中、四分点和边跨跨中断面，上下游对称，共10个。混凝土主梁S1～S4断面静应力测点为U形-箱形主梁顶缘、腹板和底面纵桥向应力测点。其中，腹板测点沿断面高度等分，S1、S3断面北侧测点为四等分，南侧测点为二等分，S4断面南北侧测点均为四等分，每个断面设14个测点，具体位置如图5所示。

图5 U形-箱形截面纵向静应力测点布置及编号示意图

动载试验测试内容主要包括主梁动应力、动位移、加速度和墩顶横桥向动位移。在S1、S3断面U形-箱形主梁底板各布设2个动应力测点，共4个测点；在S3断面U形-箱形主梁U肋顶缘布设1个横向动位移和2个竖向动位移测点；在中墩墩顶（两侧）各布设1个横桥向动位移测点，共2个测点；在S3断面U形-箱形主梁U肋顶缘布设2个竖向加速度、1个横向加速度传感器。具体测点布置如图6所示。

图6 U形-箱形截面动应力、动位移和加速度测点布置及编号示意图

主梁动力特性参数测试内容主要包括振动频率、振型和阻尼比。在主梁中跨四分点断面和边跨跨中断面布置9个加速度测试断面，每个断面上行、下行侧各布置1个竖向测点，并在下行侧布置1个横桥向测点，用以拾取主梁竖向和横向加速度响应。具体测点布置示意如图6d所示。

2 静力荷载下结构整体力学行为

2.1 应力测试结果

静力加载试验下双U形-箱形截面应力实测结果与理论分析对比表明，在静力荷载作用下，截面应力的实测结果与理论计算值基本吻合，试验桥梁处于弹性工作阶段，如图7所示。

图7 中跨跨中截面S3最大正弯矩对称加载（满载）应力理论与实测比较

2.2 位移测试结果分析

图8 为中跨跨中截面S3最大正弯矩对称加载（满载）全桥变形理论与实测比较。由图可知，在试验加载工况下，位移的实测结果与理论计算值相吻合，主梁截面横向变形分布基本对称，表明桥梁结构刚度满足设计要求。

图8 中跨跨中截面S3最大正弯矩对称加载（满载）全桥变形理论与实测比较

3 动力荷载下结构力学行为

图9 为列车以20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100 km/h速度单线匀速过桥以及双线桥上会车时S3断面的典型动应力、动位移及加速度时程图。结果表明：主梁底板纵桥向测点的动态应力增量不大，动力系数均小于1.15。主梁中跨跨中的竖向动位移最大振幅为0.47 mm；横向最大振幅为0.42 mm。墩顶主梁横向动位移幅值接近于零。中跨跨中竖向加速度最大幅值为0.92 m/s2；横向加速度最大幅值为0.77 m/s2。主梁的应力动力系数、动位移振幅以及振动加速度幅值均与列车速度的关系不明显。

图9 列车以不同速度匀速过桥及桥上会车时中跨跨中截面典型动应力、动位移及加速度时程图

4 结构固有振动特性

试验模态分析获得各大桥主梁前3阶振动形态，典型振动形态如图10所示。结果表明：各大桥实测各阶振动频率比理论计算值稍大，说明实际结构动力刚度大于计算值；实测1阶横向自振频率介于2.700～5.770 Hz，满足《铁路桥梁检定规范》中最小横向自振频率要求[3]；各大桥前3阶振型的阻尼比介于1.64%～3.47%。

5 结语

通过对轨道交通节段拼装双U形-箱形截面连续梁桥结构的整体力学行为试验研究，获得结论如下：

（1）在相当于设计荷载水平的试验荷载下，各桥梁结构处于弹性工作状态，其变形增量、应力增量均随荷载近似呈线性规律变化。

图10 各大桥主梁前3阶振动形态

（2）列车以不同速度、不同车辆数正常行驶时，实测主梁动力系数小于1.15；实测主梁中跨跨中最大横、竖向振幅分别为0.47 mm、0.42 mm，横、竖向加速度最大幅值分别为0.92 m/s2、0.77 m/s2。

（3）大桥实测各阶振动频率比理论计算值大，实测1阶横向自振频率介于2.700～5.770 Hz，前3阶振型的阻尼比介于1.64%～3.47%。