运营期城市轻轨桥梁加载试验设计与分析

杨超斌 李 博 刘涛敏 何明星

（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 201108）

1 引言

城市轨道交通是采用专用轨道导向运行的城市公共客运交通系统， 包括地铁系统、 轻轨系统、 有轨电车等［1］。 城市轨道交通已经成为人们日常生活中重要的交通方式之一， 截至2020 年，我国规划总路线将超过5000km， 其中主要为地铁和轻轨［2］。

轻轨 （light rail transit） 的提出， 是与重轨（heavy rail transit） 对应的， 指的是车辆轴重较铁路或地铁轻， 相应其载客量也较低［3］。 轻轨与地铁、 有轨电车最大的区别也在于运能的高低多寡， 这也体现在轴重和路权的不同［4］。

随着城市轻轨交通的建设及大量投入运用，在运营多年后， 作为主体承重结构的桥梁存在不同程度的损伤和劣化， 进行加载试验是评定桥梁结构技术状况的有效可靠的方式。 但针对轻轨桥梁进行加载试验相关的规范及研究均较少， 现有可参考的规范 《铁路桥梁检定规范》［5］、 《公路桥梁荷载试验规程》［6］等针对性及可参考性均较差。

文中依托某城市轻轨桥梁加载试验实际工程案例， 根据实践结果对加载试验进行了较为详尽的分析和阐述， 克服了在不影响轻轨车辆的正常交通组织的情况下对桥面轨道车辆进行加载等重点和难点。 针对轻轨桥梁的加载试验设计与应用成果， 在现有实践经验较少的情况下， 为后续实施此类型轻轨结构安全评定提供一定的参考借鉴。

2 工程概况

上海市一座轻轨交通桥梁， 桥面双轨双向通行， 上部结构主跨为三跨预应力混凝土变截面连续箱梁， 采用单箱单室直腹板形式， 跨径组合为75.5m+129.0m+75.5m=280.0m， 桥面总宽9.5m，中支点梁高8.0m， 边支点梁高4.0m， 跨中梁高4.0m， 下部结构桥墩均为桩柱式， 截面为矩形设倒角， 每个墩顶各设置两个钢盆式橡胶支座， 伸缩缝设置梳齿钢板型伸缩装置。

主要技术指标： 桥梁类别为大桥， 结构安全等级为一级， 设计使用年限为100 年， 设计荷载为编组六辆的车列， 桥面二期荷载包括吸声槽、道床、 线路设施、 电力及通信电缆和声屏障、 接触网支柱等。

轻轨桥梁立面及横断面布置见图1、 图2 所示。

图1 轻轨桥梁主桥立面布置

图2 轻轨桥梁主桥横断面布置

桥梁自2013 年开通运营至今， 中跨跨中每年有约10mm 的下挠量， 为保障轻轨桥梁运营安全， 评定桥梁结构安全技术状况， 现针对桥梁通过轨道交通车加载进行荷载试验及分析评定。 荷载试验是将车辆荷载作用在桥梁上的指定位置，对结构的位移、 应变、 裂缝等参量进行测试， 从而对结构在荷载作用下的工作性能及使用能力作出评价。 荷载试验包括静载和动载。

3 加载试验方案

3.1 工况设置

根据本桥结构受力特点及试验目的， 静载试验布置了两列列车进行加载， 加载位置为中跨跨中， 主要设置中跨跨中正弯矩工况， 并分成50%、 100%两级加载。

动载试验采用了两辆轨道车辆以车速为65km/h 匀速相向通过桥跨结构， 并于中跨跨中会车， 由于在行驶过程中对桥面产生冲击作用， 从而使桥梁结构产生振动。 通过动力测试系统测定桥跨结构主要控制截面测点的动挠度及振动时程曲线等动载试验数据， 用于了解桥梁自身的动力特性和抵抗受迫振动和突发荷载的能力。

3.2 测点布置

（1） 应变测点

采用电阻应变片进行应变测试， 采用DH3819 应变测试系统进行数据采集， 应变测试共布置了5 个截面， 两个中墩各两个截面、 每个截面8 个测点， 见图3 所示； 中跨跨中一个截面、 6 个测点， 见图4 所示。 测点总数量共计38 个。

图3 中墩墩顶应变测点 （截面1、 2、 4、 5）

图4 中跨跨中应变测点 （截面3）

（2） 挠度测点

现场在两侧防撞墙外侧均布置了小棱镜作为测点进行挠度测试， 在桥下采用全站仪测量在加载过程中桥面关键测点的挠度变化， 关键测点主要包括边墩墩顶、 边跨跨中、 中墩墩顶、 中跨跨中、 中跨四分点， 北侧小棱镜挠度实际测点6 个（3 个被声屏障遮挡、 无法布设）， 南侧小棱镜挠度实际测点8 个（1 个被声屏障遮挡、 无法布设），两侧共计14 个。 现场安装小棱镜见图5 所示。

图5 小棱镜测点现场安装示意 （挠度测试）

3.3 加载车辆组织设计

现场先进行动载跑车试验， 后进行静载试验。 加载采用两列轨道交通车辆， 车辆为A 型车， 每列车编组6 辆， 车辆固定轴距2.5 米， 定距13.2 米。 重车轴重为160KN， 空车轴重为80KN。 车辆加载细则见表1 所示。

动载试验时采用两辆轨道车辆以车速为65km/h 匀速相向通过桥跨结构， 并于中跨跨中会车， 试验进行两次。 静载试验现场采用两列轨道车辆进行等效加载， 加载分两级， 一列车一级，最后一级卸载。 测试前一天须在道床及遮阳罩顶板上贴好反光条进行停车车位的标识， 测试当天车辆须切除ATP 进行人工驾驶。

表1 车辆加载细则

4 静载试验结果分析

4.1 挠度测试数据分析

静载试验结果中， 采用TS-30 型全站仪测得主要测点静态挠度数据如下表2 所示， 采用两列列车加载， 其中南侧单列车先加载。

通过分析可知， 相应两列车加载工况下的挠度校验系数为0.72， 残余挠度绝对值较小且相对残余均小于20%， 说明整个加载过程， 结构均处于弹性工作阶段， 控制截面在试验荷载作用下挠度变化正常。

表2 主要测点静态挠度测试结果

续表

4.2 应变测试数据分析

静载试验结果中， 采用DH3819 型应变仪测得主要测点静态应变数据如下表3、 表4 所示。

通过分析可知， 中墩截面顶板、 腹板顶缘和中跨跨中断面腹板底部的各主要应变测点校验系数为0.32～0.71 之间， 残余应变绝对值较小且相对残余均小于20%， 说明整个加载过程， 结构均处于弹性工作阶段， 各控制截面在试验荷载作用下应变变化正常。

表3 中跨跨中截面应变测试结果

表4 东侧中墩墩顶截面应变测试结果

续表

4.3 结构病害发展监测结果

在试验前后及过程中分别对支座、 箱梁以及墩柱等构件进行了外观跟踪检查， 特别是墩顶断面箱梁顶板及腹板负弯矩区， 均未监测到有裂缝开展等异常新增病害开展。

5 动载试验结果分析

现场进行了两次跑车试验， 于中跨跨中断面采用BJQN-V 型动态挠度仪进行了动挠度测试，于各截面主要测点采用DH5908 型动态应变测试系统进行了动应变测试。

两次跑车最大动挠度实测值分别为19.14mm、 20.95mm （ 静 态 挠 度 理 论 计 算 值30.3mm）， 冲击系数分别为1.018、 1.036。 其中第二次跑车最大动挠度时程曲线见图6 所示。

图6 跨中动挠度曲线 （最大动挠度20.95mm）

动应变时程曲线选取了典型测点如下图7 所示。 分析可知， 墩顶截面1 （东侧边跨墩顶截面）受拉区主要测点1-3 最大动应变实测值分别为第一次跑车14με、 第二次跑车16με； 中跨跨中截面（中跨跨中截面） 受拉区主要测点3-1 最大动应变实测值分别为第一次跑车38με、 第二次跑车44με。

实测动挠度与动应变结果两次跑车基本一致， 均小于理论最大静态应变及挠度。

图7 受拉区典型测点动应变时程曲线

6 结语

文中依托某轻轨桥梁加载试验实际工程案例， 详细阐述了该类桥型加载试验的方案设计、实施流程及评定结果， 汇总主要研究成果包括如下几个方面。

（1） 试验前应对桥梁进行全面检查， 混凝土主梁、 桥墩整体外观质量是否良好， 支座约束状况是否与图纸一致。

（2） 试验方案制定阶段， 轻轨车辆的交通组织是本次加载试验的重点和难点， 须与轻轨交通管理部门充分协调， 应符合相关规定及安全要求， 保证夜间顺利完成试验， 保障白天轻轨交通顺利运营。

（3） 本次加载试验结果主要对各测试断面在试验荷载作用下的应变和位移校验系数、 残余应变和残余位移等参数进行了评定， 轻轨桥梁结构仍处于弹性工作状态， 承载能力现状满足原设计要求。