大跨度简支拱形钢桁梁桥静动力性能试验研究

孟令强

（1.铁正检测科技有限公司，济南 250014；2.中铁十四局集团有限公司，济南 250014）

桥梁承载能力评估方法［1］主要包括外观调查、桥梁检算、荷载试验、可靠度分析、专家系统评估、模糊数学评估等。因桥梁荷载试验的评定结果更直观、可靠，该方法被广泛采用。桥梁荷载试验通过在桥梁结构上施加与控制荷载［2］相当的外荷载，采用分级加载的方法，利用检测仪器测试桥梁结构指定部位在各级试验荷载作用下的应力、位移、裂缝、速度、加速度、振幅等，将测试值与对应荷载作用下的计算值及相关规范限值对比，从而了解桥跨结构的工作状况，检验实际承载能力，判断其使用寿命。

大跨度钢桁梁桥结构由于具有受力好、重量轻、跨度大、满足较高强度和刚度要求等优点，成为跨越河流、深沟峡谷的理想桥型，在我国铁路建设中得到广泛应用。文献［3-9］对高速铁路和普速铁路中存在的简支、连续钢桁梁进行了理论分析和现场荷载试验研究，但针对大跨度简支拱形钢桁梁桥相关试验研究却很少。

本文以京张高铁官厅水库特大桥主桥为对象，通过理论分析和现场静动载试验，开展桥梁静动力性能试验研究，检验桥梁整体静动力性能是否满足设计及规范要求，为交工验收提供参考数据。

1 工程概况

京张高速铁路是2022年北京冬奥会重要交通保障设施，是世界上首条最高设计时速350 km 的智能、抗高寒、抗大风沙高速铁路。官厅水库特大桥是京张高速铁路全线控制性工程之一，桥梁全长9077 m，双线设计，线间距5.0 m。桥梁平面位于直线上，纵断面位于2.0‰的上坡段和-2.0‰的下坡段，竖曲线半径25 km。主引桥过渡墩采用分离式墩身，在两侧引桥混凝土箱梁与主桥钢梁之间设置阻尼器。主桥采用8×110 m简支钢桁梁结构（图1），是我国修建的第一座大跨简支拱形钢桁梁桥，设计活载为ZK活载。

图1 官厅主桥

主桥单孔钢梁长109.7 m、质量1863 t，钢梁采用上弦变高度桁式结构，近似拱形。主桁支点高11.0 m，跨中高19.0 m，宽13.8 m，节间长10.8 m；桥面系为正交异性钢桥面板；钢结构材质主桁杆件及钢桥面板采用Q370qE 钢，上平纵联杆件及桥门架、中间横联杆件采用Q345qE 钢。轨道采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道，无缝线路，60 kg/m 的重轨。钢梁支座均采用球型钢支座，每孔梁设置1 套固定支座、纵向活动支座、横向活动支座和多向活动支座。

2 静载试验

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil 2019 建立110 m 简支拱形钢桁梁桥空间杆系有限元模型进行ZK 活载和试验荷载作用下的杆件应力及结构整体变形分析。模型主桁、拱肋、横联、横梁、纵梁采用梁单元；门架、上平联斜杆采用桁架单元；桥面板及U 肋、I肋采用板单元。ZK 活载作用下结构整体变形见图2。

图2 ZK活载作用下结构整体变形（单位：mm）

考虑第8 跨桥面搭设有脚手架，桥下检测小车停靠在此跨，便于安装传感器。因此，选取第8孔钢桁梁进行静载试验。静载测点布置见图3。

图3 静载测点布置

2.2 测试方法

1）应力测试。采用弦式应变传感器进行应变测试，同时配套自动化综合测试系统实现应力测试数据的实时采集、处理和预警。

2）挠度观测。采用2台高精度电子水准仪分别进行上行侧、下行侧主桁下弦节点位置的挠度观测。

3）支座纵向位移及梁端转角测试。采用百分表测试支座纵向位移和梁端竖向位移，通过计算将梁端竖向位移转化为梁端转角。

2.3 试验荷载及工况

根据桥梁截面控制杆件的轴力影响线确定最不利轮位，按最大试验荷载进行分级加载。静载试验中要求荷载效率处在0.8 ～1.0。根据现场实际情况，采用DF4机车、K13型和K13K型风动卸砟车进行加载，列车编组为1×DF4+2×K13（满载）+4×K13K（满载），左右线各1 列。不同工况加载轮位见图4。加载车理论轴重和轴距见图5。测试对象的荷载效率见表1。

图4 不同工况加载轮位（单位：kN）

图5 加载车理论轴重和轴距（单位：mm）

表1 静载试验测试对象荷载效率

2.4 测试结果分析

2.4.1 应力测试结果

最不利工况下桥跨结构应力测试结果见表2。可知：应力校验系数为0.48 ～0.89，均小于1.0，表明结构强度满足规范要求［10］；相对残余应力为5.50% ～9.28%，满足规范相对残余应力小于20%的要求［2］。

表2 桥跨结构应力测试结果

2.4.2 挠度测试结果

最不利工况下桥跨结构挠度测试结果见表3。可知：挠度校验系数为0.72 ～0.79，均小于1.0；根据表2 中的荷载效率将主桁跨中节点实测挠跨比换算为ZK 活载对应的挠跨比1/5230，满足设计文件中小于1/3396 的要求，远小于规范限值1/1500［11］；相对残余挠度为1.53%～2.36%，满足规范相对残余挠度小于20%的要求。

表3 桥跨结构挠度测试结果

2.4.3 梁端转角测试结果

梁端转角测试结果见表4。可知：中纵梁梁端转角最大值为1.260 ‰rad，换算为ZK 活载的转角最大值为1.416‰rad，小于规范转角限值1.616‰rad。

表4 梁端转角测试结果 ‰rad

2.4.4 支座纵向位移测试结果

试验荷载作用下E0 支座最大纵向位移仅有1.24 mm，发生在张家口方向，远小于理论值8.85 mm。主要原因是支座摩擦力约束了部分纵向位移。

综上，应力测试结果满足规范相关要求，挠度、梁端转角和支座纵向位移实测值均满足要求，且残余挠度较小，弹性恢复能力较强，表明桥梁结构具有足够的刚度，弹性工作状态良好。

3 动载试验

3.1 试验内容

1）动力特性试验。利用自然激励采用振动传感器对桥梁结构的自振频率进行测试。

2）动力响应试验。测试正常运营列车过桥时桥梁振动规律、动应力和动挠度变化规律，以及桥梁安全运营的其他技术参数。

动力特性试验测点布置：在左桁下弦各节点布置横向、竖向振动测点，在左桁上弦各节点布置横向振动测点，在右桁下弦各节点布置竖向振动测点。动力响应试验测点布置见表5。

表5 动力响应试验测点布置

3.2 测试方法

1）动力特性试验。选用中国地震局工程力学研究所研制生产的941B型传感器及配套放大器，匹配北京东方振动研究所INV-306U 动态数据采集系统进行数据采集，采样频率128 Hz。

2）动力响应试验。振动测试同样选用941B 型传感器及配套放大器，匹配INV-306U 采集系统，采样频率512 Hz；动应变测试选用应变片匹配扬州晶明JM3848 无线动静态应变测试系统，采样频率128 Hz；动挠度测试选用北京光电技术研究所研制生产的BJQN-5B型桥梁挠度检测仪。

选用仪器的主要技术指标见表6。

表6 选用仪器的主要技术指标

3.3 测试结果分析

3.3.1 动力特性测试结果

1）自振频率。通过对自然激励下所得时程曲线进行频谱分析，基于FFT（Fast Fourier Transform）方法得到自振频率实测值，见表7。

表7 自振频率实测值及理论值 Hz

由表7 可知：实测桥跨横向自振频率（1.61 Hz）大于理论计算值（0.73 Hz），表明该桥横向刚度足够；实测桥跨竖向自振频率（2.44 Hz）大于理论计算值（1.95 Hz），表明该桥竖向刚度足够。

2）阻尼比。截取桥梁结构过车后的余振信号，采用INV 阻尼计法计算得到该桥第1 阶阻尼比为1.58%，与一般钢结构阻尼比1.00%～3.00%接近。

3.3.2 动力响应测试结果

采用中国铁路总公司统一调配的CRH380AJ-0203（8 辆编组）综合检测列车按照规定的速度级进行3 个单程的结构动力响应测试。综合检测列车作用下实测数据最大值见表8。

由表8可知：

表8 综合检测列车作用下实测数据最大值

1）跨中振幅。①实测跨中横向振幅最大值为0.15 mm，实测跨中竖向振幅最大值为1.01 mm，实测墩顶横向振幅最大值为0.050 mm，小于规范通常值0.051 mm［12］，满足要求；②梁体跨中、墩顶横向振幅与行车速度关系不明显，梁体跨中竖向振幅随行车速度的提高而增大；③实测梁体跨中横向、竖向振幅及墩顶横向振幅均较小；④在试验车速范围内未发生共振现象。

2）跨中竖向加速度。实测跨中竖向加速度最大值为0.65 m/s2，满足在强振频率（小于等于20 Hz）作用下，桥面竖向振动加速度限值5.0 m/s2的要求［13］；梁体跨中竖向加速度与行车速度关系不明显。

3）动应变动力系数。由于A1′E0′，A5E4 杆件的动应变动力系数实测值小于E4E5 杆件，因此表中仅给出了E4E5杆件的实测数据。E4E5杆件动应变动力系数最大值为1.20，动应变动力系数与行车速度关系不明显。

另外，对E0横梁动挠度及动应变动力系数进行了测试。综合检测列车作用下，E0横梁竖向动挠度最大值为0.38 mm，满足限值1.0 mm 的要求［13］；动应变动力系数最大值为1.14，对应的速度级为330 km/h。

4 结论

针对110 m 双线下承式拱形钢桁梁桥进行了理论分析和现场静动载性能试验研究，得到结论如下：

1）静力荷载作用下主桁主要受力杆件应力实测值均小于理论计算值，表明结构的强度满足设计要求；主桁下弦节点及端横梁跨中节点挠度、中纵梁梁端转角、支座纵向位移实测值均满足要求，且残余挠度较小，弹性恢复能力较强，表明结构具有足够的刚度，弹性工作状态良好。

2）梁体跨中横向振幅、墩顶横向振幅、梁体跨中竖向加速度、动力系数与行车速度关系不明显，但梁体跨中竖向振幅随行车速度的提高而增大；在试验车速范围内未发生共振现象。

3）墩顶横向振幅、梁体跨中竖向加速度、端横梁竖向动挠度均满足规范要求；梁体横向、竖向自振频率大于理论计算值，表明该桥有足够的横向、竖向刚度。