普速铁路下承式大跨简支钢梁桥动载试验研究

翁 艳 张 明 徐亚光

(1.四川广播电视大学,四川 成都 610072； 2.中国铁路成都局集团有限公司,四川 成都 610081)

既有普速铁路线中，下承式简支钢桁梁数量较多，在32 m～80 m的中等跨度的桥梁中占有绝对地位。一般大于80 m跨度的简支钢桁梁可以称为大跨度桥梁。而对于较大跨度的钢桁梁桥，随着现今重载运输量增大，桥梁承受的动载也加大，导致桥梁的荷载效应变大。因此有必要对既有线桥梁结构进行动载试验，分析并掌握其病害，保障列车的运营安全。

1 桥梁概况

渡口支线某钢梁桥全长为297.20 m，主跨为176 m双线简支钢桁梁(见图1)，共设有22个节间，节间布置为(22×8)m。桁高24 m，主桁中心距10 m，桥面系采用纵横梁体系，纵梁中心距2 m，线间距4 m。主桁采用拼接工字型截面，连接系采用角钢或拼接工字型截面，横梁和纵梁采用拼接工字型截面。其《铁路桥涵设计规范》进行设计，活载设计等级为“旧中—24级”，检定等级为“旧中—33.2级”。设计恒载采用14.0 t/m两桁(包括桥面1.4 t/m两桁)，风载分别采用100 kg/m2(桥上无车时)、120 kg/m2(桥上有车)和70 kg/m2(安装时)。

钢梁采用辊轴支座，小里程端为固定支座，大里程端为活动支座。主桁(局部受力立杆及挂杆除外)、横梁、顶梁及顶梁托架采用16Mn低合金钢，其他杆件材料采用A3q碳钢，全桥采用铆接，铆钉采用ML2碳钢。

2 动载试验

试验时对该梁跨中振幅、加速度、动挠度、梁体自振频率、动应力及活动支座纵向位移进行测试，并测试该桥3号、4号墩墩顶横向振幅。过路列车通过时也需测试以上内容。

2.1 模态测点布置

选取钢桁梁测试其前5阶自振频率及相应振型。测点布置见表1。

表1 大桥脉动试验测点布置

2.2 动载测点布置

大桥动载试验测点布置见表2，其中主桁杆件动应力测点均取截面静载应力最大点位，纵横梁跨中上、下翼缘各取1个测点。

2.3 动载试验工况

本次动载试验采用试验专用列车进行加载，动载试验列车编组采用SS3+10C70(重车)+12C70(空车)+SS3。试验列车速度等级为5 km/h,40 km/h,50 km/h,60 km/h,70 km/h,75 km/h，除5 km/h速度级跑车1次外，其余每速度级要求跑车3次，共16趟车。试验时，每提高一个速度级均对上一速度级测试数据进行分析、判断，确认无危险后才进行下一速度级试验。试验期间，对通过货运列车也进行测试，货车测试19趟。

表2 动载试验测点布置

3 试验结果及分析

3.1 动载应力及动力系数

3.1.1主桁杆件动载应力及动力系数

钢桁梁主桁杆件的实测最大动应力及动力系数见表3。

表3 钢桁梁主桁杆件最大动载应力及动力系数

由主桁杆件动应力测试结果可知，动载试验车通过时，上、下弦杆实测应力动力系数为1.003～1.127，斜杆实测应力动力系数为1.002～1.127，竖杆实测应力动力系数为1.001～1.052，均小于设计动力系数1.130。

3.1.2纵横梁动载应力及动力系数

钢桁梁纵横梁各杆件的实测最大动应力及相应动力系数见表4。

表4 钢桁梁纵横梁跨中最大动载应力及动力系数

由纵横梁动应力测试结果可知，动载试验车通过时，钢桁梁纵梁实测应力动力系数为1.00～1.11(过路车：0.98～1.09)，小于设计动力系数1.583；横梁实测应力动力系数为1.02～1.22(过路车：1.08～1.49)，小于设计动力系数1.500。

3.2 动挠度

在试验车作用下，实测钢桁梁及钢板梁桥跨中截面动挠度最大值分别为71.006 mm(75 km/h，上行)和22.602 mm(75 km/h，上行)。钢桁梁和钢板梁最大挠度动力系数分别为1.054和1.046，均发生在试验列车以75 km/h通过时。钢桁梁与钢板梁最大挠度动力系数小于《铁路桥梁检定规范》(下称《桥检规》)动力系数参考值1.130(钢桁梁)及1.389(钢板梁)，满足规范要求。钢桁梁及钢板梁跨中动挠度与车速的关系见图2。

钢桁梁挠度动力系数大致随试验列车速度的提高呈现增大，在50 km/h～70 km/h速度范围内，钢桁梁挠度动力系数变化很小，在车速达到75 km/h时，挠度动力系数显著增大；钢板梁挠度动力系数也大致随试验列车速度的提高呈现增大，在车速不小于60 km/h时，动力系数显著增大。

3.3 活动支座位移

大桥钢桁梁共4个支座，钢梁采用辊轴支座，本次试验大里程端活动支座纵向位移测试结果为：上游侧动载试验车通过时为20.42 mm，货车通过时为20.35 mm，下游侧动载试验车通过时为18.76 mm，货车通过时为20.54 mm，位移值均在设计范围之内，表明活动支座工作正常。

3.4 端横梁动位移

钢桁梁端横梁动挠度最大值为0.50 mm(过路车0.73 mm)，参照日本《铁路结构物设计标准及其解释——变位限制》(2006年2月)规定的端横梁动挠度应不大于4 mm，《铁路桥隧建筑物修理规则》规定的端横梁挠度不大于2 mm，说明该桥端横梁动挠度正常。

3.5 伸缩纵梁动位移

本次试验伸缩纵梁的纵向位移测试结果见表5。

表5 钢桁梁伸缩纵梁最大纵向位移结果表 mm

由伸缩纵梁动位移测试结果可知，动载作用下伸缩纵梁工作状态正常。

3.6 振动结果分析

3.6.1钢桁梁自振特性

1)脉动法测试结果。

钢桁梁自振频率采用脉动法测定，测试结果见表6。

表6 钢桁梁自振频率结果表 Hz

2)余振法测试结果。

桥跨结构横向自振频率采用结构余振自由衰减振动法测定，钢桁梁、钢板梁及桥墩余波自振测试结果见表7。

表7 钢桁梁、钢板梁及3号、4号墩自振频率结果表 Hz

3.6.2梁体跨中横向振幅

通过对试验车及过路列车测试，梁体跨中横向振幅与试验车速度的关系散点图见图3。

由测试结果数据分析可得：

试验车作用下，实测钢桁梁跨中横向振幅最大值为3.06 mm，小于《桥检规》货列重车跨中横向最大振幅通常值[Amax]5%=L/(2.2B)=8.00 mm，也小于《桥检规》安全限值[Amax]5%=L/(75L+3 500)=10.54 mm；

过路货车作用下，钢桁梁跨中横向振幅最大值为3.18 mm，通过速度为30 km/h，小于《桥检规》货列重车跨中横向最大振幅通常值(Amax)5%=L/(2.2B)=8.00 mm，小于《桥检规》安全限值[Amax]5%=L/(75L+3 500)=10.54 mm。

综上，说明在过路货车和过路客车作用下，钢桁梁的横向振幅小于《桥检规》安全限值。

3.6.3梁体跨中竖向振幅

通过对试验车及过路列车测试，梁体跨中竖向振幅与试验车速度的关系散点图见图4。

由测试结果数据分析可得：

在试验列车作用下，钢桁梁跨中竖向最大振幅为1.99 mm(动载试验车，速度75 km/h)；在过路货车作用下，钢桁梁跨中竖向最大振幅为1.29 mm(过路货车，速度39 km/h)。如图4所示桥梁竖向振幅最大值随着试验列车速度的增大而增大，且较为明显。

3.6.4梁体跨中加速度

通过对试验车及过路列车测试，实测梁体跨中横、竖向加速度分别经40 Hz低通滤波、20 Hz低通滤波后，得到：

1)按40 Hz低通滤波得到的钢桁梁梁体最大横向加速度为0.61 m/s2(动载试验车，速度75 km/h)，满足《桥检规》要求；钢板梁梁体最大横向加速度为1.52 m/s2(动载试验车，速度60 km/h)，不满足《桥检规》要求。

2)按20 Hz低通滤波得到的钢桁梁梁体最大竖向加速度为0.56 m/s2(动载试验车，速度75 km/h)。且振动加速度值随试验列车速度的提高有增大的趋势。

3.6.5桥墩横向振动

通过对试验车及过路列车测试，墩顶最大横向振幅与试验车速度的关系散点图见图5。

由测试结果数据分析可得，试验车作用下的3号、4号墩最大横向振幅分别为0.09 mm，0.13 mm，均小于规定的墩顶横向振幅通常值要求，说明桥墩横向刚度较好。

4 结语

通过对钢桁梁、钢板梁及桥墩进行动载试验，得出主要结论如下：

1)钢桁梁弦杆实测应力动力系数、斜杆实测应力动力系数、竖杆实测应力动力系数、纵梁实测应力动力系数、横梁实测应力动力系数均小于设计动力系数；

2)钢桁梁、钢板梁跨中挠度动力系数小于《桥检规》动力系数参考值；

3)动载试验车通过时，活动支座最大纵向位移均在设计范围之内，表明支座工作状态正常；

4)钢桁梁端横梁动挠度最大值为0.50 mm(过路车0.73 mm)，参照日本《铁路结构物设计标准及其解释——变位限制》(2006年2月)规定的端横梁动挠度应不大于4 mm，《铁路桥隧建筑物修理规则》规定的端横梁挠度不大于2 mm，说明该桥端横梁动挠度正常；

5)钢桁梁、钢板梁实测横向自振频率满足《桥检规》要求，3号、4号墩横向自振频率不满足《桥检规》要求；

6)实测钢桁梁梁体跨中横向振幅最大值满足《桥检规》规定的要求，说明钢桁梁横向刚度较强；实测钢板梁梁体跨中横向振幅最大值满足《桥检规》规定的要求；

7)实测墩顶最大横向振幅均满足《桥检规》规定的墩顶横向振幅通常值；

8)建议定期对3号、4号墩进行横向振幅自振测试。