洛湛铁路石良角浔江特大桥主桥(64+2×104+64)m单线铁路连续梁荷载试验与结构评定

盛兴旺,李金光

(中南大学土木建筑学院,长沙 410075)

1 工程概述

洛湛铁路系Ⅰ级干线单线铁路,设计时速为 140 km。浔江特大桥位于广西梧州,跨越浔江,主桥为(64+2×104+64)m 4跨预应力混凝土连续箱梁桥,全长337.3m。单箱单室结构,纵、横、竖三向预应力体系。跨中梁高 4.5m、支点梁高 7.6m、箱梁顶全宽 7.0m、箱梁底宽 5.0m、全桥顶板厚 42 cm,边跨端块处顶板厚由 42 cm渐变至 80 cm,底板厚 40～90 cm,腹板厚40～70 cm。17号、21号两边墩采用圆端形实体墩,18号、19号、20号墩采用圆端形空心墩。该连续梁采用轻型挂篮分段悬臂浇筑施工。

2 静载试验

静载试验是使试验荷载在指定位置对桥梁进行加载,测试桥面挠度、梁体控制截面应变的增量,确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符,并判定结构的施工质量、运营安全度。它是检验桥梁结构强度、刚度等的最直接、有效的方法[1～3]。

2.1 测点布置

位移测点:选取了 11个控制截面,每个截面在桥面左右对称设置 2个测点,共计 22个位移测点,如图1所示。

应变测点:选取 5个控制截面,分别为图1中的3、7、9、13、15号截面。每个截面在顶 、底板布置纵向应变测点;3、9、15号截面在顶板底中部布置横向测点;7、15号截面在腹板中性轴位置布置应变花。

2.2 试验荷载及工况

试验荷载采用等效荷载法确定。结合该桥实际情况,选择了 5种最不利荷载工况进行静载试验,静载试验工况如表1所示。为了确定各种工况的最不利等效荷载,采用桥梁计算软件 MIDAS计算在设计荷载作用下的各控制截面的最大设计弯矩,按影响线采用等效加载方式确定实际加载车辆数及其纵向布置。测试工况见表1。

表1 试验工况列车编组及荷载效率

2.3 静载试验结果分析

校验系数是反映静载试验结果数据有效性以及结构受力合理性的一个重要参数,它是某一测点的实测值与相应的理论计算值的比值,实测值可以是挠度、位移、应力或力的大小。结构在试验荷载作用下产生效应(应力、挠度)的理论值是按照实际结构尺寸建立MIDAS空间三维有限元模型计算得到的。

2.3.1 应变分析(表2、图2、图3)

(1)箱梁截面纵向及横向应变分析

各试验工况荷载作用下各测试截面实测应变结果列于表2,试验结果表明:

①实测纵向、横向应变值均小于理论值,校验系数主要分布在 0.6～0.7,均较预应力混凝土梁的通常值0.6～0.9[4]为低。其差值分析认为主要来源于结构刚度(实际的大)和弹性模量(实际的弹性模量高于理论值)的影响;

②箱梁在试验荷载下纵向应变沿竖向截面变化情况符合平截面变形规律。

表2 各工况纵向及横向应变测试结果

(2)箱梁支点截面主应变分析

实测 7、13号截面腹板最大主拉应变为 27.1με,最大主压应变为 24.3με,小于理论计算值,更远小于材料容许值。

2.3.2 挠度测试结果处理(表3、图4、图5)

由表3和图4、图5可知:

(1)实测挠度曲线和理论计算挠度曲线形状和规律吻合,校验系数为 0.70～0.80,符合《铁路桥梁检定规范》[4]的要求,也表明实际结构刚度大于理论刚度;

(2)按实测值换算到中-活载时的挠跨比,中跨跨中最大挠跨比为 1/2 726,边跨跨中最大挠跨比为 1/6 720,满足《铁路桥梁检定规范》[4]第 10.0.3条的要求。

表3 各工况挠度测试结果

3 动载试验

结构的动力分析主要研究结构在动荷载(如行驶车辆、风、地震荷载)作用下的力学行为,其内容主要包括确定结构的自振特性以及动力激励源作用下结构的响应。通过检测桥梁的自由振动特性及在竖向动荷载(车辆移动与冲击)作用下的强迫振动反应,判断桥梁结构的整体刚度和行车性能,从而评价桥梁的动力性态。

3.1 测点布置及测试设备

3.1.1 振动测试

振动测点的布置选在各跨跨中及支点位置,刹车试验时把 19号～20号墩跨中横向传感器变为顺桥向。具体布置如图6所示。

图6 动力测点布置

振动测试时,加速度或位移振动信号由 941B型拾振器拾取,经相应的放大器放大后,进入 INV306振动分析仪的数采装置进行采集并记录,并可实时在笔记本电脑上观察采集的时程曲线。

3.1.2 动力系数测试

动力系数采用测动应变的方法测试。动应变测试需布置电阻应变测点,电阻应变计布置在 17号～18号墩、18号墩～19号墩跨跨中截面箱梁顶板底面,2个测点。采用半桥温度补偿技术进行测试,动应变的数据采集采用 DH5937动态测试系统进行。

3.2 行车动力响应测试及结果分析

试验列车以 40、60、80 km/h速度驶过大桥,测量桥梁各主要特征部位的动力响应,如桥跨结构动位移响应及加速度响应、动力系数等。每个车速跑车 3～4次。

实测该桥主梁边、中跨最大竖向振幅分别为 0.85 mm和 1.04mm,该桥竖向振幅较小,竖向刚度能满足行车要求。

实测该桥主梁边、中跨最大横向振幅分别为 0.81 mm和 1.06mm,该桥横向振幅较小,横向刚度能满足行车要求。

实测该桥边、中跨跨中最大横向加速度分别为0.13m/s2和 0.24m/s2,该值均小于《铁路桥梁检定规范》[4]规定的当列车通过时,桥跨结构在荷载平面的横向振动加速度不应超过 1.4m/s2的限值。

实测该桥两中墩(18号、19号墩)墩顶横向最大振幅别为 0.76mm和 0.93mm,小于《铁路桥梁检定规范》规定的铁路桥梁墩顶横向振幅通常值 1.68mm((Amax)5%=H/25+0.4=1.68mm);固定墩 (19号墩)顺桥向最大振幅为 0.58mm。

实测边跨最大应力动力系数为 1.062,中跨最大应力动力系数为 1.057;《铁路桥涵设计基本规范》[5]规定,桥梁动力系数 1+μ=1+12/(30+L),按上式计算,边跨动力系数 1.128,中跨动力系数 1.083,实测值均明显小于规范计算值。

3.3 刹车动力响应测试及结果分析

试验列车以 40 km/h速度驶过大桥,在 19号～20号跨跨中及 19号墩顶刹车。测量大桥各特征部位的竖向振幅、横向振幅和纵向振幅。试验共进行 3次,试验结果取平均值。测试结果见表4。

表4 刹车动位移测试结果 mm

由表4可以看出,实测刹车各工况下,该桥特征部位的振幅较小。

3.4 桥跨结果动力特性测试及结果分析

利用高灵敏度拾振仪,采用在 40 km/h行车条件下测量的桥梁的自振特性。该桥一阶自振频率测试结果见表5。

表5 桥梁一阶自振频率及相应阻尼比

由表5可以看出该桥实测竖、横向一阶自振频率均比相应的理论值稍大,说明该桥实际竖向、横向刚度大于理论值,施工质量良好;该桥实测横向最低自振频率为 1.19 Hz,该值大于《铁路桥梁检定规范》第10.0.5及第 10.0.6条有关自振频率通常值,满足要求。

4 结论与建议

通过对洛湛铁路石良角浔江特大桥主桥(64+2×104+64)m 4跨预应力混凝土铁路连续箱梁桥的静、动载试验,得出以下基本结论。

(1)箱梁各测试截面的静应力分布符合平截面假定,实测各测试截面的纵向、横向应变均小于理论计算值,校验系数主要分布在 0.6～0.7,主要是由于结构实际刚度过大和梁体混凝土弹性模量比设计理论值大,结构校验系数符合预应力混凝土连续梁的常值,箱梁设计理论正确。

(2)实测静载挠度曲线和理论计算挠度曲线形状和规律吻合,校验系数在 0.70～0.80,表明实际结构刚度大于理论刚度;按实测值换算到中-活载时的挠跨比,中跨跨中最大挠跨比为 1/2 726,边跨跨中最大挠跨比为 1/6 720,满足《铁路桥梁检定规范》[4]的要求。

(3)DF4双机牵引 9辆 C62重车在 40～80 km/h的试验荷载下,实测最大动力系数:边跨 64 m梁为1.062,中跨 104m梁为 1.057,均低于《铁路桥涵设计基本规范》[5]规定的设计值 1.128和 1.083。

(4)实测跨中横向最大振幅:边跨 0.81mm、中跨1.06mm;最大加速度边跨 0.13m/s2,中跨 0.24m/s2;连续梁横向一阶自振频率为 1.19Hz,均满足《铁路桥梁检定规范》[4]限值的要求。

(5)实测两中墩墩顶横向最大振幅仅为 0.76mm和 0.93mm,小于《铁路桥梁检定规范》[4]规定的通常值,桥墩具有良好的横向刚度。固定墩在跑车工况下实测纵向最大振幅为 0.58 mm,制动工况下为0.97mm。

(6)该连续梁梁体和桥墩的施工质量符合设计要求,其承载能力达到设计中-活载的标准,并满足列车按设计速度安全运行的要求。

(7)本次试验采用 2台 DF4机车联挂 9辆 C62车辆荷载,仍达不到《铁路桥梁检定规范》[4]要求的荷载效率系数,建议结合我国普铁的实际荷载状态对荷载标准和《铁路桥梁检定规范》[4]的荷载效率系数限值开展研究。

(8)目前《铁路桥梁检定规范》[4]的限值均是针对简支梁,建议对其他结构型式桥梁开展有针对性的研究。

[1]JTGD 60—2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[2]马坤全,蒋 鹏,王水龙,等.铁路连续梁桥荷载试验与结构评定[J].铁道标准设计,2007(12):37-40.

[3]李桂华,许士斌,吴晓媛,等.大型桥梁动力特性检测方法[J].应用力学学报,1996,13(1):48-52.

[4]铁运函[2004]120号,铁路桥梁检定规范[S].

[5]TB 10002.1— 2005,铁路桥涵设计基本规范[S].