铁路跨度12 m低高度钢筋混凝土板梁桥试验研究

贾晋中

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350)

跨度12 m低高度钢筋混凝土梁因易满足桥梁净空、节省材料，在我国前期的铁路建设中得以广泛应用。朔黄铁路是我国西煤东运的重要通道，全线采用了24孔12 m低高度钢筋混凝土板梁。据运营实践及现场调研，该类板梁普遍存在裂缝，部分孔跨梁体表面出现竖向环裂现象，其中西留肖中桥尤为突出，另外该桥梁体横向振幅较大，桥上车辆晃动，存在行车安全隐患。限速措施虽减小了梁体横向振动，但对运营干扰较大，需采取措施对梁体进行加固或改造，以解除线路限速。12 m低高度钢筋混凝土板梁的竖向刚度相对较低，本文通过对该类梁体的动力性能进行现场测试，研究该类梁体对近半年来开行的C80(25 t轴重运煤专用敞车)货车运输的适应性。

1 试验概况

1.1 试验内容

试验主要测试内容:梁体自振频率;梁体跨中截面的主筋动应变、动挠度;梁体跨中截面竖向振幅、横向振幅;板式橡胶支座竖向、横向动位移;墩顶横向振幅;列车速度和位置。

1.2 试验桥梁

为分析西留肖中桥梁体横向晃动大的原因和12 m低高度钢筋混凝土梁体适应性，另选取跨新沧保公路大桥作对比试验研究，两座试验桥梁概况如下:

西留肖中桥，中心里程K477+051，上行重车线桥号227A，桥梁全长34.0 m，孔跨样式为2-12 m低高度钢筋混凝土简支板梁，图号为专桥(88)1024，梁体后期采用碳纤维布进行加固，测试孔跨为第1孔，为避免破坏梁体既有加固措施，未测试该桥跨中截面的主筋动应变，该桥限速65 km/h。

跨新沧保公路大桥，中心里程K428+051，上行重车线桥号 207A，桥梁全长 187.9 m，孔跨样式为13-12 m低高度钢筋混凝土简支板梁，图号为专桥(88)1024，测试孔跨为第10孔。

两座桥梁试验现场如图1所示。

图1 两座桥梁试验现场

两座桥梁支座均采用板式橡胶支座，桥上线路为直线，上行重车线轨道结构均为无缝线路、75 kg/m钢轨、Ⅱ型轨枕。西留肖中桥采用单线圆端形板式桥墩，跨新沧保公路大桥采用门式框架墩。两座桥梁下部结构如墩台形式、墩高、基础类型等均不一致，对两座桥梁均测试墩台动力响应以便于梁体结构动力性能对比分析。

两座桥梁测点布置如图2所示。

图2 两座桥梁试验测点布置示意

试验测试内容主要分为振幅、位移、应变与列车速度。振幅传感器采用国家地震局哈尔滨工程力学研究所生产的891-Ⅱ传感器与积分放大器;应变传感器采用日本KYOWA公司生产的KFW-5-120应变片与动态应变仪;位移传感器采用中国水利水电科学研究院生产的LVDT差动变压器式位移计与位移放大器;列车速度传感器采用永磁磁钢。各传感器通过数据电缆连接至动态数据采集分析系统进行试验物理量的测量。

1.3 测试列车

测试列车为运营列车，列车类型主要为 C64，C70A，C80。西留肖中桥测试运营列车速度为54～64 km/h，平均车速为60 km/h;跨新沧保公路大桥运营列车速度为68～77 km/h，平均车速为75 km/h。

2 测试结果及分析

2.1 自振频率

采用力锤冲击法对两座桥梁梁体竖向自振频率进行测试。实测西留肖中桥第1孔左右两片梁的竖向一阶自振频率为9.20 Hz;实测跨新沧保公路大桥第10孔左右两片梁体竖向一阶自振频率为8.80 Hz。

2.2 梁体竖向振幅

运营列车作用下西留肖中桥左右梁体跨中竖向振幅最大值分别为2.23，2.29 mm;跨新沧保公路大桥左右梁体跨中竖向振幅最大值分别为2.54，2.44 mm。两座桥实测梁体竖向强振频率与列车速度/车长均呈线性关系，并与强振频率理论计算值(f=车速/车长)吻合;左右两片梁跨中竖向振幅相位在梁体竖向响应的主要频率范围内呈线性正相关，相关系数接近于1.0，说明两片梁体竖向共同作用状态较好。

2.3 梁跨体系横向振动

运营中发现西留肖中桥梁体横向振幅较大，桥上车辆晃动，存在行车安全隐患。本文详细地对运营列车作用下桥跨结构的横向振动响应进行了测量。桥跨横向振动测点包含梁端与跨中截面处的横向振幅、支座横向位移、墩顶横向振幅。梁跨体系横向刚度评价方法按照文献[1]中的规定进行，评价指标见表1。需要说明的是，梁端横向振幅与特殊墩台结构横向振幅没有相应的评价标准，本文主要为分析横向振动响应过大的原因而加以测量。

表1 桥跨体系横向振动评价参数

实测两桥左侧梁体跨中及C80货车作用下梁端横向振幅与行车速度关系见图3、图4。右侧梁体跨中横向振动响应规律与左侧基本一致，在此不再赘述。

图3 两桥左侧梁体跨中横向振幅与行车速度关系

图4 C80货车作用下左侧梁端横向振幅与行车速度关系

运营列车作用下，西留肖中桥左右梁体跨中竖向振幅最大值分别为0.73，0.74 mm;跨新沧保公路大桥左右梁体跨中竖向振幅最大值分别为0.45，0.40 mm，实测梁体跨中横向振幅均小于梁体跨中横向振幅通常值，但西留肖中桥梁体跨中横向振幅实测值的离散程度与数值大小均大于跨新沧保公路大桥实测值。

C80货车作用下西留肖中桥梁体横向振幅沿线路方向依次增大，台上梁端(神池南)梁体横向振幅最小，墩上梁端(黄骅港)横向振幅最大;跨新沧保公路大桥梁体横向振幅两梁端与跨中基本一致。测试梁跨下部结构西留肖中桥神池南为桥台，黄骅港为桥墩。跨新沧保公路大桥两梁端均为结构形式相同、墩高基本一致的桥墩。一般而言，桥台水平刚度远大于桥墩水平刚度，而梁体横向振幅与下部结构刚度关系密切，造成两桥梁体横向振幅沿线路方向表现规律不一致。

运营列车作用下，西留肖中桥左右梁体梁端板式橡胶支座横向位移最大值分别为1.33，1.15 mm，跨新沧保公路大桥左右梁体跨中竖向振幅最大值分别为0.60，0.43 mm，两桥板式橡胶支座横向位移均满足规范限值要求。对于西留肖中桥，台上与墩上支座横向位移最大值分别为0.57，1.33 mm，跨新沧保公路大桥两梁端墩上支座位移基本一致。

运营列车作用下，西留肖中桥墩顶横向振幅最大值为0.16 mm，跨新沧保公路大桥墩顶横向振幅最大值为0.13 mm。西留肖中桥墩顶横向振幅小于规范规定的墩顶横向振幅通常值。

两桥梁跨体系横向振动响应的实测结果见表2。由表2可知:梁体横向振幅与支座横向位移关系密切，西留肖中桥梁体跨中横向振幅较大，与支座横向位移密切相关(二者墩顶横向振幅差异较小)。除西留肖中桥未设置梁端横向限位装置外，两桥上部结构形式基本一致，线路条件与测试运营车辆基本相同。西留肖中桥梁体横向振幅过大的主要原因是未设置横向限位装置，次要原因是桥梁梁体及墩体横向刚度较小。文献[2]规定纵向活动支座的横桥向应设置可靠的横向限位装置，使支座的横向位移不大于1 mm。实测西留肖中桥支座横向位移最大值为1.33 mm，超出支座横向限位构造设计要求，应采取对西留肖中桥设置梁端横向限位装置等措施以改善梁体横向振幅较大的问题。

表2 两桥梁跨体系横向振动响应测试结果

2.4 梁体跨中动挠度

运营列车作用下，西留肖中桥梁体跨中动挠度(扣除梁端支座竖向位移)最大值为6.37 mm，跨新沧保公路大桥梁体跨中动挠度最大值为6.57 mm，对应车型均为C80货车。静挠度按文献[1]实测动挠度波形获得相应的动力系数计算。计算出的西留肖中桥与跨新沧保公路大桥梁体跨中挠度动力系数分别为1.34，1.33，从而推算C80货车作用下梁体跨中静挠度分别为4.75，4.94 mm。按简支梁计算，换算至中—活载作用下，两桥挠跨比分别为1/2 073，1/2 090。根据文献[1]，该类梁型属于低高度钢筋混凝土梁，其竖向挠跨比通常值为1/1 900。实测两桥梁体竖向挠跨比均未超过挠跨比通常值，且小于文献[3]规定的简支钢筋混凝土梁的竖向挠跨比容许值(1/800)和该梁型竖向挠跨比设计值(1/1 644)。根据文献[4]可将竖向刚度劣化等级划定为C级，认为结构物或构件劣化对使用功能和行车安全影响较小[1，3-4]。

从梁体挠度校验系数(实测值与理论计算值的比值)看，桥梁结构按平面理论分析，按简支梁计算，C80作用下梁体跨中静挠度为6.28 mm。因此西留肖中桥与跨新沧保公路大桥梁体跨中挠度校验系数分别为0.76，0.79，均超过文献[1]规定的通常值范围(0.55～0.65)，主要原因是双片并置式板梁横向整体性能差与梁体开裂导致竖向刚度降低。受线桥偏心及装载偏心影响，左右两片梁跨中挠度不一致。西留肖中桥右片梁挠度实测平均值较左片梁大0.16 mm，挠度最大值相差0.33 mm。跨新沧保公路大桥右片梁挠度实测平均值较左片梁挠度大0.14 mm，挠度最大值相差0.34 mm。

从梁体竖向刚度实测值、设计值与规范限值比较分析可知，两桥竖向刚度均满足使用功能与行车安全要求，梁体竖向刚度的劣化对该桥梁梁体结构的使用功能与行车安全影响较小。

2.5 梁体跨中截面主筋动应变

运营列车作用下，跨沧保公路大桥跨中截面主筋动应变波形图(左右两片梁共4个测点)见图5，最大动应变换算应力为77.7 MPa。实测应力幅值低于我国科研院校钢筋疲劳试验得出的108次时钢筋疲劳抗力值[5-6]，且低于该桥梁在中—活载作用下，设计动力系数取1.29。按文献[3]检算时钢筋主拉应力增量(113.2 MPa)。

图5 C80货车主筋动应变波形

与挠度测试结果相一致，试验荷载卸载后，梁体跨中挠度与主筋应变波形图无明显飘移现象，表明梁体在线弹性范围内工作。

两桥梁体虽均有开裂现象，但在承载能力方面，实测主筋应力小于疲劳抗力与活载作用下主拉应力增量值，且梁体在线弹性范围内工作。另外对于12 m跨度的桥梁，不考虑列车动力作用，标准列车竖向静活载(中—活载)相对C80货车含16%的活载储备。因此，综合两桥试验结果分析可知，该类梁体结构可适应25 t轴重C80货车的重载运输要求。

3 结论

1)梁体横向振幅与支座横向位移关系密切，西留肖中桥梁体跨中横向振幅较大，与支座横向位移密切相关(二者墩顶横向振幅差异较小)。除西留肖中桥未设置梁端横向限位装置外，两桥上部结构形式基本一致，线路条件与测试运营车辆基本相同。西留肖中桥梁体横向振幅过大的主要原因是未设置横向限位装置，次要原因是桥梁梁体及墩体横向刚度较小。

2)在对西留肖中桥采取梁端横向限位措施后，可通过组织不同列车速度级桥梁动力性能试验，并加强桥梁日常检查，以解除目前该桥采取的限速措施。

3)从梁体竖向刚度实测值、设计值与规范限值比较分析可知，两桥竖向刚度均满足使用功能与行车安全要求，梁体竖向刚度的劣化对该桥梁梁体结构的使用功能与行车安全影响较小。

4)两桥梁体虽均有开裂现象，但在承载能力方面，实测主筋应力小于疲劳抗力与活载作用下主拉应力增量，且梁体在线弹性范围内工作。另外对于12 m跨度的桥梁，不考虑列车动力作用，标准列车竖向静活载(中—活载)相对C80货车含16%的活载储备，因此，该类梁体结构适应25 t轴重C80货车的重载运输要求。

[1]中华人民共和国铁道部.铁运函[2004]120号 铁路桥梁检定规范[S].北京:中国铁道出版社，2004.

[2]中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2010.

[3]中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京:中国铁道出版社，2010.

[4]中华人民共和国铁道部.铁运函[2010]38号 铁路桥隧建筑物修理规则[S].北京:中国铁道出版社，2010.

[5]中国铁道科学研究院.呼铁局开行重载列车条件下桥涵适应性分析及强化对策研究分报告之三——跨度4.5 m钢筋混凝土梁疲劳试验报告[R].北京:中国铁道科学研究院，2012.

[6]戴公连，吕海燕，曾庆元.25吨轴重荷载下铁路中、小跨度混凝土桥刚度研究[J].长沙铁道学院学报，1997，15(2):88-94.