鐘曉林，張鵬

（廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)中心有限公司廣州510440）

0 引言

軌道交通由于方便快捷，在現(xiàn)代城市交通中扮演著越來(lái)越重要的角色。相比于地下隧道，軌道交通采用越來(lái)越多的高架橋梁，其成本優(yōu)勢(shì)明顯，但橋梁的承載能力及動(dòng)力特性也成為軌道交通安全建設(shè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

對(duì)于公路橋梁，通常根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：DBJ/T 15-87-2011》［1］對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，再對(duì)其承載力進(jìn)行評(píng)估，相關(guān)研究已有較多的成果［2-4］。對(duì)于城市軌道交通高架橋，雖然現(xiàn)行《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)）［5］有一些相關(guān)規(guī)定，但荷載與鐵路橋梁的荷載存在較大區(qū)別，不能完全參照，且目前針對(duì)軌道交通橋梁承載力評(píng)估的文獻(xiàn)報(bào)道相對(duì)較少。

另一方面，由于軌道交通的列車(chē)荷載容易引起振動(dòng)，因此橋梁的動(dòng)力特性和車(chē)橋耦合特性成為研究的重點(diǎn)。張鵬等人［6］研究了連續(xù)車(chē)流-橋耦合系統(tǒng)的隨機(jī)響應(yīng)，引入連續(xù)車(chē)流的概念，為軌道列車(chē)荷載的對(duì)比提供借鑒。劉海濤等人［7］研究了輕軌系統(tǒng)的車(chē)-軌道梁-剛構(gòu)橋空間耦合系統(tǒng)動(dòng)力特性，并評(píng)價(jià)乘坐的舒適性。羅錕等人［8］采用仿真方法模擬軌道交通車(chē)橋耦合系統(tǒng)，取得了良好效果。王少杰等人［9］，李小珍［10］等人分別對(duì)橋線(xiàn)形變化、跨坐式單軌車(chē)輛的輕軌車(chē)橋耦合進(jìn)行了研究。然而，以上研究均是基于理論計(jì)算及仿真模擬，軌道橋梁的實(shí)際受力特性還需要進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

因此，本文將結(jié)合某主跨為310 m 的城市輕軌高架橋，依據(jù)相關(guān)規(guī)范［1，5］，進(jìn)行動(dòng)靜載荷載實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估軌道交通橋梁的承載能力、剛度和車(chē)橋耦合效應(yīng)，為該橋的安全運(yùn)營(yíng)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)，也為類(lèi)似橋梁提供工程參考。

1 工程概況

本聯(lián)橋梁為大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱橋，全長(zhǎng)310 m，跨徑組合為（80+150+80）m；為雙線(xiàn)線(xiàn)路，采用B 型車(chē)，6輛編組，設(shè)計(jì)最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速為80 km/h。主梁及Y 肋混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60、橋墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，承臺(tái)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。橋梁概貌如圖1所示。

2 靜載試驗(yàn)

本次試驗(yàn)對(duì)象為特大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱橋，根據(jù)文獻(xiàn)［1］，試驗(yàn)工況分別為①主跨最大正彎矩（A-A 截面）工況；②Y 肋頂處梁最大負(fù)彎矩（B-B 截面）工況；③邊跨跨中正彎矩（C-C 截面）工況；④邊墩（薄壁墩）墩頂彎矩（D-D截面）工況。測(cè)試控制截面如圖2所示。

圖1 橋梁概貌Fig.1 Bridge General View

圖2 本次試驗(yàn)控制截面示意圖Fig.2 The Control Section Schematic Diagram of the Experiment （cm）

2.1 有限元計(jì)算模型

采用Midas/civil 軟件建立橋梁的空間有限元模型，橋梁模型如圖3所示。

圖3 橋梁Midas/civil模型Fig.3 The Midas/civil Model of Bridge

2.2 加載效率

按照文獻(xiàn)［1］的要求，本次荷載試驗(yàn)的加載效率η 應(yīng)介于0.80～1.00之間；

式中：Ss為靜載試驗(yàn)荷載作用下，加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)；S 為控制荷載在同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利計(jì)算效應(yīng)值。

以控制截面彎矩值來(lái)計(jì)算靜載試驗(yàn)加載效率?？刂平孛婕虞d效率如表1所示。

表1 控制截面荷載效應(yīng)Tab.1 Load Effect of Control Section

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

靜載試驗(yàn)撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示，撓度測(cè)點(diǎn)以每跨四等分為原則，個(gè)別位置適當(dāng)調(diào)整和增加，共布置撓度測(cè)點(diǎn)15個(gè)。限于篇幅限制，本次靜載試驗(yàn)僅以主跨跨中（A-A 截面）最大正彎矩工況為例介紹。主跨跨中應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。主梁最大正彎矩工況加載示意如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)加載如圖7所示。

圖4 撓度測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4 The Schematic Diagram of Deflection Measuring Point（cm）

圖5 主跨跨中應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 The Schematic of Strain Key Point on Main Span Middle Section

圖6 主梁（A-A）最大正彎矩工況加載示意圖Fig.6 Schematic Loading of Main Beam (A-A) under Maximum Positive Moment Conditions （cm）

圖7 主跨跨中最大正彎矩工況現(xiàn)場(chǎng)加載實(shí)景Fig.7 Field Loading Scene with Maximum Positive Bending Moment in Main Span

2.4 靜載試驗(yàn)結(jié)果

撓度測(cè)試結(jié)果如表2 所示，各級(jí)荷載作用下橋梁實(shí)測(cè)撓度曲線(xiàn)如圖8a 所示。由圖8a 可知：橋梁在各級(jí)荷載左右下，撓度測(cè)試結(jié)果均比理論計(jì)算值小，橋梁工作狀態(tài)正常。

表3 及圖8b 為橋梁跨中最大正彎矩工況應(yīng)變測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，橋梁跨中截面各應(yīng)變均處于彈性范圍內(nèi)，表明橋梁工作性能良好。

表4列出本次試驗(yàn)關(guān)鍵控制測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)及殘余比。從表4 可知：橋梁關(guān)鍵控制測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)處于規(guī)范規(guī)定的常值范圍內(nèi)，且小于1，表明橋梁安全冗余度較高。測(cè)點(diǎn)殘余比遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的0.20，表明橋梁受載恢復(fù)性能較好。

表2 橋梁撓度實(shí)測(cè)值與理論值比較Tab.2 Comparison between Measured and Theoretical Deflection Values of Bridges （mm）

圖8 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論值比較Fig.8 Comparisons of Experimental Test Results with Theoretical Values

3 模態(tài)試驗(yàn)

自然環(huán)境中由于風(fēng)、水流等作用而存在微脈動(dòng)，橋梁在微脈動(dòng)作用下，產(chǎn)生振動(dòng)。通過(guò)采集橋梁的振動(dòng)時(shí)程，并通過(guò)傅里葉變換可求得橋梁的振動(dòng)頻率。

模態(tài)測(cè)試部分測(cè)點(diǎn)時(shí)程及頻譜如圖9 所示。由圖9b可知：橋梁實(shí)測(cè)基頻為1.22 Hz。Midas/Civil軟件模擬得出橋梁豎向第一階振型及頻率如圖10 所示。脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果為1.22 Hz＞橋梁理論基頻f=0.92 Hz，表明橋梁整體剛度較好。

4 車(chē)橋耦合振動(dòng)試驗(yàn)

本次車(chē)橋耦合振動(dòng)試驗(yàn)用車(chē)采用運(yùn)營(yíng)車(chē)輛，B 型車(chē)，共6節(jié)車(chē)廂。測(cè)試均采用重載列車(chē)，如圖11所示。車(chē)橋耦合試驗(yàn)工況如下：行車(chē)試驗(yàn)工況車(chē)速分別為40、60、80 km/h；制動(dòng)試驗(yàn)工況車(chē)速為60 km/h；會(huì)車(chē)試驗(yàn)工況車(chē)速為80 km/h。試驗(yàn)列車(chē)最大設(shè)計(jì)軸重為140 kN，對(duì)試驗(yàn)列車(chē)進(jìn)行加載，使車(chē)輛軸重達(dá)到設(shè)計(jì)軸重的80%。試驗(yàn)車(chē)輛車(chē)型為A-B-C-C-B-A，即托-動(dòng)-動(dòng)-動(dòng)-動(dòng)-托。A（托）、B（動(dòng)）、C（動(dòng)）車(chē)廂加載重量分別為18.0、17.1、17.5 t，加載總重為105.2 t。

表3 橋梁控制截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值比較Tab.3 Comparisons between Measured and Theoretical Strain Values of Bridge Control Section（με）

表4 控制測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)及殘余比匯總Tab.4 Summary of Control Point Calibration Coefficient and Residual Ratio

圖9 脈動(dòng)測(cè)試部分測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線(xiàn)及頻譜Fig.9 Time-history Curve and Frequency Spectrum of Some Measuring Points in Pulsation Test

圖10 橋梁豎向第一階模態(tài)及頻率Fig.10 Vertical First-order Modes and Frequencies of Bridges

圖11 試驗(yàn)車(chē)輛實(shí)景Fig.11 Scene of Test Train

其中主梁橫橋向水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)、豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)各1 個(gè)；中墩正上方主梁處各設(shè)置橫橋向水平測(cè)點(diǎn)1 個(gè)；邊墩頂設(shè)置橫橋向及縱橋向水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)各1個(gè)。邊墩底設(shè)置1 個(gè)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。共布置測(cè)點(diǎn)6 個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖12所示。

圖12 動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.12 Schematic Diagram of Dynamic Measuring Point Arrangement

振動(dòng)測(cè)點(diǎn)均采用速度檔采集振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)積分獲得測(cè)點(diǎn)的振幅。圖13給出了80 km/h行車(chē)試驗(yàn)工況時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)時(shí)程曲線(xiàn)。表5 給出了車(chē)橋耦合試驗(yàn)各工況下的測(cè)試結(jié)果匯總。

根據(jù)《城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T 51234-2017》［11］的要求：在列車(chē)橫向搖擺力、離心力等作用下，橋梁結(jié)構(gòu)橫向水平振幅：

按照中跨跨度為150 m 計(jì)算，則最大橫向水平振幅Amax=37.5 mm。從表5 可知：在現(xiàn)行列車(chē)運(yùn)行情況下，橋梁橫向水平振幅遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值，表明橋梁橫向剛度較好。

橋梁邊墩為薄壁墩，按照規(guī)范要求，其墩頂橫橋向水平位移及順橋向水平位移應(yīng)滿(mǎn)足：

圖13 行車(chē)試驗(yàn)時(shí)（80km/h）各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)時(shí)程曲線(xiàn)Fig.13 The Measured Time-history Curve of Each Measuring Point in the Driving Test（80km/h）

橋梁邊跨跨徑為80 m，則邊墩墩頂橫橋向及順橋向水平位移限值分別為35.78 mm、44.72 mm。從表5可知：在現(xiàn)行列車(chē)運(yùn)行情況下，邊墩墩頂橫橋向及順橋向水平撓度遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值，表明橋梁邊墩剛度較好。

表5 各工況作用下試驗(yàn)參數(shù)實(shí)測(cè)值Tab.5 Measured Values of Test Parameters under Various Working Conditions

從表5可知：

⑴ 正常行車(chē)狀態(tài)下，隨著車(chē)輛速度的增加，主跨跨中橫橋向水平振幅、邊墩橫橋向及順橋向水平位移均增加。表明在正常行車(chē)時(shí)，隨運(yùn)行速度的加大，會(huì)大幅提高橋梁上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，即橋梁上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)與列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度正相關(guān)。

⑵ 在橋梁特殊運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，如列車(chē)在橋梁上制動(dòng)或者兩列列車(chē)在橋梁上會(huì)車(chē)，橋梁上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)不會(huì)超過(guò)最大運(yùn)營(yíng)速度下，單列列車(chē)行駛時(shí)的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，即在現(xiàn)行最大運(yùn)營(yíng)荷載下，列車(chē)制動(dòng)及會(huì)車(chē)狀態(tài)下，不會(huì)產(chǎn)生橋梁水平向（包括橫橋向水平及順橋向水平）的最不利狀態(tài)。

⑶ 試驗(yàn)過(guò)程中，邊墩（薄壁墩）墩底應(yīng)變較小，且變動(dòng)幅度較小。

6 結(jié)論

為評(píng)估某城市軌道交通大跨度剛構(gòu)拱橋的承載能力和動(dòng)力特性，進(jìn)行靜載試驗(yàn)、模態(tài)試驗(yàn)和車(chē)橋耦合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：

⑴ 橋梁靜力性能較好，滿(mǎn)足承載力的要求。

⑵ 橋梁實(shí)測(cè)基頻大于理論值，橋梁豎向剛度滿(mǎn)足要求。

⑶ 橋梁正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，主梁橫向剛度及邊墩（薄壁墩）剛度滿(mǎn)足正常使用的要求。

⑷ 橋梁上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)與列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度正相關(guān)。列車(chē)制動(dòng)及會(huì)車(chē)狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生橋梁水平向的最不利狀態(tài)。