蔡超勛，劉吉元，肖祥淋，胡所亭，蘇永華

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

30 t軸重重載貨車作用下常用跨度預應力混凝土簡支梁動力響應的試驗分析

蔡超勛，劉吉元，肖祥淋，胡所亭，蘇永華

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

對朔黃鐵路線上7座常用跨度預應力混凝土簡支梁橋，在30 t軸重重載貨車作用下梁體的動力響應進行了實測，取得了大量數(shù)據(jù)。通過分析得到以下結論:實測梁體動力響應均在通常值范圍內，滿足安全限值要求;實測梁體撓度、應變與大軸重列車加載效應直接相關，實測值與軸重等級呈線性增長趨勢，而梁體豎、橫向振幅及加速度與列車軸重關系不明顯;實測結果驗證部分和理論分析成果為大軸重重載技術研究提供了數(shù)據(jù)支持，試驗數(shù)據(jù)的處理方法可為類似試驗提供參考。

30 t軸重 重載貨車 鐵路橋梁 動力響應 測試分析

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊市黃驊港站，全長585 km，為國家Ⅰ級雙線電氣化重載鐵路，與神朔鐵路組成我國“西煤東運”的第二大通道。目前，朔黃鐵路主要開行軸重25 t及以下、牽引質量萬噸及以下的重載列車，而增大貨車軸重、開行長大編組重載組合列車是提高鐵路運輸能力的最佳途徑?；诖耍?013年朔黃鐵路公司承擔了國家科技支撐計劃項目“軸重30 t以上煤炭運輸重載鐵路關鍵技術與核心裝備研制(2013BAG20B00)”，其中任務七為“重載線路基礎設施強化措施研發(fā)”。在項目研究中，2013年7月11日至2013年7月28日在朔黃鐵路重載運輸綜合示范段(北大?！伉P區(qū)間K65+47—K108+443)進行了30 t軸重重載列車綜合試驗。

30 t軸重及以上重載運輸因其運能大、效率高、運輸成本低受到世界各國的廣泛重視，我國學者也對其進行了大量研究并取得了很多成果。關于大軸重重載列車對橋涵結構的影響，柯在田［1］對重載鐵路工務技術的發(fā)展趨勢進行了述評;胡所亭、王麗等［2-3］對新建重載條件下橋梁設計活載標準進行了研究;余志武等［4］對大軸重重載運輸條件下鐵路橋梁疲勞性能進行了研究;蔣麗忠等［5］對重載鐵路的一種加固方法進行動力響應實測分析;夏禾、張楠等［6-7］對重載貨車作用下車橋動力相互作用進行了研究。這些研究大都是采用理論分析、仿真計算或者模型試驗等研究方法，對采用現(xiàn)場試驗進行研究公開發(fā)表的文獻還不多見。

朔黃鐵路30 t軸重重載貨車綜合試驗是我國第一次開展30 t軸重貨車線路運營試驗。實測30 t軸重貨車作用下橋梁結構的受力狀態(tài)和響應特征，對研究30 t軸重重載貨車對橋梁結構的影響，對既有線鐵路橋梁重載強化改造技術研究均具有重要意義。

1 試驗概況

1.1 試驗橋梁

朔黃鐵路30 t軸重重載貨車綜合試驗共測試14座橋涵結構，其中常用跨度預應力混凝土簡支梁橋7座，梁體結構包括跨度16，20，24及32 m普通高度預應力混凝土簡支梁，跨度16 m低高度預應力混凝土簡支梁，跨度24 m與32 m的超低高度預應力混凝土簡支梁，基本包括我國既有鐵路常用跨度預應力混凝土簡支梁梁體結構。表1為試驗橋梁概況。

1.2 試驗內容

試驗主要測試:試驗橋梁1～7號工點梁體自振頻率、梁體跨中橫向振幅及加速度、梁體跨中豎向振幅及加速度、列車速度;試驗橋梁3～7號工點梁體跨中截面底緣混凝土應變;梁體跨中撓度。

1.3 試驗列車

試驗列車編組50輛(含機車和工作車)，牽引質量共計4 360～4 680 t，長度686.6 m。具體編組采用SS4(機車)+客車+2節(jié)C96+10節(jié)C80+8節(jié)C96+ 6KM96B+1節(jié)KM96+10節(jié)C70+8節(jié)C64K+SS4(機車)。

試驗編組列車中C64K，C70及C80貨車分別按名義軸重21，23，25 t一次裝載完成，而大軸重重載貨車(KM96，KM96B與C96)均分別按25，27及30 t軸重進行3次裝載。每次裝載完成后，進行速度級65 km/h與75 km/h的運行試驗，每速度級進行3次試驗。在大軸重重載貨車裝載至軸重30 t時，增加了3次80 km/h速度級試驗。

為比較大軸重重載貨車與運營列車的區(qū)別，試驗期間還測試了大量運營列車，包括運營C64貨列、運營C70貨列和運營C80貨列。

大軸重綜合試驗列車編組包含目前我國主型貨車車輛類型，包括軸重21 t的C64貨車、軸重23 t的C70貨車、軸重25 t的C80貨車以及裝載軸重分別為25，27與30 t的新型30 t軸重重載列車C96和KM96，各類型車輛的車輛長度、軸距、鄰軸距、荷載密度參數(shù)見表2。

表1 試驗橋梁概況

表2 試驗編組列車參數(shù)對比

1.4 試驗儀器

試驗測試內容主要分為振幅與加速度、位移、應變與列車速度。振幅及加速度傳感器采用國家地震局哈爾濱工程力學研究所生產(chǎn)的891-Ⅱ傳感器與積分放大器;應變傳感器采用日本KYOWA公司生產(chǎn)的KFW-5-120應變片與動態(tài)應變儀;位移傳感器采用中國水利水電科學研究院生產(chǎn)的LVDT差動變壓器式位移計與位移放大器;列車速度傳感器采用永磁磁鋼。各傳感器通過數(shù)據(jù)電纜連接至動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行試驗物理量的測量。

2 數(shù)據(jù)處理標準

2.1 梁體振動響應的濾波

試驗中橋梁梁體振動加速度均采用濾波處理，梁體橫向加速度統(tǒng)一按10 Hz低通濾波，豎向加速度統(tǒng)一按30 Hz低通濾波。

2.2 裝載偏差的消除

橋梁結構測試中撓度、應變與車輛參數(shù)(軸距及軸重)的加載效應直接相關，車輛裝載偏差會導致測試結果無法真實反映相關參數(shù)與車輛軸重的關系，故在分析試驗數(shù)據(jù)時采用裝載修正系數(shù)消除裝載偏差對梁體應變和撓度實測數(shù)據(jù)分析的影響。對于試驗編組列車中C64，C70，C80車輛，根據(jù)其裝載軸重、軸距序列，按各橋梁跨度分別修正至名義軸重21，23及25 t條件下;對于C96，KM96及KM96B貨車，分別按不同裝載條件修正至名義裝載軸重25，27及30 t條件下。

以跨度為L的梁體跨中截面底緣混凝土應力為例來說明如何進行裝載偏差修正。

以某類型貨物列車運行方向為x軸，設第1軸的位置x=0，可根據(jù)車輛軸距建立編組列車的初始軸位序列Lw0(n)。Lw0(n)表示編組列車第n號軸的位置。根據(jù)車輛軸重的實測稱重結果，可建立對應軸位的軸重序列P(n)。

集中力P作用下，梁體跨中截面彎矩影響線為M(x)。x為集中力與梁體位置的關系。x=0時，集中力位于梁端;x=0.5L時，集中力作用于梁體跨中位置。彎矩影響線計算公式如下

設計算步長為ΔL，計算至N步時，軸距序列Lw(n)=N×ΔL+Lw0(n)，則此時編組列車引起的橋梁跨中截面彎矩為

式中，NW為該貨物列車總軸數(shù)。

通過逐步計算該貨物列車進橋Lw(1)=0至出橋Lw(NW)=L這一過程中橋梁跨中截面彎矩，找出其最大值Mmax。將實際裝載軸重計算至名義裝載軸重，只需將軸重序列P(n)改成名義軸重，再計算得出該名義軸重下橋梁跨中截面彎矩最大值M名義max。

由于梁體跨中截面底緣混凝土應變與該截面彎矩影響線一致，故用梁體跨中截面實測混凝土應變乘以裝載偏差系數(shù)(M名義max/Mmax)，即可對裝載偏差進行修正。

對梁體撓度分析時，采用了集中力作用下梁體撓度影響線計算公式進行裝載偏差修正。

2.3 混凝土彈性模量

實測混凝土應力時直接測試的物理量一般為混凝土應變，再由混凝土應變乘以彈性模量來得出混凝土應力。本試驗中，混凝土彈性模量由梁體靜載試驗中實測的梁體撓度計算得出。

3 數(shù)據(jù)分析

大軸重綜合試驗共測試7座常用跨度預應力混凝土簡支梁橋，涵蓋朔黃鐵路常用跨度預應力混凝土梁所有梁體類型:16，20，24與32 m普通高度預應力混凝土簡支梁(簡稱:普高梁)和16，24與32 m超(低)高度預應力混凝土簡支梁(簡稱:低高梁)。以下按梁體類型對動力響應實測結果進行匯總分析。

3.1 梁體自振頻率

梁體豎向自振頻率采用脈動法測試。16，20，24，32 m普通高度預應力混凝土簡支梁的豎向一階自振頻率分別為13.38，9.42，7.72，5.61 Hz;16，24，32 m(超)低高度預應力混凝土簡支梁的豎向一階自振頻率分別為9.24，4.77，4.69 Hz。

3.2 梁體振動響應

測試的梁體振動響應包括梁體豎向振幅、梁體豎向加速度、梁體橫向振幅與梁體橫向加速度。大量實測數(shù)據(jù)分析表明梁體振動響應有一定的離散性，實測結果與列車軸重及車輛豎向加載效應關系并不明顯。表3與表4分別給出了梁體橫向振幅與豎向振幅最大值的實測統(tǒng)計表。

表3 實測梁體跨中橫向振幅最大值統(tǒng)計mm

表4 實測梁體跨中豎向振幅最大值統(tǒng)計mm

3.3 車輛軸重對梁體撓度與應變的影響分析

試驗列車中大軸重重載列車分別按25，27及30 t軸重裝載，下面主要就大軸重重載貨車C96和KM96不同裝載軸重時引起的梁體撓度和應變進行分析。

表5與表6分別給出了大軸重貨車C96與KM96不同裝載軸重條件下，梁體應變、梁體撓度的實測值。實測各種不同跨度預應力混凝土簡支梁跨中撓度與梁體應變增量隨車輛軸重的增加而增大，不同跨度的梁體增大幅度存在一定的區(qū)別。

表5 C96與KM 96不同裝載軸重作用下梁體應變與軸重的關系×10-6

表6 C96與KM 96不同裝載軸重作用下梁體撓度與軸重的關系mm

以25 t裝載軸重為基準，C96和KM96裝載至27 t軸重時，普通高度16，20，24與32 m預應力混凝土簡支梁和(超)低高度16，24與32 m預應力混凝土簡支梁跨中平均應變增長范圍分別為5.2%～12.7%，5.1%～10.4%;裝載至30 t軸重時分別增加16.8%～22.8%，18.6%～23.3%(圖1)。

以25 t裝載軸重為基準，C96和KM96裝載至27 t軸重時，普通高度16，20，24與32 m預應力混凝土簡支梁和(超)低高度16，24與32 m預應力混凝土簡支梁跨中平均撓度增長范圍分別為4.2%～12.6%， 3.2%～9.9%;裝載至30 t軸重時分別為14.4%～21.5%，14.8%～23.5%(圖2)。

圖1 C96不同裝載軸重作用下梁體跨中應變值對比

圖2 C96不同裝載軸重作用下梁體跨中撓度值對比

3.4 車輛類型對梁體撓度與應變的影響分析

鄰軸距、車體長度等車輛參數(shù)對不同跨度橋梁加載效應的影響不同。根據(jù)理論分析結果，在軸重和轉向架固定軸距一定的條件下，鄰軸距主要影響跨度20 m以下橋梁結構，車體長度主要影響跨度20 m以上橋梁結構［2，8］。

對于車長的影響，C96與C80兩種車型的鄰軸距基本一致，但C80比C96車體長度短，裝載軸重為25 t時，實測16，20，24及32 m簡支梁跨中撓度和應變增量值C96貨車均小于C80貨車，其中對于32 m簡支梁C96作用時產(chǎn)生的梁體撓度和應變活載增量值分別為C80貨車活載效應值的87.8%和88.9%，見表7、表8。

對于鄰軸距的影響，KM96鄰軸距長度小于C96。在相同裝載軸重時，C96作用下16 m簡支梁跨中撓度和應變的活載增量值均小于KM96。圖3、圖4即為裝載軸重25 t時C96與KM96在梁體跨中產(chǎn)生的應變和撓度的對比。

3.5 梁體應變及撓度校驗系數(shù)

編組列車準靜態(tài)作用下，普通高度16，20，24，32 m與(超)低高度16，24，32 m預應力混凝土簡支梁應力校驗系數(shù)分別為0.83～0.88，0.88～0.90，0.93～0.96，0.94～1.01與0.90，1.00～1.01，0.98～1.01，除部分工況下應力校驗系數(shù)大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》預應力混凝土梁的底緣混凝土應力校驗系數(shù)通常值1.0外，其余均在規(guī)范應力校驗系數(shù)通常值范圍內;各類型梁體撓度校驗系數(shù)依次為0.71～0.74，0.62～0.66，0.63～0.67，0.65～0.67，0.62～0.68，0.54～0.58，0.56～0.58，均在《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中預應力混凝土梁的撓度校驗系數(shù)通常值范圍內。

表7 試驗編組列車作用下梁體跨中應變與車輛類型的關系×10-6

表8 試驗編組列車作用下梁體跨中撓度與車輛類型的關系mm

圖3 裝載軸重為25 t時C80，C96與KM 96梁體跨中應變對比

圖4 裝載軸重為25 t時C80，C96與KM 96梁體跨中撓度對比

4 結論

1)在25，27和30 t軸重級試驗編組列車與運營列車作用下，實測橋涵結構動力響應值在通常值范圍內，均滿足安全限值要求。

2)實測梁體撓度、應變與大軸重列車加載效應直接相關，實測值與軸重等級呈線性增長趨勢;實測梁體橫向振幅、橫向加速度、豎向振幅與豎向加速度等實測值均有一定的離散性，實測值與運營貨車作用下的量值基本相當，與列車軸重的關系不明顯。

3)鄰軸距、車體長度等車輛參數(shù)對不同跨度橋梁加載效應的影響不同。根據(jù)理論分析結果，在軸重和轉向架固定軸距一定的條件下，鄰軸距主要影響跨度20 m以下橋梁結構，車體長度主要影響跨度20 m以上橋梁結構。對于車長的影響，C96與C80兩種車型的鄰軸距基本一致，但C80比C96車體長度短，裝載軸重為25 t時，實測16，20，24及32 m簡支梁跨中撓度和應變活載增量值C96貨車均小于C80貨車，其中對于32 m簡支梁C96作用時產(chǎn)生的梁體撓度和應變活載增量值分別為C80貨車活載效應值的87.8%和88.9%。對于鄰軸距的影響，KM96鄰軸距長度小于C96，在相同裝載軸重時，C96作用下16 m簡支梁跨中撓度和應變的活載增量值均小于KM96。

［1］柯在田.重載鐵路工務技術發(fā)展趨勢的研究［C］//發(fā)展鐵路重載運輸貨車暨工務研討會論文集.齊齊哈爾:中國鐵道學會，2011.

［2］胡所亭.鐵路重載條件下橋梁活載標準研究［D］.北京:中國鐵道科學研究院，2013.

［3］王麗，張玉玲.新建重載鐵路橋梁設計荷載標準的研究［J］.土木工程學報，2013，46(3):103-109.

［4］余志武，李進洲，宋力.重載鐵路橋梁疲勞試驗研究［J］.土木工程學報，2012，45(12):115-126.

［5］蔣麗忠，龍衛(wèi)國，余志武，等.輔助鋼梁加固重載鐵路橋梁的動力響應分析［J］.湖南大學學報:自然科學版，2013，40(7):28-33.

［6］夏禾，張楠.車輛與結構相互作用［M］.2版.北京:科學出版社，2004.

［7］張楠，夏禾，郭薇薇.基于輪軌線性相互作用假定的車橋相互作用理論及應用［J］.鐵道學報，2010，32(2):66-67.

［8］中國鐵道科學研究院.軸重30噸以上煤炭運輸重載鐵路關鍵技術與核心裝備研制——朔黃鐵路橋涵結構強化技術研究報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2013.

Experimental analysis on dynamic response of common span prestressed concrete simply-supported girder under loading of 30 t axle load freight train

CAI Chaoxun，LIU Jiyuan，XIAO Xianglin，HU Suoting，SU Yonghua
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The dynamic responses of the seven common-span prestressed concrete bridges under 30 t Axle Load Freight were measured in Shuozhou-Huanghuagang Railway.Through the test and analysis，conclusions can be drawn as follows.The measured dynamic responses of the griders were within the range of the Ordinary-Values，and comformed to the Limit Values for the traffic safety.The measured deflection and strain of the griders were directly related to the effect of the 30 t axle load.Either the vertical or the lateral amplitude and acceleration was not significantly related to the effect of the30 t axle load.The measured results and the theoretical analysis can be used to study the heavy haul technology with large axle load，and the method of data processing can be applied to other similar tests.

30 t axle load;Heavy haul freight;Railway bridges;Dynamic response;Test and analysis

U441+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.01

1003-1995(2015)01-0001-06

(責任審編 孟慶伶)

2014-10-10;

2014-11-04

國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B00)

蔡超勛(1982—)，男，湖南益陽人，助理研究員，碩士。