四线铁路刚架系杆拱桥静动力性能试验研究

张 强,刘德军,李小珍

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

四线铁路刚架系杆拱桥静动力性能试验研究

张 强,刘德军,李小珍

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

以广州枢纽四线铁路主跨160m刚架系杆拱桥为研究对象,对大跨度刚架系杆拱桥进行静动力性能试验,了解结构在荷载作用下的实际工作状态。静载试验选取该桥关键断面进行截面应力、挠度测试,通过有限元软件进行模拟仿真和试验验证,试验结果与理论分析相符；动载试验在列车以不同速度过桥时,对关键截面的横、竖向动力响应进行量测,并与相关规范进行对比,动力响应指标符合相关规范要求。结果表明：桥梁在列车荷载作用下,结构静动力特性良好,具有足够的强度和刚度。

四线铁路桥；刚架桥；系杆拱桥；静动力性能试验

拱桥在中国早期铁路中较少应用，而常见于现代高速铁路桥梁中，拱桥由于景观性强、结构高度低、刚度大，同时，施工可因地制宜选取支架拼装、拖拉、浮运、转体等方法，对高速铁路有很好的适应性，在中国现代高速铁路中有较多的应用案例[1，2]。钢管混凝土应用于拱桥始于20世纪30年代末，前苏联于1939年建成第一座跨度140 m的钢管混凝土铁路拱桥[3，4]，中国于2000年建成第一座铁路钢管混凝土拱桥—主跨236 m的水柏铁路北盘江大桥[5]。研究对象为国内首座四线铁路最大跨度钢管混凝土刚架系杆拱桥(加劲拱除外)，也是首座吊杆采用销铰式锚固的铁路拱桥。基于有限元软件对该桥进行静动力分析，静载试验测试关键截面应力、挠度；动载试验对CRH2列车以不同速度过桥时关键截面的横、竖向动力响应进行量测。探讨该桥梁在荷载作用下的强度、刚度以及动力特性。

为使既有桥梁和新建桥梁更加安全地为交通运输事业服务，需对那些影响较大、结构新颖的桥梁进行试验检测[6，7]，荷载试验是对桥梁工程内在质量进行评定时最直接和最有效的方法和手段[8，9]。荷载试验结果可为设计认证、施工、健康检测和维护提供相关的技术参数和基础数据[10]。

1 工程概况

该桥桥跨结构布置为四线(24+160+24)m钢管混凝土刚架系杆拱桥，南广上行线靠近站房侧边跨及部分主跨位于缓和曲线和R=5 000 m圆曲线地段，其余三线均为直线，平面采用等宽梁设计。铁路等级为客运专线，设计活载为ZK活载，设计速度为160 km/h。平立面布置如图1所示。主梁采用单箱三室扁平钢箱梁，梁高3.706 m，主跨桥面宽26 m，边跨桥面宽25 m。拱肋采用钢管混凝土结构，计算跨度L=160.0 m，设计矢高f=40.0 m，矢跨比f/L=1/4，拱轴线采用m=1.15次悬链线。两片拱肋间横向中心距24.2 m。拱肋采用等高度哑铃形截面。钢管内灌注C55微膨胀混凝土。两片拱肋之间共设7道横撑，拱顶设1道“X”形撑，靠近拱脚处设1道“K”形撑，其余均采用“一”字撑。主跨吊杆顺桥向间距为8 m，横向吊杆间距为24.2 m，采用顺桥向双吊杆体系，全桥共设17组吊杆。本桥系杆锚固于拱座上，每侧设6束61孔单根张拉可换索式钢绞线系杆。

主墩为钻石形桥墩，通过两侧伸出肢与拱肋固结，主墩承台为矩形，横桥向长30.4 m，顺桥向宽13.2 m，高4 m。每个承台底设3列6行共18根φ2 m的钻孔灌注桩，桩基横桥向中心距除桥梁中心线处为7.2 m外其余均为5 m，顺桥向间距均为5 m，桩中心至承台边缘为1.6 m。16号主墩桩长45 m，佛山西站方向17号主墩桩长47 m。

图1 刚架系杆拱桥整体布置(单位：cm)

2 有限元模型模拟

广州枢纽四线铁路主跨160 m刚架系杆拱桥静动力分析采用空间有限元软件Midas/Civil2015，同时基于通用有限元软件Midas/FEA2015建立该桥的FEA计算分析模型，用于对试验实测值进行验证。全桥Midas模型共计采用了669个节点，1 014个单元，其中拱肋、横撑均采用空间梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟，钢箱梁采用自定义截面的方法来模拟。在两端拱脚处，视为刚结，约束全部自由度；桥墩承台底部按6×6个自由度的刚度矩阵模拟；横撑与拱肋之间的连接用弹性连接模拟；纵桥向：主梁为半漂浮体系，正常使用条件下最右端主墩纵向固定，其余均为纵向活动。横桥向：边墩及主墩支座横向均为活动支座，主墩处设横向弹性限位支座约束横向位移。为了尽可能模拟桥梁的真实情况，确保理论值与试验值具有可比性，全桥模型采用了带墩分析的力学模型，如图2所示。

图2 刚架系杆拱桥全桥Midas有限元模型

3 静力性能试验

3.1 加载工况

试验采用T11BK型长钢轨车列车组进行加载，编组为DF4机车+发电车+安全车+8辆运轨车+2辆防翻车+6辆运轨车+4辆锁定车+6辆运轨车+2辆防翻车+7辆运轨车+安全车+5辆作业车，计算可得：发电车和作业车总质量为5×104kg、DF4机车为1.38×105kg，其他车辆的质量都为5.42×104kg。采用有限元分析软件Midas求得主跨跨中截面、主跨1/4截面、吊杆、系杆及拱脚的弯矩影响线后，根据控制截面的弯矩影响线，按照最不利加载原则确定加载轮位和试验工况，共11个工况。

轮位1(主梁支点最大负弯矩)：DF4机车首轮距P15号墩支座73 m；

轮位2(D1吊杆索力最大)：DF4机车首轮距P15号墩支座75 m；

轮位3(主梁1/4最大正弯矩)：DF4机车首轮距P15号墩支座79.6 m

轮位4(拱脚钢管负弯矩最大)：DF4机车首轮距P15号墩支座87 m；

轮位5(主梁跨中弯矩最大)：DF4机车首轮距P15号墩支座125.2 m

轮位6(拱肋跨中弯矩最大)：DF4机车首轮距P15号墩支座127.2 m；

轮位7(D9吊杆索力最大)：DF4机车首轮距P15号墩支座128.8 m；

轮位8(主梁跨中位移最大)：DF4机车首轮距P15号墩支座130.8 m；

轮位9(拱肋跨中位移最大)：DF4机车首轮距P15号墩支座132.6 m；

轮位10(系杆轴力最大)：DF4机车首轮距P15号墩支座143 m；

轮位11(拱脚钢管轴力最大)：DF4机车首轮距P15号墩支座145 m。

3.2 试验截面及测点布置

静载应力和挠度测点布置如图3、图4及表1所示。本桥为3跨刚架拱连续钢箱梁组合桥，为超静定结构，无法根据现有《铁路桥梁检定规范》[11]的影响线公式计算绘制测点的影响线图。因此，采用Midas/Civil2015空间有限元模型进行移动荷载影响线计算，以此来确定出各种加载轮位，得出全桥的轴力和弯矩较大的位置，作为控制截面进行试验加载。

图3 控制截面测点布置(单位：cm)

图4 现场测点布置

表1 静载测点布置

3.3 应力试验结果及分析

《铁路桥梁检定规范》[11]中关于结构应力校验系数规定：根据截面上实测的纤维应力与理论计算值进行比较，求出构件或截面的结构校验系数

应力校验系数的表达式中所表达的含义：

当Kσ=1时，说明理论值与实测值完全相符合；

当Kσ<1时，说明结构工作性能好，承载能力有一定富余，有安全储备；

当Kσ>1时，说明结构的工作性能较差，设计强度不足，不够安全。

由于工况数较多，以下仅列出小部分断面测点弯曲应力实测值与理论值结果的对比(图5～图8)。

图5 轮位1(16号墩顶)主梁断面结果对比

图6 轮位5中跨跨中断面结果对比

图7 轮位8中跨1/4断面结果对比

图8 轮位11拱肋断面结果对比

以上11种工况，校验系数位于0.80～0.95之间，目前国内规范对钢管混凝土刚架系杆拱-连续钢箱梁组合桥的校验系数的限值还没有明确的规定，《公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)》[12]中规定，大跨径混凝结构的桥梁在最大试验荷载作用下，其应变、挠度的校验系数应符合：0.70<(Kσ,Kδ)<1.05，钢材为各项同性材料，在计算模型和方法都正确的情况下，钢管混凝土刚架系杆拱-连续钢箱梁组合桥各项待测参数的理论计算值和试验值还是比较接近的，其应变、挠度的校验系数较《公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)》[12]中规定的范围应该要小，但要在规范中对钢管混凝土刚架系杆拱-连续钢箱梁组合桥的校验系数做出明确的说明，还需要做大量的试验和计算来证明，因为影响校验系数的因素有很多，包括截面尺寸、跨度、结构类型、测量误差等[13-14]。在今后的试验中，若遇到类似结构的桥梁，该校验系数可以作为参考。

综上可得：钢管混凝土刚架系杆拱-连续钢箱梁组合桥，16号墩顶主梁断面、中跨1/4断面、主梁中跨跨中断面、以及拱肋断面的应力校验系数均位于0.80～0.95之间。说明该结构处于弹性工作阶段，结构整体强度满足实际要求。

3.4 挠度试验结果及分析

挠度值的控制位置在主跨跨中，本次测量点位于中跨挡砟墙上，左右分别布置1个测点，表2列出了11种工况加载下，主跨跨中挠度检测和理论计算结果。

表2 各工况作用下主跨跨中挠度结果

从表2可看出，实测挠度值均小于理论计算值，校验系数均在0.80～0.91范围内，说明该结构处于弹性工作阶段，结构整体刚度满足实际要求。

4 动力性能试验

动载试验主要选取该桥主梁边跨跨中断面、中跨跨中断面进行振幅、加速度测试，15号、16号墩顶进行墩顶横向振幅与横向加速度测试，并测试了列车通过该桥时，桥梁中、边跨跨中挠度值。控制截面的选取见图9、测点布置见表3。

图9 控制截面的选取

表3 动载试验测点布置

4.1 动载试验工况

本次试验测试正常运营动车组在运营速度下的动力响应，车型选取的是CRH2。

4.2 自振特性测试结果和分析

自振特性的测试采用跑车强迫振动，桥跨结构实测CRH2车型过桥的时程曲线见图10，实测CRH2车型过桥时自振频率为1.700 Hz，采用空间有限元软件Midas / Civil 2015计算， 得到桥跨结构竖向一阶频率f1=1.626 Hz，桥梁的实测基频与理论计算频率的比值为0.956，桥梁的动力性能良好。

图10 中跨跨中振动时程曲线

图11 跨中竖向振幅实测最大值与车速关系

4.3 动力响应测试结果和分析

(1)竖向动挠度：实测主跨跨中截面最大竖向动位移为5.643 mm，换算到设计活载挠跨比为1/5 338，小于设计挠跨比1/3 555。符合设计要求。

(2)动力系数：根据《铁路桥涵基本设计规范》(TB1002.1—2005)[15]计算刚架系杆拱桥动力系数理论值为1.063。通过拾振器获得的动位移振动波形分析桥梁的动力系数(表4)。实测结果表明，在列车运行过程中，随着行车速度的增加，主跨各测点动挠度动力系数基本呈现显增大趋势。桥梁在不同工况下测得的动力系数值均小于理论值；钢箱梁中跨跨中挠度动力系数最大值为1.056，发生在158 km/h工况下，在试验车速内未发生共振和振动过大现象。

表4 主跨和边跨跨中挠度动力系数

4.4 梁体振幅与振动加速度测试结果分析

实测边跨跨中最大竖向振幅为0.140 mm，中跨跨中最大竖向振幅为0.339 mm；实测边跨跨中最大竖向加速度(按20 Hz低通滤波)为0.068 m/s2，中跨跨中最大竖向加速度为0.063 m/s2(图11、图12)。各工况下实测竖向振幅均小于《高速铁路桥梁运营性能检定规定》[16]的规定，梁体实测竖向加速度均小于限值3.5 m/s2。

图12 跨中竖向加速度实测最大值与车速关系

实测边跨跨中最大横向加速度(按40 Hz低通滤波)为0.486 m/s2，中跨跨中最大横向加速度为0.663 m/s2。各工况下梁体实测横向加速度均小于限值1.4 m/s2。实测边跨跨中最大横向振幅为0.036 mm；中跨跨中最大横向振幅为0.075 mm。各工况下实测横向振幅均小于《高速铁路桥梁运营性能检定规定》[16]的规定。

4.5 墩顶振幅与振动加速度测试结果分析

实测15号墩墩顶最大横向振幅为0.005 mm、墩顶最大横向加速度(按40 Hz低通滤波)为0.011 m/s2，16号墩墩顶最大横向振幅为0.004 mm、最大横向加速度(按40 Hz低通滤波)为0.003 m/s2。各工况下实测横向振幅均小于文献[11]规定的桥墩横向振幅通常值，加速度均小于规定限值1.4 m/s2。

5 结论

(1)该桥静载试验各试验截面应力校验系数均在0.80～0.99范围之间，且残余应变基本为0，实测挠度值均小于理论计算值，校验系数均在0.80～0.91范围内，荷载试验中结构尚处于弹性工作阶段，说明桥跨具有足够的强度和刚度。

(2)桥跨结构实测一阶竖向自振频率高于理论计算值；设计挠跨比符合设计要求；桥梁在不同工况下测得的动力系数值均小于理论值；实测边跨和中跨跨中最大竖向振幅、最大竖向加速度、最大横向加速度、最大横向振幅均小于《高速铁路桥梁运营性能检定规定》的规定；实测15号及16号墩墩顶最大横向振幅、最大横向加速度均小于《铁路桥梁检定规范》的规定。该桥在列车荷载作用下具有良好的动力性能。

(3)基于刚架系杆拱桥有限元模型制定试验方案，并进行现场荷载试验。通过静载试验理论计算值与实测数据分析对比，动载试验实测值与相关规范对比，最终确定该桥在荷载作用下的实际工作性能良好。

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Research on Static and Dynamic Performances of Rigid Frame Tied-arch Bridge on Four-line Railway

ZHANG Qiang, LIU De-jun, LI Xiao-zhen

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Based on a four-line railway rigid frame tied-arch bridge with main span of 160m, the paper conducts the test of static and dynamic performances of bridges on high-speed railway to understand the actual working state of loaded structure, the stress of key section and the deflection of girder. The analysis results are verified by using the finite element method and experiment. Through dynamic loading tests, the horizontal and vertical dynamic response of key section when the train passes the bridge at different speed is measured. The dynamic response index of bridge accords with the requirements of correlative specifications. The results show that all measurement indicators of the bridge meet the requirements of the relevant norms, and the bridge under the loading of the train has good static and dynamic performances with sufficient strength and rigidity

Four-line railway bridge; Rigid frame bridge; Tied-arch bridge; Static and dynamic performance test

1004-2954(2018)01-0078-06

2017-03-13；

2017-04-07

国家自然科学基金高铁联合基金重点项目(U1434205)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2682016CX020)

张 强(1989—)，男，硕士研究生，E-mail：785149059@qq.com。

刘德军(1977—)，男，讲师，博士，E-mail：swjtu_ldj@163.com。

U446.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703130004