钢-混凝土组合连续梁桥综合动力性能试验研究

钢-混凝土组合连续梁桥综合动力性能试验研究

根据中国铁路客运专业道路桥梁的设计和新铁路站的临时规定，以及车辆桥的联合振动研究成果，提出了新铁路站的规划和处罚。桥梁结构形式除大量采用单、双线整孔预制混凝土箱梁外,还采用了预应力混凝土连续梁、连续刚构、多片式混凝土T梁和钢-混凝土连续组合箱梁;桥面线路除有碴轨道外,还少量采用了长枕埋入式无碴轨道和板式无碴轨道。工程实践证明,钢-混凝土组合梁桥综合了混凝土桥和钢桥的优点,具有“轻型大跨”、“预制装配”、“快速施工”和“不影响正常交通营运”等特点,易于满足现代桥梁结构对功能的需求,在我国公路桥梁建设中的应用和研究已很广泛,但在铁路桥梁中应用的理论研究相对滞后,有关铁路组合梁桥动力性能试验研究的报道也很少,设计上也缺乏相关的规定和依据。为了检验和评估钢-混凝土组合梁桥的动力性能、列车通过桥梁时的舒适性和安全性,同时为相应的设计规范积累原始数据,本文对2座钢-混凝土连续组合梁桥进行系统的现场动力性能综合试验研究。1组合梁桥桥梁用于综合动力性能试验研究的钢-混凝土连续组合梁桥包括1座钢-混凝土连续组合板梁桥和1座钢-混凝土连续组合箱梁桥,见图1和图2所示。连续组合板梁桥为3跨(32m+40m+32m)双线后张预应力钢-混凝土组合梁桥,宽12.4m(梁宽7.0m,悬臂长2.7m×2),梁高2.9m;支座采用QSPZ4000KN型盆式橡胶支座,横向中心距为5.7m;桥面线路为有渣轨道,直线,纵断面坡度12‰(下行上坡);桥墩为双柱式排架墩,桥墩基础为明挖扩大基础,墩高约5.5m。连续组合箱梁桥为3跨(40m+50m+40m)双线后张预应力钢-混凝土组合梁桥,宽12.4m(梁宽7.32m,悬臂长2.2m×2),梁高3.6m;支座采用JHPZ2500和7000KN盆式橡胶支座,横向中心距5.7m;桥面线路为有渣轨道,直线,纵断面坡度10‰～-12‰;桥墩为实体板式墩,桥墩基础为钻孔桩基础,墩高约5m。2试验装置及模型试验主要测试内容包括:①梁体自振频率;②中跨和边跨梁体跨中竖向动挠度;③中跨和边跨梁体跨中竖、横向振幅,梁端横向振幅;④墩顶横向振幅;⑤中跨支座的纵、横和竖向相对位移;⑥中跨跨中轨道脱轨系数、轮重减载率和轨道力;⑦中跨和边跨梁体跨中竖、横向加速度;⑧中跨梁体跨中和内支座负弯矩区纵桥向应变及墩底竖向应变。2座连续组合梁桥测点布置如图3和图4所示。连续组合板梁桥的试验列车为“DC1#”电力动车组,其编组为1#动车+1#拖车+1#动车2组动车组,共6节车;连续组合箱梁桥的试验列车为“DC2#”电力动车组,其编组为2#动车+4×2#拖车+3#动车和2#动车+4×2#拖车2组动车组,分别为6节和5节列车。各试验列车的主要参数如表1所示。采用文献的车—桥耦合振动理论及相应计算程序对2座组合梁桥进行动力仿真分析,对桥梁的动力性能、试验列车运营的舒适性和安全性进行预测,并与试验结果进行对比。采用欧洲钢-混凝土组合结构设计规范Eurocode4对2座组合梁桥的频率和静挠度进行设计计算,并与理论计算值和试验结果进行对比分析。由于目前没有相应规范,对2座组合梁桥有关测试结果进行的评价暂时采用混凝土桥和钢桥的相应规范。3试验结果及分析3.1自振频率值对比自振频率可反映结构动刚度的大小。梁体竖向自振频率采用脉动法和试验列车通过后的余振法2种方法测定。表2给出了2座桥梁竖向自振频率的试验值、理论计算值和设计计算值。由表2可见,实测竖向自振频率均比理论计算值和设计值的自振频率大,表明梁体实际动刚度比理论计算和设计的动刚度大,符合《铁路桥梁检定规范》的要求。3.2梁桥结构校正系数2座组合梁桥跨中静挠度的理论计算值、设计计算值和实测值见表3所示。由表3可以看出:1)竖向静挠度的试验值均小于理论计算值和设计计算值,符合《铁路桥梁检定规范》的要求;2)2座桥梁的结构校正系数均满足《铁路桥梁检定规范》的要求;3)连续组合箱梁转角较小,抗扭性能较好,连续组合板梁梁体转角较大,抗扭性能较差。表4给出了在不同试验列车作用下,最大动挠度及其挠度动力系数的实测结果与计算结果。由表4可见,连续组合板梁桥的挠度动力系数较大,而连续组合箱梁桥挠度动力系数较小。图5和图6分别给出了组合板梁桥在列车作用下,跨中动挠度最大值和挠度动力系数随车速的变化情况。由图5和图6可以看出,在160~200km·h-1车速范围内,组合梁跨中的动挠度和挠度动力系数在180km·h-1速度档附近出现峰值3.3横向动位移检测图7为连续板梁桥在试验列车作用下,竖向最大振幅与车速的关系图。由图7可见,该桥竖向最大振幅在160～200km·h-1车速范围内基本保持不变。图8为连续板梁桥的跨中横向最大振幅与车速的关系图。从图8可见,连续板梁桥横向最大振幅实测值在160～200km·h-1车速范围内,随列车速度的提高而缓慢增加。表5给出了2座桥梁梁体各测点的横向最大振幅实测结果与计算的横向动位移。1)由于梁体横向刚度较大,2种桥型的梁体跨中横向最大振幅均较小;2)实测的横向最大振幅均比计算的横向动位移小,符合《铁路桥梁检定规范》的要求。3.4梁体力2座铁路桥梁各测点的最大实测拉应力增量及相应的应力动力系数见表6所示。由表6可见,2种桥型的实测应力增量均较小。3.5与理论计算值对比2座铁路桥梁各测点经40Hz低通滤波后的竖、横向最大加速度的实测值与理论计算值见表7所示。由表7可见,40Hz滤波后的跨中横向最大加速度符合《铁路桥梁检定规范》中小于0.14g的要求,竖向最大加速度符合《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》中小于0.35g的要求。3.6支架位移2座桥梁固定支座和活动支座的实测最大相对位移见表8所示。由表8可见,2种桥型的支座位移均很小。3.7横向振幅均比计算动位移表9为2座梁桥墩顶横向最大振幅实测结果和计算结果。由表9可见:1)实测横向振幅均比计算动位移小,符合实际情形,但1#列车通过时计算的动位移比横向振幅大得多,可能是由于计算的模型墩高与实际墩高不一致而引起的;2)2种墩型的横向刚度都较大,实测墩顶横向振幅均较小,满足《铁路桥梁检定规范》的限值要求。3.8墩体强度表10为2座梁桥墩底竖向最大实测拉应力增量测试结果。由表10可见,2种墩型的墩底拉应力增量均较小,远未达到混凝土的极限拉应力。3.9最高速度400kmh-12座桥梁中跨跨中的脱轨系数、减载率和轨道力实测结果与理论计算结果见表11所示。由表11可见:1)组合板梁桥的最高试验速度200km·h-1与计算最高速度270km·h-1相差较远,其脱轨系数和减载率的实测值与理论计算值相差也较远,组合箱梁桥的脱轨系数和减载率的实测值与理论计算值基本吻合;2)脱轨系数实测值与理论计算值均小于《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范(GB5599—85)》和《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准(TB/T2360—93)》的允许安全限值0.8,轮重减载率也小于允许安全限值0.65,表明2座组合梁桥在试验列车试验速度范围内,均能满足安全行车的要求。4单线铁路简支混凝土桥梁以上分析结果表明,在试验列车