陳志偉, 蒲黔輝, 李曉斌, 高玉峰

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁作為交通樞紐，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其是近20年來，我國興建了大量形式各異的橋梁[1-3].然而，這些橋梁成橋過程中和以后長期的運營過程中容易在外界各種因素綜合作用下出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量問題，如承載力、剛度以及耐久性等指標的下降，進而縮短了橋梁的使用壽命，甚至會發(fā)生垮塌，嚴重影響交通的正常運營和人民生命財產(chǎn)的安全[4-5].因此，對新建橋梁和現(xiàn)役橋梁進行健康評估具有十分重要的意義.

對橋梁進行健康評估，通常采用橋梁荷載試驗來開展工作.橋梁荷載試驗的目的是對新建橋梁竣工驗收和已建橋梁運營時進行承載力的評定,檢測橋梁整體受力性能是否滿足設計和標準規(guī)范要求,是評定橋梁運營荷載等級最直接和最有效的辦法[6].橋梁荷載試驗分為靜載試驗和動載試驗.靜載試驗是通過測試橋梁結構在試驗荷載作用下控制截面的應變、位移或裂縫,分析判定橋梁的承載能力.動載試驗是通過測試橋梁在動載作用下的響應,分析橋梁的頻率、阻尼和振型等模態(tài)參數(shù),根據(jù)動力響應和模態(tài)參數(shù)進行橋梁承載能力評定[7-8].

采用現(xiàn)場靜載試驗和動載試驗相結合的檢測方法,并結合有限元理論分析,對新建的渡口河大橋健康狀況進行了評估[9],為今后維修、加固補強提供了翔實的技術資料.

1 工程概況

宜萬鐵路宜昌至萬州段新建工程渡口河特大橋是一座鐵路專用特大型橋梁，其主墩高度128 m，為世界鐵路橋梁墩高之最，見圖1.

圖1 渡口河大橋?qū)嵕癋ig. 1 Live-action of the Dukouhe bridge

全橋布置為：主橋為(72 m+128 m+72 m)連續(xù)剛構，宜昌端引橋為3×32 m簡支梁，萬州端引橋為7×32 m+1×24 m簡支梁，中心里程DK250+051.76，橋全長為634.71 m.

本橋設計行車速度為160 km/h，為預留復線I級鐵路，設計荷載為中-活荷載，宜昌端為直線，萬州端位于曲線上，線間距由4.2 m漸變至6.27 m.主橋箱梁各控制截面梁高分別為：端支座處及邊跨直線段和中跨跨中處為4.2 m，邊跨直線段長8.7 m(含兩端梁端至邊支座中心0.7 m)；中支點處梁高9.2 m，平段長8.0 m；梁高按圓曲線變化，圓曲線半徑為362.5 m.箱梁底板寬6.4 m，頂板寬10.7 m，頂板厚0.42 m，腹板厚0.4 m～0.8 m，底板厚由跨中的0.4 m變化至中支點梁根部的1.0 m；箱梁腹板上梗肋40 cm×120 cm(豎×橫)，下梗肋40 cm×40 cm(豎×橫).

2 試驗概況

本次測試選擇在具有代表性的主橋72 m+128 m+72 m連續(xù)剛構橋宜昌端半跨結構進行靜、動載試驗，并建立渡口河大橋的整體模型開展數(shù)值分析工作.測試的內(nèi)容主要包括：橋梁變位、主要構件受力狀況、橋梁的自振特性以及在各種車速和列車緊急制動時橋梁主要測點振幅、沖擊系數(shù)、脫軌系數(shù)和減載率等.

3 試驗方案

3.1 試驗荷載

根據(jù)試驗相關要求及當?shù)乜赡芴峁┑能囕v,本次靜、動荷載試驗中，靜載試驗荷載采用HXD3C型機車牽引C62AT、C62BK、C64T、C64K、C70等多種貨車進行加載，即針對每一個檢測項目，計算所需的設計控制荷載，之后結合列車具體的重量和編組，進而選定每個檢測項目所需的車輛類型.動載試驗則是采用貨車單向和雙向?qū)﹂_行車方式，其中，行車和制動試驗貨車由：1HXD3/1HXD3C機車+14C62AT/C62BK/C64T/C64K/C70+1HXD3/1HXD3C機車組成.

3.2 靜載試驗

靜力加載試驗包括偏載工況及正載工況，先進行偏載工況，再進行正載工況，并根據(jù)測試內(nèi)容的不同采用不同的列車編組形式，加載工況包括以下4個工況：①主梁梁體宜昌端邊跨跨中附近最大正彎矩截面(A-A)Mmax加載；②主梁梁體4#墩頂部附近最大負彎矩截面(B-B)Mmin加載；③主梁梁體4#墩墩頂附近最大剪力截面(C-C)Vmax加載；④主梁梁體中跨跨中附近最大正彎矩截面(D-D)Mmax加載.根據(jù)上述4個加載工況，對3.1節(jié)試驗荷載中各種類型列車進行解編，以滿足各種加載工況的最不利要求.

3.3 動載試驗

動載試驗包括脈動試驗、行車試驗和制動試驗.其中，脈動試驗是為了測定橋跨結構的固有頻率、振型及阻尼比；行車試驗是為了研究運行荷載作用下橋跨結構的動態(tài)響應，行車速度包括：5 km/h(標定車速試驗)、20、40、60、80 km/h；制動試驗是為了測定在車輛制動荷載作用下結構的動載響應，制動試驗以40 km/h的速度運行.行車試驗主要采用貨車單向和雙向?qū)﹂_行車方式.行車和制動試驗所需的貨車均由1HXD3/1HXD3C機車+14C62AT/C62BK/C64T/C64K/C70+1HX D3/1HXD3C機車組成.在試驗過程中，首先進行單向行車和制動試驗，最后進行雙向?qū)﹂_行車試驗.動載試驗工況選取4#墩墩頂?shù)慕孛?B-B)、128 m中跨跨中附近截面(D-D)、3#墩支座進行，見圖2.

圖2 渡口河大橋主橋動載試驗截面布置示意圖(單位：cm)Fig. 2 Distribution of cross-sections in the main bridge of the Dukouhe bridge

4 試驗結果及分析

4.1 靜載試驗結果及分析

4.1.1 撓度測試結果

各工況的荷載效率系數(shù)在0.68～0.83范圍，靜載試驗各工況撓度實測值及與計算值的比較如表1所示.

綜合分析表1可知，撓度的實測值與計算值符合較好.橋跨結構撓度校驗系數(shù)介于0.44～0.83之間，處于合理范圍，表明橋跨結構具有足夠的剛度.

表1撓度實測值及與計算值比較

Tab. 1Comparisonsbetweenmeasuringtheresultsandthecalculatedresultsofthedeflectionandbendingangle

注:撓度數(shù)據(jù)向下為負值，向上為正值.

4.1.2 應力測試結果

各試驗工況的荷載效率系數(shù)在0.68～0.83范圍，靜載試驗各工況試驗截面應力測試結果見表2.

綜合分析表2可知，應力的實測值與計算值符合較好.橋跨結構應力校驗系數(shù)介于0.39～0.88之間，處于合理范圍，表明橋跨結構具有足夠的強度.

表2 應力實測值及與計算值比較

注:應力數(shù)值受壓為負值，受拉為正值.

4.1.3 梁端轉(zhuǎn)角測試結果

在靜載試驗中A-A工況下，渡口河宜昌端3#墩墩頂梁端轉(zhuǎn)角實測值為0.60‰.參考《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定》在中-活荷載乘以動力系數(shù)作用下，梁體下?lián)系牧憾宿D(zhuǎn)角不得大于2.00‰.實測渡口河最大動力系數(shù)為1.196，計入動力系數(shù)后，渡口河T構宜昌端梁端轉(zhuǎn)角為0.72‰，小于規(guī)定值，滿足要求.

4.2 動載試驗結果及分析

4.2.1 自振特性實測結果

通過開展脈動試驗，測定了橋跨結構的固有頻率、振型及阻尼比，自振特性測試結果見表3.

表3 橋跨結構自振特性測試結果

綜合分析上述實測結果可知：①主梁橫向基頻為0.781 Hz，參照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中所規(guī)定簡支梁的限定[f]=90/L=0.625 Hz，實測橫向基頻略大于規(guī)范規(guī)定限值，可以認為主梁橫向剛度較好；②頻率計算值與實測值符合較好；實測橋跨結構的阻尼為0.018～0.050，表明渡口河大橋結構的阻尼比較小，衰減較慢，這與結構的形式是一致的.

4.2.2 動應力、動應變實測結果

基于橋跨結構各測試部位實測的應變時域數(shù)據(jù)，分析得到動力系數(shù)見圖3和圖4.圖3和圖4顯示，主梁跨中截面各測點動力系數(shù)介于1.02～1.19；4#墩墩頂附近截面各測點動力系數(shù)介于1.01～1.16.

圖3 主梁測試截面各測點動力系數(shù)(下行)Fig. 3 Dynamic coefficients on measuring cross section in the main beam (downlink)

圖4 主梁測試截面各測點動力系數(shù)(雙向)Fig. 4 Dynamic coefficients on measuring cross section in the main beam (two directions)

從測試結果及分析可以得出，各工況下實測動應變曲線相對于影響線有輕微的波動現(xiàn)象，且不同的行車速度引起的波動程度也有所不同，表明在行車時存在動力沖擊作用，在雙向行車速度為80 km/h時，測試橋跨結構的動力系數(shù)達到最大值1.19，實測動力系數(shù)相對較大，表明行車制動對橋跨結構的沖擊作用較明顯.

4.2.3 加速度實測結果

基于渡口河大橋橋跨結構各測試部位的實測加速度時域數(shù)據(jù)，分別得到了橋跨結構各截面處實測加速度，結果見圖5.

圖5 主梁下行線跨中附近橋面實測振動加速度Fig. 5 Measuring accelerations on the bridge near the midspan downlink of the main beam

綜合分析圖5可知，主梁下行線跨中附近橋面豎向、橫向加速度分別介于0.086～0.693 m/s2和0.150～1.029 m/s2之間，而根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》10.0.4條第2項規(guī)定：“橋跨結構在荷載平面的橫向振動加速度αmax不應超過1.4 m/s2”.在雙向行車速度為60 km/h時，實測橋跨下行線跨中附近橋面橫向加速度達到最大值，其值為1.029 m/s2，小于規(guī)定的橫向加速度限值1.4 m/s2，充分說明橋跨結構橫向動力性能良好.

4.2.4 動位移和振幅實測結果

基于渡口河大橋橋跨結構各測試部位的動位移時域數(shù)據(jù)，分別得到了橋跨結構各截面處振幅結果見表4.由表4可知，主梁下行線跨中附近橋面的豎向、橫向振幅分別介于0.02～0.18 mm和0.08～1.19 mm；4#墩墩頂橫向、縱向振幅分別介于0.04～0.47 mm、0.14～1.01 mm.

根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定，參照預應力混凝土簡支梁，橋梁跨中橫向最大振幅應滿足下式的規(guī)定：Amax≤14.2 mm，其中L為跨度(m)，在下行行車速度為80 km/h時，實測跨中橫向最大振幅為1.19 mm<14.2 mm，滿足檢定規(guī)范要求.

根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定和本橋墩身、基礎和地基情況，橋梁墩頂橫向振幅通常值應滿足下式的規(guī)定：

當H1/B≥2.5(中高墩)時，

其中H為墩高(m)，B為墩身橫向平均寬度(m).當車速≤60 km/h時，Δh=0;車速>60 km/h時，Δh=1.

[Amax]≤(H+Δh)2/(100B)+0.2=

(92+0)2/(100×8.8)+0.2=9.82 mm,

其中H為墩高(m).在制動速度為40 km/h時，實測4#墩墩頂橫向最大振幅為0.47 mm<9.82 mm，滿足檢定規(guī)范要求.

表4主梁中跨下行線跨中附近的橋面實測振幅及4#墩墩頂截面實測振幅

Tab. 4Measuringamplitudeofthebridgefloornearthemidspanofthemainbeamandthetopofpier

5 結論

通過渡口河大橋的靜、動荷載試驗，得出以下結論：

(1) 在靜載試驗中，橋跨結構撓度校驗系數(shù)介于0.44～0.83之間，橋跨結構應力校驗系數(shù)介于0.39～0.80，兩者處于合理的范圍，表明渡口河大橋主橋的橋跨結構具有足夠的剛度和良好的強度，滿足設計要求.

(2) 在靜載試驗中，渡口河大橋宜昌端3#墩墩頂梁端轉(zhuǎn)角實測值為0.60‰.參考《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定》在中-活荷載乘以動力系數(shù)作用下，梁體下?lián)系牧憾宿D(zhuǎn)角不得大于2‰.最大動力系數(shù)為1.196，計入動力系數(shù)后，渡口河大橋T構宜昌端梁端轉(zhuǎn)角為0.72‰，小于規(guī)定值，滿足要求.

(3) 橋跨結構的實測橫向基頻率大于規(guī)范規(guī)定限值，渡口河大橋主橋的橫向剛度較好.

(4) 在雙向行車速度為80 km/h時，測試橋跨結構的實測動力系數(shù)較大，行車制動對橋跨結構的沖擊作用較明顯；在雙向行車速度為60 km/h時，實測橋跨梁體跨中橫向加速度達到1.029 m/s2(<1.4 m/s2)，橋跨結構橫向動力性能良好；在下行行車速度為80 km/h時，實測跨中橫向最大振幅為1.19 mm(<14.2 mm)，在制動速度為40 km/h時，實測4#墩墩頂橫向最大振幅為0.47 mm(<9.82 mm)，滿足符合“橋檢規(guī)”的要求.

綜上所述，靜、動載試驗結果表明，橋跨結構具有足夠的強度和剛度，動力性能良好，能夠滿足設計的荷載等級和運營要求.