鋼-混凝土組合連續梁橋綜合動力性能試驗研究

根據中國鐵路客運專業道路橋梁的設計和新鐵路站的臨時規定，以及車輛橋的聯合振動研究成果，提出了新鐵路站的規劃和處罰。橋梁結構形式除大量采用單、雙線整孔預制混凝土箱梁外,還采用了預應力混凝土連續梁、連續剛構、多片式混凝土T梁和鋼-混凝土連續組合箱梁;橋面線路除有碴軌道外,還少量采用了長枕埋入式無碴軌道和板式無碴軌道。工程實踐證明,鋼-混凝土組合梁橋綜合了混凝土橋和鋼橋的優點,具有“輕型大跨”、“預制裝配”、“快速施工”和“不影響正常交通營運”等特點,易于滿足現代橋梁結構對功能的需求,在我國公路橋梁建設中的應用和研究已很廣泛,但在鐵路橋梁中應用的理論研究相對滯后,有關鐵路組合梁橋動力性能試驗研究的報道也很少,設計上也缺乏相關的規定和依據。為了檢驗和評估鋼-混凝土組合梁橋的動力性能、列車通過橋梁時的舒適性和安全性,同時為相應的設計規范積累原始數據,本文對2座鋼-混凝土連續組合梁橋進行系統的現場動力性能綜合試驗研究。1組合梁橋橋梁用于綜合動力性能試驗研究的鋼-混凝土連續組合梁橋包括1座鋼-混凝土連續組合板梁橋和1座鋼-混凝土連續組合箱梁橋,見圖1和圖2所示。連續組合板梁橋為3跨(32m+40m+32m)雙線后張預應力鋼-混凝土組合梁橋,寬12.4m(梁寬7.0m,懸臂長2.7m×2),梁高2.9m;支座采用QSPZ4000KN型盆式橡膠支座,橫向中心距為5.7m;橋面線路為有渣軌道,直線,縱斷面坡度12‰(下行上坡);橋墩為雙柱式排架墩,橋墩基礎為明挖擴大基礎,墩高約5.5m。連續組合箱梁橋為3跨(40m+50m+40m)雙線后張預應力鋼-混凝土組合梁橋,寬12.4m(梁寬7.32m,懸臂長2.2m×2),梁高3.6m;支座采用JHPZ2500和7000KN盆式橡膠支座,橫向中心距5.7m;橋面線路為有渣軌道,直線,縱斷面坡度10‰～-12‰;橋墩為實體板式墩,橋墩基礎為鉆孔樁基礎,墩高約5m。2試驗裝置及模型試驗主要測試內容包括:①梁體自振頻率;②中跨和邊跨梁體跨中豎向動撓度;③中跨和邊跨梁體跨中豎、橫向振幅,梁端橫向振幅;④墩頂橫向振幅;⑤中跨支座的縱、橫和豎向相對位移;⑥中跨跨中軌道脫軌系數、輪重減載率和軌道力;⑦中跨和邊跨梁體跨中豎、橫向加速度;⑧中跨梁體跨中和內支座負彎矩區縱橋向應變及墩底豎向應變。2座連續組合梁橋測點布置如圖3和圖4所示。連續組合板梁橋的試驗列車為“DC1#”電力動車組,其編組為1#動車+1#拖車+1#動車2組動車組,共6節車;連續組合箱梁橋的試驗列車為“DC2#”電力動車組,其編組為2#動車+4×2#拖車+3#動車和2#動車+4×2#拖車2組動車組,分別為6節和5節列車。各試驗列車的主要參數如表1所示。采用文獻的車—橋耦合振動理論及相應計算程序對2座組合梁橋進行動力仿真分析,對橋梁的動力性能、試驗列車運營的舒適性和安全性進行預測,并與試驗結果進行對比。采用歐洲鋼-混凝土組合結構設計規范Eurocode4對2座組合梁橋的頻率和靜撓度進行設計計算,并與理論計算值和試驗結果進行對比分析。由于目前沒有相應規范,對2座組合梁橋有關測試結果進行的評價暫時采用混凝土橋和鋼橋的相應規范。3試驗結果及分析3.1自振頻率值對比自振頻率可反映結構動剛度的大小。梁體豎向自振頻率采用脈動法和試驗列車通過后的余振法2種方法測定。表2給出了2座橋梁豎向自振頻率的試驗值、理論計算值和設計計算值。由表2可見,實測豎向自振頻率均比理論計算值和設計值的自振頻率大,表明梁體實際動剛度比理論計算和設計的動剛度大,符合《鐵路橋梁檢定規范》的要求。3.2梁橋結構校正系數2座組合梁橋跨中靜撓度的理論計算值、設計計算值和實測值見表3所示。由表3可以看出:1)豎向靜撓度的試驗值均小于理論計算值和設計計算值,符合《鐵路橋梁檢定規范》的要求;2)2座橋梁的結構校正系數均滿足《鐵路橋梁檢定規范》的要求;3)連續組合箱梁轉角較小,抗扭性能較好,連續組合板梁梁體轉角較大,抗扭性能較差。表4給出了在不同試驗列車作用下,最大動撓度及其撓度動力系數的實測結果與計算結果。由表4可見,連續組合板梁橋的撓度動力系數較大,而連續組合箱梁橋撓度動力系數較小。圖5和圖6分別給出了組合板梁橋在列車作用下,跨中動撓度最大值和撓度動力系數隨車速的變化情況。由圖5和圖6可以看出,在160~200km·h-1車速范圍內,組合梁跨中的動撓度和撓度動力系數在180km·h-1速度檔附近出現峰值3.3橫向動位移檢測圖7為連續板梁橋在試驗列車作用下,豎向最大振幅與車速的關系圖。由圖7可見,該橋豎向最大振幅在160～200km·h-1車速范圍內基本保持不變。圖8為連續板梁橋的跨中橫向最大振幅與車速的關系圖。從圖8可見,連續板梁橋橫向最大振幅實測值在160～200km·h-1車速范圍內,隨列車速度的提高而緩慢增加。表5給出了2座橋梁梁體各測點的橫向最大振幅實測結果與計算的橫向動位移。1)由于梁體橫向剛度較大,2種橋型的梁體跨中橫向最大振幅均較小;2)實測的橫向最大振幅均比計算的橫向動位移小,符合《鐵路橋梁檢定規范》的要求。3.4梁體力2座鐵路橋梁各測點的最大實測拉應力增量及相應的應力動力系數見表6所示。由表6可見,2種橋型的實測應力增量均較小。3.5與理論計算值對比2座鐵路橋梁各測點經40Hz低通濾波后的豎、橫向最大加速度的實測值與理論計算值見表7所示。由表7可見,40Hz濾波后的跨中橫向最大加速度符合《鐵路橋梁檢定規范》中小于0.14g的要求,豎向最大加速度符合《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》中小于0.35g的要求。3.6支架位移2座橋梁固定支座和活動支座的實測最大相對位移見表8所示。由表8可見,2種橋型的支座位移均很小。3.7橫向振幅均比計算動位移表9為2座梁橋墩頂橫向最大振幅實測結果和計算結果。由表9可見:1)實測橫向振幅均比計算動位移小,符合實際情形,但1#列車通過時計算的動位移比橫向振幅大得多,可能是由于計算的模型墩高與實際墩高不一致而引起的;2)2種墩型的橫向剛度都較大,實測墩頂橫向振幅均較小,滿足《鐵路橋梁檢定規范》的限值要求。3.8墩體強度表10為2座梁橋墩底豎向最大實測拉應力增量測試結果。由表10可見,2種墩型的墩底拉應力增量均較小,遠未達到混凝土的極限拉應力。3.9最高速度400kmh-12座橋梁中跨跨中的脫軌系數、減載率和軌道力實測結果與理論計算結果見表11所示。由表11可見:1)組合板梁橋的最高試驗速度200km·h-1與計算最高速度270km·h-1相差較遠,其脫軌系數和減載率的實測值與理論計算值相差也較遠,組合箱梁橋的脫軌系數和減載率的實測值與理論計算值基本吻合;2)脫軌系數實測值與理論計算值均小于《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范(GB5599—85)》和《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準(TB/T2360—93)》的允許安全限值0.8,輪重減載率也小于允許安全限值0.65,表明2座組合梁橋在試驗列車試驗速度范圍內,均能滿足安全行車的要求。4單線鐵路簡支混凝土橋梁以上分析結果表明,在試驗列車