浅谈跨座式单轨3m×20m小半径刚构梁桥受力性能

王玉林

中铁（上海）投资集团有限公司 上海 200120

引言

跨座式单轨是通过单根梁式轨道支持车辆的运营荷载并在运行过程中导向车辆，保证车辆运营稳定，车辆采用橡胶轮胎骑在轨道梁上运行的轨道交通制式[1]。跨座式单轨属中等运量轨道交通系统，其优点为噪声低、适应性强、爬坡能力强、转弯半径小、能有效适应复杂的地形地貌环境[2]。

轨道梁是支撑、引导跨座式单轨列车运行的主要结构，这种结构兴起于20世纪70年代的日本。在日本，跨座式轨道梁结构体系主要采用简支或连续铰支的结构体系，梁体类型主要采用预应力混凝土梁，对于中大跨度采用连续钢结构[3]。国内跨座式轨道结构体系和日本类似，也大量采用简支预应力混凝土轨道梁，部分跨度较大或特殊地段采用钢轨道梁或双层复合结构轨道梁。芜湖1号线全部采用高架线路，考虑到运行安全性、稳定性、经济性等因素，1号线大量采用了这种先简支后连续刚构预应力轨道梁。为验证这种结构的静力性能及动力性能，选取芜湖1号线一座跨度3m×20m的小半径连续刚构PC梁，按照设计最不利荷载模式组织运营车辆进行了静、动载试验，本文重点介绍了本次试验的方法、过程及试验结论。

1 结构概况

试验桥为一联跨度3m×20m的曲线连续刚构PC轨道梁桥，曲线半径R=122.3，位于芜湖轨道1号线衡山路站～龙山路站QJ04-30号墩～QJ04-33号墩。该试验梁段为先简支后连续的预应力混凝土连续刚性结构。盖梁按部分预应力构件设计，墩柱为钢筋混凝土结构。

PC梁截面采用实心矩形截面，跨中梁高1.600m，支点梁高2.200m，梁宽0.69m，每联梁单侧梁缝取值25mm。墩柱采用矩形截面，盖梁采用花瓶型结构。结构横断面布置示意图见图。

预制部分梁体混凝土强度等级为C60。桥墩盖梁顶以下5m范围内先浇段采用C50混凝土，后浇段采用强度等级为C50的干硬性补偿收缩混凝土。墩底以上（H-5000）范围内采用C40混凝土。

设计活载采用6辆编组的车辆荷载，轴重P=138KN。冲击系数：μ=20/（50+L）（混凝土结构）。

2 试验荷载及方法

2.1 静载试验

2.1.1 加载方式。采用与设计空载轴重（AW0状态）相同的试运营列车，每节车厢按照设计荷载均匀配置沙袋，直至达到设计轴重（AW3状态）。列车按设计计算最不利加载位置缓慢移动，依次布置于轨道梁顶面指定位置。

2.1.2 加载计算。采用Midas软件建立有限元分析模型，分别选取边跨（A截面）、中跨（C截面）最大正弯矩截面和墩顶（B截面）最大负弯矩截面进行加载计算。

2.1.3 测点布置及测试内容。根据试验结构特点及车辆运行特点，在测试截面底缘最不利区布置应变、挠度测点，测试典型截面应力、挠度值，分析结构强度、刚度状况。

2.1.4 荷载效率。荷载效率的计算公式如下：

式中：Sstat——在试验荷载作用下，检测部位的变位或力的计算值；

S——在标准活载作用下，检测部位的变位或力的计算值；

（1+μ）——检定取用的动力系数。

本桥设计动力系数取为1.286，采用与设计相同轴重的荷载加载，因此荷载效率为0.778。

当试验过程发生以下状况时，应立即停止试验，并查找分析故障原因，在确保现场试验人员及桥梁结构处于完全安全的状态下，方可恢复加载。

2.1.4.1 桥梁沿跨径长度方向的挠度曲线分布规律与理论模型计算分析结果有明显差距时。

2.1.4.2 控制截面测点的实测挠度值或应力值已达到或超过规定的控制极限时。

2.1.4.3 桥梁结构构件裂缝宽度或长度迅速增加，或超过允许裂缝宽度值的裂缝迅速增多，或有大量新的裂缝产生时。

2.1.4.4 试验过程中发生其他影响桥梁承载能力或正常使用的损坏时。

2.2 动载试验

2.2.1 加载方式。采用达到设计轴重的列车，按照设计运行图进行逐级提速跑车试验，分级速度分别为5、30、50、60、80km/h，试验最高速度为设计运行图规定速度值。

2.2.2 测试内容。分别在边跨中、墩顶、中跨中位置布置竖向、横向振幅、横向加速度测点，掌握结构在不同车速下动力响应情况，参考铁路相关规范评价桥梁舒适度状况；对比分析结构自振频率与理论计算自振频率，了解结构整体刚度情况，图1、2分别给出了理论计算一阶竖向、横向振型及频率值。

3 试验结果分析

数据采集分析阶段主要工作包含：①理论计算分析。按照被检桥梁实际加载状况对结构内力、应力和变形进行计算，分析结构动力响应、裂缝宽度等数据。②数据解析。分析处理荷载试验原始记录，提取原始数据中有价值的关键信息。③报告的编写。通过检测数据和理论计算值的分析比对，对本次荷载试验结果进行综合性评价，形成桥梁荷载试验检测报告。

3.1 静载试验

3.1.1 应变分析。实测A、B、C截面应变校验系数分别为0.938、0.537、0.595，截面主控测点应变校验系数均小于1.0。

3.1.2 挠度分析。实测A、C截面挠度校验系数分别为0.965、0.829，实测挠度校验系数均小于1.0。

3.1.3 试验结果探讨。主控截面应变与挠度测试结果表明，在设计最不利情况下，实测结构应变、挠度均小于理论计算值，也就是校验系数小于1.0；另外，试验荷载卸除后各测点相对残余也均小于20%，表明结构处于弹性变形状态；参考《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）8.3条关于荷载试验结果评定的相关内容，结构的承载能力满足使用要求。

另外也可以看到，本次试验的连续刚构轨道梁，试验荷载相对明确、截面特性也与理论相差不大，这种试验方式接近梁场预制梁的原位试验，从以往经验来看这种单梁试验校验系数基本接近1.0，而本试验边跨应力、挠度校验系数也接近1.0，中跨由于受空间体系、桥墩实际约束刚度等因素的影响，实测校验系数略小。

3.2 动载试验

3.2.1 自振频率分析。实测梁体竖向一阶自振频率10.74Hz，大于理论计算值（9.82Hz）；实测墩梁一体横向一阶自振频率2.637Hz，大于理论计算频率（2.60 Hz）。实测频率结果表明结构整体刚度满足设计要求。通过频谱分析可知，由于墩柱较轻柔，结构纵向振动特征明显，因此在竖向振动频谱图中存在明显的在低频段振动（5Hz以内），纵向振动与竖向振动形成耦合振动，因此，对类似轨道梁结构进行动力稳定性设计验算分析时，应充分考虑这种空间特点。

3.2.2 动力响应分析。①实测试验列车作用下梁体边跨、中跨跨中横向振动加速度（10Hz滤波）最大值分别为0.366、0.373m/s2，该值满足《铁路桥梁检定规范》对桥梁横向加速度限值1.4m/s2的要求，同时该值随车速增加未出现明显增大，表明振动舒适度上没有明显降低；②实测梁体跨中竖向、横向振幅随车速增大存在轻微增大的趋势。结果表明，这种类型结构对车辆速度变化的反应并不是太敏感。

4 结束语

通过对3m×20m小半径跨座式连续刚构梁桥的静、动载试验，主要结论如下：

静载试验下结构主控截面的应变及挠度数值均小于理论计算数值，表明结构强度、刚度满足受力要求。

受空间效应的影响，连续刚构桥边跨的应变校验系数较中跨偏大。

实测桥梁连续刚构竖向、横向一阶频率均大于理论分析计算值，测试结构刚度满足设计要求；高墩跨座式连续刚构桥横向自振频率体现为墩梁一体的横向自振频率，同时梁体竖向振动与桥墩纵向振动耦合明显。

梁体振动横向加速度值小于参考限值要求，梁体横向舒适度满足规范要求。

试验表明，3m×20m小半径跨座式连续刚构梁桥静动力性能满足使用要求。