重载运输条件下64m 单线钢桁梁桥静动力学性能分析

2021-10-08牟志钰

科技创新与应用 2021年27期

关键词：铁路桥梁实测值挠度

牟志钰

（国能朔黄铁路肃宁分公司，河北沧州 061800）

我国铁路桥梁常用的一种结构形式是64m 钢桁梁，这种结构形式主要应用于单线桥，为了提高64m 单线钢桁梁桥的坚固性和稳定性，在重载运输条件下，如何科学地分析和研究64m 单线钢桁梁桥动力学性能是技术人员必须思考和解决的问题。

1 试验目的、内容及评定标准

1.1 试验目的

本次试验目的主要体现在以下几个方面：（1）通过采用静载试验的方式，可以全面了解和掌握桥梁结构所承载的实际能力。根据桥梁评定相关标准和要求，可以实现对病害结构的定量分析和定性分析，然后，通过分析和判断实测数据，可以全面了解和掌握病害与桥梁结构之间的关系[1]。（2）通过采用动载试验的方式，可以全面了解和掌握桥梁振幅、频率、加速度等动力特性，为后期科学分析和找出桥梁振动规律提供重要的依据和参考。此外，列车行驶速度不同，所对应的动力性能实测值也存在一定的差异，在确定桥梁运营条件时，技术人员要充分考虑列车动力性能这一特性。（3）针对静动载试验测试结果，充分利用理论计算相关知识，对桥梁结构受力特性进行全方位判断，同时，还要根据静动载试验结果，不断修改、优化和完善理论计算模型。（4）采用静动载试验的方式，对桥梁结构的状态进行准确识别和检测，为后期评定和研究桥梁性能提供重要的依据和参考。

1.2 试验内容

本次实验内容主要包含结构检算、静载试验、动载试验三大模块。其中，结构检算主要是指按照设计荷载检算相关标准和要求，对挠度、内力等指标进行控制。静载试验包含以下环节，分别是主要杆件控制截面测试、活动支座纵向测试、活动支座竖向测试和主梁横截面挠度测试。动载试验主要包含以下几个环节，分别是控制界面测试、杆件动力系数测试、跨中截面挠度测试、支座纵向参数测试、桥跨结构竖向振幅测试。

1.3 评定标准

在对铁路桥梁进行试验检验的过程中，经常用到以下两种判别值，一种是行车安全通常值，另一种是行车安全限值。一旦实测数据无法达到行车安全通常值的相关标准和要求时，技术人员要及时查找、分析超限原因，并对其进行解决。桥梁结构在具体的设计中，必须要满足行车安全限值这一指标，避免因出现超限现象而降低桥梁结构的设计水平。这两种判别值使用注意事项如下：（1）桥跨结构竖向挠跨比所对应的通常值必须要达到：1/1250。（2）桥梁结构横向振幅所对应的钢桁梁长度要在40m 到96m 之间。梁体横向自振频率必须要符合铁路桥梁相关规定，避免空载货车在行驶的过程中，出现脱轨现象，此外列车行驶速度不同所对应的桥梁结构横向自振频率也会存在很大的差异，需要技术人员根据列车行驶速度，对其进行科学调整和控制。（3）为了保证钢桁梁结构检验结果的准确性、完整性和真实性，技术人员要按照如表1 所示的桥梁结构校验系数通常值，不断提高桥梁结构的坚固性和稳定性，以满足人们的安全出行需求[2]。

表1 桥梁结构校验系数通常值

2 试验方法

2.1 试验列车编组

在进行静动载试验的过程中，首先要做好对试验荷载的控制和确定，同时还要采用特定编组列车的方式，实现铁路桥梁静动载性能的科学测试和试验。此外，还要在充分结合铁路桥梁荷载效率的基础上，完成对列车的科学编组，铁路桥梁规范相关文件明确指出静动载试验所对应的荷载效率必须在0.80～100 之间。为了保证试验列车编组结果的准确性、完整性和真实性，提高静动载试验荷载效率，要优先选用轴重量大、轴间距小的车辆。然后，采用理论计算的方式，将本次试验列车设置为重列车，以满足本线路运营需求。此外，还要在综合考虑静动载试验荷载效率、机车智能性等因素的基础上，将试验列车编组的机车型号设置为DF4B，将满载重车和空车分别设置为8 辆。通过利用相关计算软件，完成对铁路桥梁有限元模型的构建，在荷载影响下，精确计算和设计铁路桥梁结构的弯矩和挠度值，然后严格按照静动载试验荷载效率相关标准和要求，科学控制和确定试验列车荷载值以及具体的加载位置。

2.2 试验工况

将静动载试验过程、静载试验过程、动载试验过程分别划分为11 工况、2 工况、9 工况。然后在进行动载试验的过程中，要采用控制试验桥梁区间的方式，保证列车行驶速度的平稳性，同时还要提取和汇总所有工况的关键数据，并将最终的汇总结果与理论计算结果进行对比分析，在保证工况关键数据满足相关理论值的基础上，尽可能提高工况的安全储备值，为开展下一工况测试工作提供重要的依据和参考，一旦发现工况关键数据超过了标准值范围，需要在第一时间暂停试验操作[3]。

2.3 测点布置

钢桁梁静载试验测点总体布置示意图如图1 所示，在上弦杆、下弦杆、桥门架斜杆、斜杆以及竖杆的某一截面上设置五个不同的应变测点；在纵梁上下翼缘和横梁的上下翼缘的同一截面上设置两个应变测点。

图1 钢桁梁静载试验测点总体布置示意图

3 试验结果分析

3.1 静载试验结果分析

3.1.1 挠度测试结果分析

在试验列车的影响下，铁路桥梁主桁挠度、纵横梁挠度和支座位移三个参数的实测值如表2 和图2 所示。

表2 主桁挠度、纵横梁挠度及支座位移实测值

图2 主桁挠度、纵横梁挠度及支座位移实测值柱状图

从表2 中的数据可以看出，在试验列车的影响下，主桁挠度实测值、理论值以及校验系数分别达到了39.71mm、42.38mm 和0.94。经过换算处理后，在活载影响下，挠跨比达到了1/1499，挠度校验系数超过了铁路桥梁相关规定值，但是挠跨度却低于铁路桥梁相关规定值，同时铁路桥梁竖向刚度的安全储备能力较低。

3.1.2 应力测试结果分析

在试验列车影响下，经过对应力测试结果分析，得知钢桁梁杆件硬度不达标，有待加强。朔黄铁路南运河特大桥位于黄河地区，该地区环境比较潮湿，部分构件出现严重侵蚀现象，严重影响了桥梁刚度，为了保证桥梁的坚固性和稳定性，技术人员要加强对桥梁锈蚀部位的除锈操作，同时还要做好防锈保护工作，在条件允许的情况下，可以对全桥进行全方位的防锈处理，为进一步提高桥梁的稳定性、可靠性和安全性打下坚实的基础。此外，为了有效地解决桥梁部分杆件刚度不足问题，还要采用增加钢板的方式，尽可能扩大杆件的横截面积，以达到提高桥梁结构坚固性的目的。另外，还要在综合考虑施工难度、施工需求的基础上，严格按照施工连续运营相关标准和要求，做好对杆件的栓接处理。

3.2 动载试验结果分析

3.2.1 桥跨结构横向振幅

桥跨结构跨中横向振幅，在试验列车的影响下，当桥跨结构跨中横向振幅地域铁路桥梁规定值时，桥梁体横向刚度较大，且安全储备能力较高。当列车速度在5km/h～50km/h 之间时，在列车行驶速度的不断提高下，横向振幅对应的实测值呈现出不断上升的趋势。当列车行驶速度超过50km/h 时，横向振幅对应的实测值有所下降，并逐渐向平稳不变的趋势转变，由此可见，当列车行驶速度在60km/h 到80km/h 之间时，如果列车行驶速度不断上升，不会对横向振幅产生相应的影响。

3.2.2 桥跨结构横向加速度

横向加速度主要是指在单位时间内，对速度改变的幅度，真实地反映出了桥梁结构横向受力实际情况。桥跨结构跨中横向加速度。对于桥跨结构而言，其横向加速度如果低于铁路桥梁规定值，那么随着列车行驶速度的不断提高，横向加速度会呈现出先下降后上升的趋势，当列车行驶速度在20km/h 与30km/h 之间时，横向加速度值达到最低。由此可见，对于桥跨结构而言，其跨中横向振幅与动力系数均符合铁路桥梁相关规范和要求。

3.2.3 桥跨结构竖向振幅

对于桥跨结构而言，其竖向振幅在某种程度上可以真实、形象地反映出桥跨结构的竖向刚度大小，桥跨结构竖向振幅在列车行驶速度的不断上升下，桥跨结构所对应的竖向振幅实测值也呈现出不断上升的趋势，并且上升幅度逐渐增大，由此可见，列车速度的大小对桥跨结构竖向振幅产生直接性的影响。

3.2.4 墩顶横向及纵向振幅

对于桥墩墩顶而言，其横向振幅值可以直观、形象地反映出桥墩横向强度和刚度。当列车行驶速度不断上升，桥墩墩顶横向振幅所对应的实测值并没有发生明显的变化，始终低于通常值，出现这一现象的原因是桥墩高宽比在2.5 以下，被视为“低墩领域”，由此可见，对于桥墩墩顶而言，其横向强度和刚度相对较高，且具有良好的安全储备能力。另外，当列车行驶速度不断上升时，桥墩墩顶纵向振幅所对应的实测值呈现出不断上升的趋势，由此可见，列车行驶速度的大小直接影响了桥墩墩顶的纵向振幅。因此，为了科学调整和控制桥墩墩顶纵向振幅，技术人员要重视对列车行驶速度这一因素的控制，只有这样，才能提高桥梁结构的坚固性和稳定性，为保障人们出行的安全性和方便性打下坚实的基础。