铁路预应力混凝土简支梁桥动力性能试验研究

2023-02-22

平舞线小石门大桥为7×16m普通钢筋混凝土简支梁桥。该桥梁于1972年建成并投入运营, 至今已有36年。由于当时建造技术的原因, 桥梁施工质量存在着一定的问题, 在铁路运营和多次检测中, 发现该桥梁的梁部结构都有不同程度的裂缝, 裂缝宽度在0.2mm以上。为准确掌握桥梁的健康状态, 确保行车安全, 北京交通大学于2008年4月对该桥梁的典型部位进行了实车动载检测, 并对检测结果进行了分析和研究。

1 试验概况

本次试验测试平舞线小石门大桥第5孔及4、5号墩。通过外观检查, 梁体混凝土表面平整光滑。但桥梁各梁跨在腹板部位都有明显可见的裂缝。为确保桥梁的安全使用, 桥梁养护部门在1986年用环氧树脂对裂缝进行了修补, 经过修补以后的裂缝, 检查未发现有继续扩展的趋势。桥梁截面由两片独立的П形梁组成, 梁高1.9m, 梁顶宽3.9m, 每片梁自重596.8kN。

实验中, 通过列车为DF10D单节机车, 该机车为6轴, 轴重230kN, 转向架定距9.9m, 轴距1.8m, 测试中列车通过桥梁的照片见图1。

为研究不同列车速度对桥梁动力响应的影响, 试验中, 通过列车分别以5km/h、10km/h、20km/h、30km/h和40km/h五种速度过桥。试验中, 分别测量了在列车动荷载作用下, 桥梁频率、阻尼比、跨中动挠度、跨中横竖向振幅, 横竖向加速度及桥墩横向振幅, 桥墩横向加速度等动力指标。本次试验中采用美国IOtech公司生产的WAVE-OOK512动态数据采集分析系统, 位移和加速度的测量分别使用国产891-4型振幅传感器和瑞典产Kistler8305A2型加速度传感器。跨中动挠度以钢弦法测量。

2 桥梁跨中响应

试验中, 机车以不同速度通过桥梁的全过程中桥梁第5跨跨中振动进行了测量, 机车速度40km/h时跨中竖横向振幅、竖向挠度、竖横向加速度时程见图2至图6, 各速度下跨中振动最大值见表1, 其中DV、DH、V、AV、AH依次表示跨中竖向振幅, 跨中横向振幅, 跨中竖向加速度及跨中横向加速度。

由表1可见, 各桥梁跨度振动指标, 基本随通过机车车速的增加而增加。根据《铁路桥梁检定规范》, 钢筋混凝土梁的跨中横向振幅行车安全限值为:L/9000=1.78mm, 桥垮结构在荷载平面的横向振动加速度不应超过0.14g。因此, 各种速度下实测跨中横向振幅、横向加速度均满足《铁路桥梁检定规范》的安全限值要求。

3 桥墩响应

为详细分析桥梁振动的来源, 评价桥墩的横向刚度, 试验中还临近第5孔梁的4号墩、5号墩的横向振幅及横向加速度进行了测量。机车速度40km/h时4号墩、5号墩墩顶横向振幅、横向加速度时程见图7至图10, 各速度下跨中振动最大值见表2, 其中DPH、APH依次表示墩顶横向振幅, 墩顶横向加速度。

由表2可见, 同桥梁跨中振动类似, 墩顶横向振幅和横向加速度亦随通过机车速度的增加而增加。《铁路桥梁检定规范》中规定, 墩顶横向振幅Amax (mm) 应满足:

其中H1、B依次为墩高和桥墩的横向宽度。本桥梁4号墩、5号墩的高度均以13.5m计算, 横向宽度均为2m, 因此, 墩顶横向振幅限值为1.11mm。各工况下实测墩顶最大横向位移为0.184mm, 满足《铁路桥梁检定规范》的要求。当然, 此处桥梁横向振幅较小, 主要是由于列车通过速度较低, 并不能充分证明桥梁横向刚度足够。

4 频率及阻尼比

桥跨结构及桥墩的自振频率以余振法求得, 即对实测加速度时程中列车通过桥梁之后部分进行幅值谱分析, 如图11至图14。

由图11至图14可见, 对梁跨而言, 其竖向振动中含有的高频成份远高于横向振动。除由于列车轮对规则通过桥梁而产生的低频竖向振动之外, 桥梁跨中竖向加速度卓越频率约为12Hz, 横向加速度卓越频率约为2.8Hz, 4号墩和5号墩墩顶横向加速度卓越频率分别约为2.8Hz和2.9Hz。上述结论说明, 列车通过桥梁时, 其横向振动以桥墩横向运动引起的桥跨结构整体运动为主, 几乎未出现梁部本身的横向弯曲, 如图12所示。根据《铁路桥梁检定规范》, 墩顶横向自振频率 (Hz) 容许值为:

经计算, 上述限值为2.51Hz, 本桥梁横向自振频率大于上述容许值, 满足桥梁安全性的要求。

梁跨的阻尼比可由梁体自由振动阶段振幅衰减曲线的包络线求出:

其中为经过N个周期测得的幅值比, N为所计算的周期数。

以机车40km/h通过桥梁测得的加速度时程为例, 选取图5、图6、图9、图10中t=12.5s之后完整的6个周期, 计算得到阻尼比见表3。

5 结语

本文通过现场动载试验, 研究了平舞线小石门大桥为7×16m普通钢筋混凝土简支梁桥在单机DF10D列车通过时的动力响应, 由实测结果及分析, 得到如下结论。

(1) 就测试的第5孔、4号墩、5号墩而言, 桥梁跨中横向振幅、横向振动加速度、墩顶横向振幅、桥跨结构横向自振频率, 均未超出《铁路桥梁检定规范》容许值, 可认为, 桥梁安全性满足要求。

(2) 该桥梁梁部竖、横向加速度卓越频率分别为12Hz和2.8Hz, 4号墩和5号墩墩顶横向加速度卓越频率分别约为2.8Hz和2.9Hz。

(3) 列车通过桥梁时, 其横向振动以桥墩横向运动引起的桥跨结构整体运动为主, 几乎未出现梁部本身的横向弯曲。

(4) 桥梁第5孔跨中竖向振动阻尼比为2.3%、跨中横向振动阻尼比为1.8%、4号墩横向振动阻尼比为1.9%、5号墩横向振动的阻尼比为1.7%。

摘要：本文研究了某跨度7×16m的铁路预应力混凝土简支梁桥的动力性能。由试验列车以不同速度经过桥梁, 通过现场动载试验, 测量了在DF10D单机通过时桥梁的频率、阻尼比、跨中动挠度、跨中横竖向振幅, 横竖向加速度及桥墩横向振幅, 桥墩横向加速度等动力指标, 并根据现行桥梁检定标准, 对桥梁的安全性能进行了评价。

关键词：铁路桥梁,预应力混凝土简支梁,动力性能,动力试验