胡 泊

(神华准格尔能源有限公司基建中心 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

大准铁路增二线黄河特大桥动载试验

胡 泊

(神华准格尔能源有限公司基建中心 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

进行大准铁路增二线黄河特大桥成桥动力试验，检测其自振特性以及动载通过时的桥跨结构动力响应。试验结构表明，在动力试验荷载作用下，大准增二线黄河大桥连续刚构桥的动力特性、桥梁动力稳定性和安全性、列车过桥时桥梁运行平稳性和安全性测试过程中均未见异常，桥梁动力性能良好。

动载试验；特性；振动

一、概况

改建铁路大同至准格尔线增二线二道河至点岱沟段黄河特大桥位于内蒙古自治区清水河县境内岔河口村，桥位在既有大准线黄河桥上游31.0m处，规划航道等级为Ⅳ。主桥为(96+132+96)m的预应力混凝土连续刚构体系，引桥采用9×32m简支梁。主桥梁体采用单箱单室变截面箱梁，梁体为三向预应力体系，刚壁墩采用矩形空心墩，基础结构均采用钻孔灌注桩[1]。桥梁中心里程为DK235+921.73，全长636.37m。桥型及横截面布置见图1所示。

(a)立面布置图(单位：m)

(b)支点截面图(单位：cm)

(c)跨中截面图(单位：cm)

桥梁结构动载试验是检验结构整体的动力性能是否达到设计要求的重要手段，也是综合判断结构的承载能力和安全运用条件的重要依据。通过有限元方法进行桥梁结构动力特性计算，建立动力试验的理论依据。然后进行大桥现场动载试验，将测试结果进行分析比对，进而评价桥梁的实际状态。

二、试验内容

桥梁结构的自振特性和车辆动力荷载与桥梁结构的联合震动特性是动载试验研究的主要内容，这些特性参数是表征桥梁总体状况的重要指标。本次黄河特大桥动载试验主要包括脉动试验和强迫震动试验部分，通过测试确定桥梁的横、竖向动力刚度，结构的自震频率，列车作用下梁体的加速度等相关参数，能够更加全面的了解该桥梁的动力特性[2]。

(一)有限元模型

主梁有限元模型采用变截面的三维空间梁单元模拟，纵梁本身的刚度作为梁单元的刚度。在主梁单元中除了纵梁本身的质量外，桥面铺装及桥面附属物质量将均布于其中，主梁梁单元的其他性质不改变，有限元模型如图2所示。

图2 黄河特大桥动力计算模型

(二)脉动试验

脉动试验是建立在假设环境激励为平稳的各态历经基础之上的，认为在桥梁振动频率的中低频段内，环境振动的激励谱比较平坦，桥梁各阶的模态阻尼比较小，模态之间的耦合可以略去；在环境激励的频率与桥梁的自振频率接近或一致时，由于共振效应桥梁吸收环境激励的能量，结构响应较大；在环境激励的频率与桥梁自振频率相差较大时，结构响应较小。脉动试验就是利用这种响应差异确定桥梁自振特性。

脉动试验采用在桥面上、下游布置891速度传感器进行测试，具体测点布置如图3所示。

图3 脉动试验测点布置示意图

(三)行车试验

行车试验是用试验列车对桥梁施加动荷载，测试特定位置的振幅、加速度、动位移等动力响应值，并分析、获取桥梁的动力响应特性，进而对它们进行评估。试验列车以5、20、40、50、60、70、80km/h速度驶过大桥，测量桥梁结构及车辆的动力响应，各个速度在大同—准格尔方向各一次。

(四)冲击系数

冲击系数表现的是桥梁强迫振动响应情况，强迫振动主要与激振力、激振力频率、固有频率、跨度以及激振力和振动的耦合作用关系等因素相关。激振力属荷载本身的固有因素，主要跟桥梁的材料特性、刚度、质量分布、结构形式有关，激振力频率及激振力和桥梁振动的耦合作用关系则与桥面的不平整度息息相关[3]。因此，冲击系数与桥梁跨度、桥面线路平整度、实际刚度、材料性质等因素均相关。

三、测试结果与分析

通过在桥梁空间结构上设置合适的测点，并布置高灵敏度的传感器，对环境激励下引起的桥梁结构振动长时间、大样本的记录，对记录下来的振动时程信号进行时域和频域处理、分析。通过对功率谱曲线(自谱和互谱)的峰值和相位的测试，桥梁的各阶空间自振频率和各阶模态空间振型可以确定，然后通过幅频图上各峰值处的半功率带宽或时域上的自相关确定各阶模态阻尼比。试验的各类数据整理结果如下。

(一)主梁横向振幅值

实测的主梁横桥向振幅与车速关系图见图4，图中振幅数值为两次相同速度行车试验的平均值。

图4 主梁横向振幅与车速关系图

各车速下9#-10#跨和11#-12#跨横向振幅安全限值10.75mm，通常值2.76mm；10#-11#跨横向振幅安全限值14.67mm，通常值=3.77mm[4]。实测横向振幅值小于规范要求的安全限值和通常值。

(三)横向加速度值

实测桥梁加速度值最大值见表1:

表1 加速度测试结果

实测主梁竖向加速度最大值为1.31m/s2，道渣桥面强振频率不大于20Hz的竖向振动加速度a≤0.35g=3.50m/s2，实测值小于规范值，满足规范要求。横向加速度实测最大值为0.52 m/s2，规范要求桥跨结构在荷载平面内的横向振动加速度不应超过1.4 m/s2，实测值小于规范限值，满足要求。

(三)动力系数

准格尔—大同方向各进行一次测量，实测各车速下桥梁跨中竖向动力系数列于表2。

表2 动力系数值

本桥动力系数规范计算值为1+μ1.074，实测最大值为1.071，实测值均小于设计值，满足规范要求。

(四)桥跨结构的频率

用环境脉动测试法测试结构的自振频率和阻尼比，采用时间窗函数进行谱分析，根据实际情况设置低通，保证数据的可靠性。分析得出桥梁的自振频率，实测频率及阻尼比与理论计算值的比较见表3。

表3 主梁固有频率实测及计算结果

大桥实测横向一阶弯曲振动频率为1.00 Hz，大于计算值0.85Hz；实测竖向一阶弯曲振动频率为1.60Hz，大于计算值1.43Hz。均大于计算值，说明桥梁横、竖向动力刚度满足设计要求。本桥实测阻尼比在1.46%～1.90%之间。

根据规范要求，各种桥跨结构在荷载平面处实测最低横向自振频率通常值≥90/L=90/132=0.68Hz，由表3可以看出，实测最低横向自振频率为1.00Hz，实测值大于规范值，满足要求。

四、试验结论

动载试验的主要结果均满足《铁路桥梁检定规范》的要求，说明该桥具有足够的强度及刚度，列车以规定的速度通过时，能够保证列车过桥的安全性和舒适性。在动力试验荷载作用下，大准增二线黄河大桥连续刚构桥的动力特性、桥梁动力稳定性和安全性、列车过桥时桥梁运行平稳性和安全性测试过程中均未见异常，说明该桥的动力特性良好。

[1]铁道第三勘察设计院集团有限公司： 《改建铁路大同至准格尔线增二线二道河至点岱沟段黄河特大桥施工图》.

[2]唐怀平,王凤勤.大跨径桥梁自振特性试验的环境随机激振法[J].西南交通大学学报，2000，35(2)：126-128.

[3]任志刚,卢哲安,魏文晖,陈应波,杨华. 立交预应力连续箱梁桥的动力测试及分析[J]. 武汉理工大学学报,2005,27:42-44.

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

胡泊(1975-)，男，汉族，助理工程师，神华准格尔能源有限公司基建中心，桥隧方向。