轻轨特大刚构拱桥承载能力及车桥耦合振动试验研究

钟晓林，张鹏

（广州建设工程质量安全检测中心有限公司广州510440）

0 引言

轨道交通由于方便快捷，在现代城市交通中扮演着越来越重要的角色。相比于地下隧道，轨道交通采用越来越多的高架桥梁，其成本优势明显，但桥梁的承载能力及动力特性也成为轨道交通安全建设关注的焦点。

对于公路桥梁，通常根据《城市桥梁检测技术标准：DBJ/T 15-87-2011》［1］对桥梁进行荷载试验，再对其承载力进行评估，相关研究已有较多的成果［2-4］。对于城市轨道交通高架桥，虽然现行《铁路桥梁检定规范》（铁运函〔2004〕120 号）［5］有一些相关规定，但荷载与铁路桥梁的荷载存在较大区别，不能完全参照，且目前针对轨道交通桥梁承载力评估的文献报道相对较少。

另一方面，由于轨道交通的列车荷载容易引起振动，因此桥梁的动力特性和车桥耦合特性成为研究的重点。张鹏等人［6］研究了连续车流-桥耦合系统的随机响应，引入连续车流的概念，为轨道列车荷载的对比提供借鉴。刘海涛等人［7］研究了轻轨系统的车-轨道梁-刚构桥空间耦合系统动力特性，并评价乘坐的舒适性。罗锟等人［8］采用仿真方法模拟轨道交通车桥耦合系统，取得了良好效果。王少杰等人［9］，李小珍［10］等人分别对桥线形变化、跨坐式单轨车辆的轻轨车桥耦合进行了研究。然而，以上研究均是基于理论计算及仿真模拟，轨道桥梁的实际受力特性还需要进一步的现场试验验证。

因此，本文将结合某主跨为310 m 的城市轻轨高架桥，依据相关规范［1，5］，进行动静载荷载实验，以评估轨道交通桥梁的承载能力、刚度和车桥耦合效应，为该桥的安全运营提供试验数据依据，也为类似桥梁提供工程参考。

1 工程概况

本联桥梁为大跨度连续刚构拱桥，全长310 m，跨径组合为（80+150+80）m；为双线线路，采用B 型车，6辆编组，设计最高运营时速为80 km/h。主梁及Y 肋混凝土强度等级为C60、桥墩混凝土强度等级为C50，承台混凝土强度等级为C40。桥梁概貌如图1所示。

2 静载试验

本次试验对象为特大跨度连续刚构拱桥，根据文献［1］，试验工况分别为①主跨最大正弯矩（A-A 截面）工况；②Y 肋顶处梁最大负弯矩（B-B 截面）工况；③边跨跨中正弯矩（C-C 截面）工况；④边墩（薄壁墩）墩顶弯矩（D-D截面）工况。测试控制截面如图2所示。

图1 桥梁概貌Fig.1 Bridge General View

图2 本次试验控制截面示意图Fig.2 The Control Section Schematic Diagram of the Experiment （cm）

2.1 有限元计算模型

采用Midas/civil 软件建立桥梁的空间有限元模型，桥梁模型如图3所示。

图3 桥梁Midas/civil模型Fig.3 The Midas/civil Model of Bridge

2.2 加载效率

按照文献［1］的要求，本次荷载试验的加载效率η 应介于0.80～1.00之间；

式中：Ss为静载试验荷载作用下，加载试验项目对应加载控制截面内力或位移的最大计算效应；S 为控制荷载在同一加载控制截面内力或位移的最不利计算效应值。

以控制截面弯矩值来计算静载试验加载效率。控制截面加载效率如表1所示。

表1 控制截面荷载效应Tab.1 Load Effect of Control Section

2.3 测点布置

静载试验挠度测点布置如图4 所示，挠度测点以每跨四等分为原则，个别位置适当调整和增加，共布置挠度测点15个。限于篇幅限制，本次静载试验仅以主跨跨中（A-A 截面）最大正弯矩工况为例介绍。主跨跨中应变测点布置如图5所示。主梁最大正弯矩工况加载示意如图6所示，现场加载如图7所示。

图4 挠度测点布置示意图Fig.4 The Schematic Diagram of Deflection Measuring Point（cm）

图5 主跨跨中应变测点布置Fig.5 The Schematic of Strain Key Point on Main Span Middle Section

图6 主梁（A-A）最大正弯矩工况加载示意图Fig.6 Schematic Loading of Main Beam (A-A) under Maximum Positive Moment Conditions （cm）

图7 主跨跨中最大正弯矩工况现场加载实景Fig.7 Field Loading Scene with Maximum Positive Bending Moment in Main Span

2.4 静载试验结果

挠度测试结果如表2 所示，各级荷载作用下桥梁实测挠度曲线如图8a 所示。由图8a 可知：桥梁在各级荷载左右下，挠度测试结果均比理论计算值小，桥梁工作状态正常。

表3 及图8b 为桥梁跨中最大正弯矩工况应变测试结果。可以看出，桥梁跨中截面各应变均处于弹性范围内，表明桥梁工作性能良好。

表4列出本次试验关键控制测点的校验系数及残余比。从表4 可知：桥梁关键控制测点的校验系数处于规范规定的常值范围内，且小于1，表明桥梁安全冗余度较高。测点残余比远小于规范规定的0.20，表明桥梁受载恢复性能较好。

表2 桥梁挠度实测值与理论值比较Tab.2 Comparison between Measured and Theoretical Deflection Values of Bridges （mm）

图8 试验测试结果与理论值比较Fig.8 Comparisons of Experimental Test Results with Theoretical Values

3 模态试验

自然环境中由于风、水流等作用而存在微脉动，桥梁在微脉动作用下，产生振动。通过采集桥梁的振动时程，并通过傅里叶变换可求得桥梁的振动频率。

模态测试部分测点时程及频谱如图9 所示。由图9b可知：桥梁实测基频为1.22 Hz。Midas/Civil软件模拟得出桥梁竖向第一阶振型及频率如图10 所示。脉动试验结果为1.22 Hz＞桥梁理论基频f=0.92 Hz，表明桥梁整体刚度较好。

4 车桥耦合振动试验

本次车桥耦合振动试验用车采用运营车辆，B 型车，共6节车厢。测试均采用重载列车，如图11所示。车桥耦合试验工况如下：行车试验工况车速分别为40、60、80 km/h；制动试验工况车速为60 km/h；会车试验工况车速为80 km/h。试验列车最大设计轴重为140 kN，对试验列车进行加载，使车辆轴重达到设计轴重的80%。试验车辆车型为A-B-C-C-B-A，即托-动-动-动-动-托。A（托）、B（动）、C（动）车厢加载重量分别为18.0、17.1、17.5 t，加载总重为105.2 t。

表3 桥梁控制截面应变实测值与理论值比较Tab.3 Comparisons between Measured and Theoretical Strain Values of Bridge Control Section（με）

表4 控制测点校验系数及残余比汇总Tab.4 Summary of Control Point Calibration Coefficient and Residual Ratio

图9 脉动测试部分测点时程曲线及频谱Fig.9 Time-history Curve and Frequency Spectrum of Some Measuring Points in Pulsation Test

图10 桥梁竖向第一阶模态及频率Fig.10 Vertical First-order Modes and Frequencies of Bridges

图11 试验车辆实景Fig.11 Scene of Test Train

其中主梁横桥向水平振动测点、竖向振动测点各1 个；中墩正上方主梁处各设置横桥向水平测点1 个；边墩顶设置横桥向及纵桥向水平振动测点各1个。边墩底设置1 个动应变测点。共布置测点6 个，测点布置示意图如图12所示。

图12 动态测点布置示意图Fig.12 Schematic Diagram of Dynamic Measuring Point Arrangement

振动测点均采用速度档采集振动信号，通过积分获得测点的振幅。图13给出了80 km/h行车试验工况时，各测点的实测时程曲线。表5 给出了车桥耦合试验各工况下的测试结果汇总。

根据《城市轨道交通桥梁设计规范：GB/T 51234-2017》［11］的要求：在列车横向摇摆力、离心力等作用下，桥梁结构横向水平振幅：

按照中跨跨度为150 m 计算，则最大横向水平振幅Amax=37.5 mm。从表5 可知：在现行列车运行情况下，桥梁横向水平振幅远小于规范允许值，表明桥梁横向刚度较好。

桥梁边墩为薄壁墩，按照规范要求，其墩顶横桥向水平位移及顺桥向水平位移应满足：

图13 行车试验时（80km/h）各测点实测时程曲线Fig.13 The Measured Time-history Curve of Each Measuring Point in the Driving Test（80km/h）

桥梁边跨跨径为80 m，则边墩墩顶横桥向及顺桥向水平位移限值分别为35.78 mm、44.72 mm。从表5可知：在现行列车运行情况下，边墩墩顶横桥向及顺桥向水平挠度远小于规范允许值，表明桥梁边墩刚度较好。

表5 各工况作用下试验参数实测值Tab.5 Measured Values of Test Parameters under Various Working Conditions

从表5可知：

⑴ 正常行车状态下，随着车辆速度的增加，主跨跨中横桥向水平振幅、边墩横桥向及顺桥向水平位移均增加。表明在正常行车时，随运行速度的加大，会大幅提高桥梁上部结构的结构响应，即桥梁上部结构响应与列车运营速度正相关。

⑵ 在桥梁特殊运营状态下，如列车在桥梁上制动或者两列列车在桥梁上会车，桥梁上部结构的结构响应不会超过最大运营速度下，单列列车行驶时的桥梁结构响应，即在现行最大运营荷载下，列车制动及会车状态下，不会产生桥梁水平向（包括横桥向水平及顺桥向水平）的最不利状态。

⑶ 试验过程中，边墩（薄壁墩）墩底应变较小，且变动幅度较小。

6 结论

为评估某城市轨道交通大跨度刚构拱桥的承载能力和动力特性，进行静载试验、模态试验和车桥耦合现场试验，数据分析结果表明：

⑴ 桥梁静力性能较好，满足承载力的要求。

⑵ 桥梁实测基频大于理论值，桥梁竖向刚度满足要求。

⑶ 桥梁正常运营状态下，主梁横向刚度及边墩（薄壁墩）刚度满足正常使用的要求。

⑷ 桥梁上部结构响应与列车运营速度正相关。列车制动及会车状态下不会产生桥梁水平向的最不利状态。