我国既有普速铁路桥梁检定若干问题探讨

2019-11-11宋国华柯在田齐法琳杨宜谦董振升王一干

铁道建筑 2019年10期

王巍，宋国华，柯在田，齐法琳，杨宜谦，董振升，王一干

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081）

桥梁结构作为铁路的重要基础设施，其状态是影响铁路运输效率的重要因素，铁路桥梁检定评估工作是确定桥梁运用条件、制定桥梁大修及技术改造计划的重要技术支撑。为保证铁路运输安全，《铁路技术管理规程（普速铁路部分）》规定：技术复杂及重要的桥梁检定，每十年不少于一次［1］。既有普速铁路桥梁的检定评估主要依据是铁运函〔2004〕120 号《铁路桥梁检定规范》［2］（下文简称《桥检规》）。

《桥检规》是2004 年由原铁道部组织有关部门和单位总结完成的，由于该规范没有条文说明，部分条款在执行过程中存在一些难点，如梁体横向振动加速度是否要低通滤波及滤波截止频率等。近年来，结构设计计算理论、测试技术也有了较大发展。

本文结合近年来铁路桥梁检定工作的相关实践，对既有普速铁路桥梁承载能力评定方法、钢桁梁有限元模型、钢桁梁杆件截面应力的测试位置等问题进行探讨，供既有普速铁路桥梁检定参考。

1 桥梁承载能力评定方法

铁路桥梁检定工作一般包括桥梁现状检查、结构及墩台承载能力的检算、运营性能检验、桥梁现场试验等。各铁路局每年会安排部分特殊结构桥梁的检定任务，委托下属桥检队或者铁路行业内有相关资质的单位开展检定工作。此类桥梁检定一般为桥梁现状检查，并以现场静载试验来确定桥梁的承载能力和以动载试验确定桥梁的运营性能。

为保证桥梁静载试验结果的可靠性，一般桥梁静载试验安排在无风及温差较小的夜间进行，且静载试验涉及单位较多，包括总工室、工务处、机务处、车辆处、电务处、调度所、安监室等单位［3］。对于运输任务繁忙的既有线路开展桥梁静载试验较为困难，且安全压力较大，经常会出现静载试验无法按计划完成的情况。

《桥检规》并未对桥梁静载试验开展的前提条件进行规定。公路行业桥梁承载能力评定主要依据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》［4］，该规范对公路桥梁荷载试验开展的前提条件进行了明确规定：当检算的作用效应与抗力效应的比值在1.0 ～1.2 时，应通过荷载试验评定承载能力［4］。从实践情况看，公路桥梁通过外观检查和承载能力检算，可以及时发现病害桥梁，也可以定量给出桥梁的承载能力。与静载试验相比，桥梁外观检查和承载能力检算更为简便、经济，对正常的交通影响较小。

相比于公路桥梁，既有普速铁路桥梁活载更为明确，货车车辆超载情况极少，开展承载能力检算更为简便，对铁路运输影响更小，且更为经济。因此，对于既有普速铁路运营荷载没有较大变化或未出现缺陷、损伤的桥梁，建议通过结构检算确定桥梁承载能力；对于出现缺陷、损伤或加固改造后的桥梁，建议结合结构检算，通过静载试验确定桥梁承载能力。

2 钢桁梁有限元模型

结构的校验系数是试验荷载作用下测点的实测弹性变形值或应变值与相应的理论计算值的比值，反映结构实际工作状态，结构校验系数越小，结构的安全储备越大。

校验系数中的理论计算结果对校验系数影响较大，采用有限元模型计算是得到理论计算结果的常用手段。有限元模型是静载试验工作的基础，《桥检规》给出了钢桥按平面理论分析、桥道纵梁按简支计算的结构校验系数［2］。

我国铁路钢桥采用的桁架结构是一种空间结构，各杆件之间的连接是刚性连接，最佳的计算方法是按空间结构来分析。但是实际工作中有时仍沿用《桥检规》简化的计算方法，即将桁架结构分成若干个平面结构如主桁、纵梁、横梁、平纵联、横向连接系、桥门架等，并假设节点为铰接，按各自平面上的荷载来计算杆件内力。这种计算方法无法考虑节点刚性和结构空间作用的影响。

以浔江大桥为例，浔江大桥为3 孔下承式连续钢桁梁，设计图号为“专桥（68）0120-6”，材料为16Mn 低合金钢，计算跨度Lp=64 m，每孔8个节间，节间长度8 m，主桁高度11 m，主桁中心距5.75 m，纵梁中心距2 m。采用MIDAS软件分别建立平面模型（见图1，取对称结构的一半）和空间模型（见图2）进行理论值计算，静载试验测试结果见表1。

图1 浔江大桥平面有限元模型

表1 浔江大桥主测杆件轴向应力测试结果

从表1中可以看出：①对于上下弦杆，以平面模型的计算结果为理论值，下弦杆的结构校验系数在0.70～0.74，上弦杆的结构校验系数在0.79～0.95；以空间模型的计算结果为理论值，下弦杆的结构校验系数在0.86～0.89，上弦杆的结构校验系数在0.93～1.00。两者结果差距较大，空间模型更接近于实测结果。②对于吊杆和腹杆，以平面模型的计算结果为理论值，结构校验系数在0.81～1.07，以空间模型的计算结果为理论值，结构校验系数在0.90～1.03，两者结果接近。

对于桁架结构的纵横梁，纵梁的支撑状态与支撑在横梁上的连续梁类似，横梁的受力状态在一定程度上类似于弹性嵌固于主桁节点的固端梁。采用《桥检规》简化计算时，纵横梁的边界条件与其真实的边界条件相差较大，简化模型计算得到的理论值偏大，表2给出了浔江大桥纵横梁结构校验系数。可知，空间模型下的纵横梁结构校验系数均大于平面模型下的结构校验系数，空间模型更接近于实测值。

表2 浔江大桥纵、横梁结构校验系数ξσ

近年来，随着有限元软件的大规模应用，桥梁结构的计算水平已有了大幅提高，建议铁路钢桁梁计算模型由原来的平面模型逐渐向空间模型过渡，从而提高有限元模型计算结果的准确性。

3 钢桁梁杆件截面应力测试位置

钢桁梁杆件的实际受力状态与空间梁更为接近，外荷载作用下，杆件不仅要承受轴向力作用，还要承受弯矩、剪力和扭矩的作用［5-6］。除轴向力以外的所有内力、构造及施工原因引起的杆件应力统称为次应力。在钢结构中，一般很难避免由于构件的偏心、节点的刚性、桥面的变形等因素引起的次应力。但我国铁路钢桁梁设计中大多都忽略杆件次应力的影响，按轴向受力设计杆件的截面。TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》规定：当主桁杆件截面的高度与节长之比在连续桁梁中大于1/15、简支梁中大于1/10时应计算由节点刚性引起的次应力［7］。

如前所述，结构的校验系数是反映结构实际工作状态的指标，有限元模型计算中通常无法重现由于构造、施工等原因导致的杆件偏心引起的杆件次应力。现场试验时，应变计一般沿杆件的轴向布置，测量得到的是荷载作用下杆件所受纵向正应力之和［8］。如何尽量降低杆件次应力对杆件轴向力测试结果及结构校验系数计算结果的影响就显得尤为重要。实践表明，合理选择钢桁梁杆件应力的测试位置可以降低杆件次应力的影响［8］，但《桥检规》并未给出钢桥杆件截面应力的测试位置建议。

成昆线桐模甸2 号桥128 m 简支钢桁梁和2×64 m上承式连续钢桁梁静载试验中在钢桁梁个别杆件上布置5 个断面的应力测点，以分析节点次应力的传递规律。128 m 简支钢桁梁选择下游侧E6E7下弦杆的E6端节点附近进行4 个断面的次应力测试，最近的断面距节点板为5 cm，测试断面间距为5 cm，每个断面布置4 个应力测点，如图3 所示。同时，在杆件中部断面布置4 个应力测点，端节点附近断面与杆件中部断面轴向应力和次应力系数对比见表3。

图3 E6A7斜杆的E6端节点次应力测试断面及测点布置

2×64 m 上承式连续钢桁梁选择下游侧E7A8下弦杆的E8端节点附近进行4 个断面的次应力测试，最近的断面距节点板为5 cm，测试断面间距为5 cm，每个断面布置4 个测点，如图4 所示。同时，在杆件中部断面布置4 个应力测点，端节点附近断面与杆件中部断面轴向应力和次应力系数对比见表4。

图4 E7A8斜杆的E8端节点次应力测试断面及测点布置

表4 E7A8斜杆E8端节点附近断面与杆件中部断面轴向应力和次应力系数对比

从表3 和表4 中可以看出，杆件的轴向应力由节点板边缘向杆件中部方向呈现逐渐减小的趋势，杆件次应力系数在杆件端部大于杆件中部。对于钢桁梁杆件，由于节点板处受力比较复杂，杆件截面应力测试时，建议布置到靠近杆件中部的部位，以尽量降低杆件次应力的影响。

4 梁体横向振动加速度滤波的截止频率

日本国铁技术研究所对跨度50 m 以下的钢桥横向振动加速度进行了试验研究，结论是当桥梁的水平横向加速度达到0.1g～ 0.2g时，车辆容易脱轨［9］。我国《桥检规》中规定：当列车通过时，桥跨结构在荷载平面的横向加速amax不应超过1.4 m/s2［2］。但振动加速度频率范围没有明确界定。

桥梁在列车荷载作用下的横向振动以列车加载频率为主，引起车桥系统横向振动的激励源主要是车辆蛇行运动，车辆的蛇行运动频率通常介于按自由轮对假设和按刚性定位转向架假设计算的蛇行运动频率之间，蛇行运动频率要低于自由轮对的蛇行频率，高于刚性定位转向架假设的蛇行频率［10］。假定车辆车轮经过磨耗后的车轮踏面等效锥度由初始状态的0.05 变化为 0.10，C80货车以 80 km/h 左右通过时，蛇行运动频率介于 1.49 ～ 2.36 Hz；客车以160 km/h 左右通过时，蛇行运动频率介于1.96 ～3.82 Hz。实测结果［11］为：C80货车以 80 km/h 左右通过时，梁体横向强迫振动频率最大约为2.0 Hz；客车以160 km/h 左右通过时，梁体横向强迫振动频率最大约为2.2 Hz。由此可见，铁路桥梁横向振动以低频为主。梁体横向振动与运营列车车辆构架横向加速度相关性较强，我国TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》引用欧盟规范UIC 518—2005Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour-safety-track fatigue-ride quality的规定，车辆构架横向加速度滤波0.5 ～10 Hz［12］。为与车体构架横向加速度评价标准一致，梁体横向振动加速度建议采用10 Hz低通数字滤波处理，且采用10 Hz低通滤波能够保证梁体横向振动频率不高于5 Hz的振动信号不失真［13］。