陈树礼，刘永前，张彦兵

(石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所，石家庄　050043)



大跨度钢桁梁桥静动力性能试验研究

陈树礼，刘永前，张彦兵

(石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所，石家庄050043)

摘要：以某铁路64m单线栓焊下承式钢桁梁桥为研究对象，采用数值模拟分析和现场试验相结合的方法，进行提速和扩能条件下的大桥静动力性能试验研究。结果表明：静载作用下，实测大桥杆件应力和跨中挠度均小于理论计算值，挠度、应力校验系数略大于规范通常值，挠度和应力相对残余均满足要求，上下游两片受力较为均匀；不同速度列车作用下桥梁运营性能指标基本满足规范要求，但实测数据均较大，且大于同类型双线钢桁梁桥，空重混编列车引起桥梁更大振动；桥梁基本满足承载能力和使用条件要求，结构处于良好的弹性工作状态，但桥跨结构整体刚度偏弱，安全储备较小，建议对桥梁整体刚度进行加强并对桥梁动力响应进行实时监测。

关键词：大跨度；下承式钢桁梁桥；静动力性能；试验；数值分析；承载能力

随着我国经济的快速发展，铁路运输压力持续增大，在既有线上开展扩能改造、开行重载列车已经成为提高铁路运输能力的一种主要方式。国内外重载运输实践经验表明，提高列车轴重、增加编组长度是实现重载铁路运输的主要技术发展方向，这些措施在大幅提高铁路运量的同时，也会给既有桥梁带来很多不利影响。随轴重提高和运量增加，桥梁承受静载和动载加大，导致桥梁结构荷载效应和变形加大，桥梁振动加剧，结构的强度、刚度、稳定性等安全储备降低，进而引起疲劳损伤加剧，使用寿命缩短；因此，保证扩能改造条件下既有线桥梁的结构安全，对其荷载作用下的静、动力性能进行评估显得至关重要。

大跨度钢桁梁桥由于具有结构轻便、跨度大、易于施工的特点，在我国铁路中得到广泛应用，我国很多学者对其进行了大量的研究并取得了一定的成果。姚京川、刘楠、郑平伟、董振升、杨宜谦、孙志杰、李运生等对于高铁和普通铁路中存在的单线或双线钢桁梁桥，进行了相关理论分析和现场荷载试验研究[1-7]；黄胜前、杨云、王钰、盛兴旺等针对其他类型的铁路桥梁开展了相关试验和评定技术研究[8-11]。这些研究大都采用理论分析、现场试验的研究方法，且主要针对双线简支、连续钢桁梁桥或其他类型桥梁，针对大跨度单线钢桁梁桥相关试验研究的文献很少。以某铁路64 m单线下承式钢桁梁桥为研究对象，通过数值模拟分析、静载试验和动载试验，开展桥梁静动力性能试验研究，分析单线桥梁受力特点，对桥梁进行科学的检测与评价。

1工程概况

某铁路桥为单线64 m栓焊下承式钢桁梁桥，桥梁上跨京杭大运河，计算跨径64 m，桥面系全长65.24 m；主桁上、下弦杆截面采用焊接H形，桥面系采用纵、横梁结构，上、下平纵联均为焊接工字形截面，采用钢支座，下部结构为钻孔桩基础，圆端形板式桥墩，主要运行运煤重车，设计荷载为中-活载。桥梁实景见图1。

图1　桥梁现场照片

桥梁已经运行多年，为了检验和评估钢桁梁桥的静、动力性能、列车通过桥梁时的舒适性和安全性，对其进行列车作用下的静载试验、动载试验和运营性能试验。静载试验主要测试桥梁结构在静力列车荷载作用下的桁梁杆件的内力、跨中挠度，据以判断桥梁结构在静载作用下的实际工作状态、结构的安全承载能力和使用条件；动载试验包括强迫振动试验和脉动试验，强迫振动试验主要测试桥梁结构在试验荷载作用下的动力响应，即振幅、加速度、动挠度、动力系数等，脉动试验主要测试桥梁结构在自然环境激振条件下的自由振动特性，即自振频率、阻尼等，评价桥梁的刚度和动力性能是否满足规范要求。

2静载试验

2.1试验内容

采用Midas/civil建立有限元模型，进行设计荷载和试验荷载作用下的数值模拟分析。模型采用空间结构，单元截面按照设计、施工图纸中尺寸和形状确定，纵横梁、上下平纵联均按照实际结构建模。设计荷载按照中-活载进行计算，图2～图3为有限元模型和荷载作用下位移云图。

图2　单线64 m铁路下承式钢桁架桥计算模型

图3　中-活载作用下最大竖向位移

根据理论分析结果，考虑最不利受力和对称性要求，确定了应变、挠度测点。共布置应变测点64个，挠度测点10个。图4为测点布置图。其中：应变测点共16截面×4个/截面=64个，分别布置在北侧1号、4号、4A号、5号、11号、12号、15号、16号、21号、21A、23号截面和南侧4号、5号、11号、12号、15号截面；挠度测点共10个，布置在南北两侧1/4跨、2/4跨、3/4跨和两端支座处，梁端纵向位移测点1个，布置在活动支座处。

图4　静载试验测点布置

2.2试验荷载和工况

根据桥梁截面控制杆件的轴力影响线计算确定最不利轮位，按最大试验荷载进行分级加载，静载试验中，一般要求荷载效率系数不小于0.8，不大于1.0，考虑目前线路上实际运行的机车及重车情况，试验时的实际荷载采用SS4B双机加挂C70重车的荷载形式，列车编组为2×S4B+7×C70重车(满载)+7×C70空车+2×SS4B，效率系数为0.62～0.66。试验荷载的作用位置示意见图5。具体加载工况见表1。

2.3测试结果分析

因篇幅有限，仅列出最不利工况下部分测点的应力、挠度、校验系数、相对残余测试结果，见表2。

图5　试验荷载的作用位置示意(工况1～4)

工况荷载位置效率系数工况1机车前轴作用于1/4跨度节点处0.62工况2机车前轴作用于1/2跨度节点处0.64工况3机车前轴作用于3/4跨度节点处0.65工况4跨中活载效应最大0.66工况5桥门架活载效应最大0.65

表2　静载试验部分参数实测结果统计

由表2可得出如下结果。

(1)杆件应力和跨中挠度实测值均小于理论计算值。实测主桁上弦杆校验系数为0.76，满足《铁路桥梁检定规范》[12]第10.0.8条中校验系数通常值要求。实测主桁下弦杆校验系数介于0.90～0.91，实测跨中挠度校验系数为0.83，不满足《铁路桥梁检定规范》[12]第10.0.8条中校验系数通常值要求。

(2)实测换算至中-活载挠跨比1/1 757，满足《铁路桥梁检定规范》[11]第10.0.3条小于1/1 250的要求；实测南北两侧对称杆件的应力偏差较小，表明两片主桁受力分布均匀，实测应力、挠度相对残余介于1.37%～2.49%，弹性恢复能力较强，表明桥梁处于良好的弹性工作状态。

(3)实测主桁部分杆件应力和跨中挠度均较大，校验系数不能满足要求，并且挠跨比虽然满足规范要求，但相对其他类型双线钢桁梁桥来说，挠跨比已经比较接近规范限值，说明主桁刚度偏弱，强度储备较小，需要密切观测。

3动载试验

3.1试验内容

(1)跑车试验：采用试验编组列车进行动载试验，列车编组同静载试验一致。混编列车以从10、20、30、40、50、60 km/h至设计或实际运营车速驶过指定位置，测试列车过桥时桥梁振动规律及动应力、动挠度变化规律及桥梁安全运营的其他技术参数。

(2)自振特性试验：采用脉动法或测余振方法，进行钢桁梁自振特性测试。

(3)运营性能试验：测试正常运营列车过桥时桥梁振动规律及动应力、动挠度变化规律及桥梁安全运营的其他技术参数。

(4)测点布置：动载试验测点包括振动传感器测点、动挠度测点和动应变测点。共布置14个振动传感器，其中在1/4跨、1/2跨、3/4跨和两端支座处各布置5个梁跨竖向振幅和5个梁跨横向振幅测点；在1/2跨布置1个横向振动加速度和1个竖向振动加速度，2个墩顶横向振幅测点；在活动支座处布置1个梁端纵向位移测点；在南侧桁架4号、21号杆布置2个动应变测点，动应变片在杆件的位置与桥梁静载试验相同；在1/2跨布置2个动挠度测点。

(5)测试设备：振动测试选用中国地震局工程力学研究所研制生产的横向891-V型传感器及配套放大器，采集分析仪选用北京东方所INV-306U大容量动态数据采集系统，动挠度测试选用北京光电技术研究所研制生产的BJQN-4D型桥梁挠度检测仪。

3.2结果分析

试验编组列车实际速度在12～69 km/h之间变化，同一速度循环2次，两个循环速度误差在1 km/h范围内；正常运营列车速度在65 ～72 km/h之间变化，试验编组列车作用下实测数据最大值统计见表3，正常运营列车作用下实测数据见表4，典型时程曲线见图6。

(1)振幅：试验编组列车和运营列车作用下，实测桥跨跨中横向振幅最大值分别为4.14、3.14 mm，实测墩顶横向振幅最大值分别为0.20、0.17 mm，均小于《铁路桥梁检定规范》[11]所规定的横向振幅安全限值要求；桥跨跨中竖向振幅最大值分别为2.05、1.59 mm。

试验编组列车以不同速度通过桥跨时，跨中横向振幅、竖向振幅和墩顶横向振幅基本上均呈现随速度增加而增大的趋势。当试验列车速度超过50 km/h后，跨中横向振幅明显增大，且大于正常运营列车作用下数据。从波形图可以看出，振动较大位置一般出现在空车部位，说明试验列车中重车引起桥跨竖向振动加大，空车晃动较重车严重，进而导致桥跨产生更大的空间耦合振动，轻重混编列车导致了桥梁产生更大振动，需要在实际运营中加以重视。时速50 km/h左右为振幅响应最大对应的行车速度。

表3　试验编组列车作用下实测数据最大值统计

表4　正常运营列车作用下实测数据最大值统计

图6　跨中横向振幅和横向加速度时程曲线

(2)横向加速度：试验编组列车作用下，实测跨中横向加速度最大值为1.71 m/s2，不满足文献[12]中横向振动加速度要求(≤1. 40 m/s2)，跨中横向加速度随速度增加而增大；正常运营列车作用下，实测跨中横向加速度最大值均小于规范规定的≤1. 40 m/s2要求。

(3)频率：采用余振法和大地脉动法共两种方法进行自振频率分析，对速度时程曲线进行自谱分析、互谱分析，得到桥跨横向自振频率，两种分析方法结果基本吻合；实测桥跨横向自振频率为1.75 Hz，大于理论计算值(1.68 Hz)和《铁路桥梁检定规范》[11]所规定的通常值(1.41 Hz)要求，但小于规范关于列车通过时车轮抗脱轨的安全度要求(≥2.33 Hz)，表明该桥横向刚度略显不足。

(4)动力系数：通过对动挠度时程曲线和杆件动应变时程曲线分析得到动力系数，实测动力系数均小于理论计算值，且动力系数比较离散，随着速度增加变化趋势不明显。

(5)阻尼比：对实测桥梁跨中余振进行分析，得到实测阻尼比平均值为0.009 1，略小于一般钢结构临界阻尼比1.00%～3.00%。

(6)不同类型桥梁试验数据对比：同其他类型桥梁试验数据进行对比，同样试验条件下本桥桥跨实测数据基本上都略大于其他桥梁，说明单线钢桁梁桥较双线钢桁梁桥具有较小的横向刚度和竖向刚度，列车荷载将导致桥梁结构产生更大的应力、变形和振动。

4结论

针对64 m单线下承式钢桁梁桥进行了理论分析和现场静动载性能试验研究，主要结论如下。

(1)静力荷载作用下，杆件应力和跨中挠度实测值均小于理论计算值，跨中挠度和下弦杆应力校验系数略大于规范通常值要求，其他杆件应力校验系数满足要求，实测换算至中-活载挠跨比1/1 757，相对残余很小，说明桥梁基本满足承载能力和使用条件要求，结构处于良好的弹性工作状态，但实测静力数据表明桥跨结构整体刚度偏弱，重载列车作用引起了较大的应力和变形。

(2)不同速度试验编组列车和正常运营列车作用下，桥跨跨中横向振幅、自振频率、动力系数、墩顶横向振幅、阻尼比等参数均满足运营性能试验规范要求，部分参数随着速度增加有增大趋势，但桥跨跨中横向加速度有超限值情况，且一定速度下横向振幅偏大，说明桥梁横向刚度偏弱，需加以重视。速度接近情况下，试验编组列车作用下实测数据大于正常运营重载列车数据，说明空重混编引起桥梁产生更大的振动。

(3)与其他同类型钢桁梁桥相比，本桥部分实测数据均略大于其他双线钢桁梁桥，说明本桥横向刚度偏弱，开行300 kN大轴重重载列车将会导致桥梁受力加剧，为确保桥梁运营安全，建议对桥梁整体刚度进行加强，同时对列车作用下的桥梁动力响应进行实时监测。

参考文献：

[1]姚京川，尹京，王巍，等.高铁济南黄河特大桥钢桁梁主桥动力性能研究[J].中国铁道科学，2013，34(3):7-13.

[2]刘楠，许建平，孙军平.既有铁路上承式钢桁梁动力性能对比研究[J].铁道标准设计，2012(10)：46-49，53.

[3]郑平伟，侍刚，秦金环，等.渝怀线长寿长江大桥荷载试验研究[J].桥梁建设，2006(S1):134-136，142.

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[5]杨宜谦，柯在田，白玲，等.大准铁路黄河特大桥钢桁梁静载试验[J].实验力学，2005，20(1):139-144.

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[11]盛兴旺，李金光.洛湛铁路石良角得江特大桥主桥(64+2×104+64 ) m单线铁路连续梁荷载试验与结构评定[J].铁道标准设计，2010 (3)：50-53.

[12]中华人民共和国铁道部.铁运函[2004]120号铁路桥梁检定规范[S].北京:中国铁道出版社，2004.

收稿日期：2015-11-04

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2009AA11Z102)，铁道部科技研究开发计划(重大课题)(2012G011-A)

作者简介：陈树礼(1978—)，男，副教授，博士研究生，研究方向为桥梁检测、监控/监测、加固及评定，E-mail：13832115905@163.com。

文章编号：1004-2954(2016)06-0038-05

中图分类号：U446.1

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.009

Test Research on Static and Dynamic Performances of Large Span Steel Truss Girder Bridge

CHEN Shu-li，LIU Yong-qian，ZHANG Yan-bing

(Structure Health Monitoring and Control Institute，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

Abstract：Taking the 64 m through steel truss bridge as the research object，the test research on bridge static and dynamic performances is completed with numerical analysis and field test. The results show that under static load the measured stress and deflection of the bridge are less than the theoretical calculation，the deflection and the stress check coefficient are slightly larger than the standard normal values，the relative residual of deflection and stress meet the standard requirement，and the stresses of the two main trusses are in balance. The operating performance indicators under trains of different speed can basically meet the standard requirements，but the measurements are larger than that of similar double wire steel truss bridge. The empty and weight mixed trains cause greater vibration. Overall，the bearing capacity and service condition of the bridge basically meet the standard requirements and in good elastic working condition，but the bridge structure overall rigidity is weak with small emergency capacity. Thus，it is recommended that the entire bridge stiffness should be strengthened and the real-time bridge dynamic response monitored．

Key words：Large span; Through steel truss girder bridge; Static and dynamic performance; Test; Numerical analysis; Bearing capacity