30 t轴重重载货车作用下常用跨度预应力混凝土简支梁动力响应的试验分析

蔡超勋，刘吉元，肖祥淋，胡所亭，苏永华

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

30 t轴重重载货车作用下常用跨度预应力混凝土简支梁动力响应的试验分析

蔡超勋，刘吉元，肖祥淋，胡所亭，苏永华

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

对朔黄铁路线上7座常用跨度预应力混凝土简支梁桥，在30 t轴重重载货车作用下梁体的动力响应进行了实测，取得了大量数据。通过分析得到以下结论:实测梁体动力响应均在通常值范围内，满足安全限值要求;实测梁体挠度、应变与大轴重列车加载效应直接相关，实测值与轴重等级呈线性增长趋势，而梁体竖、横向振幅及加速度与列车轴重关系不明显;实测结果验证部分和理论分析成果为大轴重重载技术研究提供了数据支持，试验数据的处理方法可为类似试验提供参考。

30 t轴重 重载货车 铁路桥梁 动力响应 测试分析

朔黄铁路西起山西省神池县神池南站，东至河北省黄骅市黄骅港站，全长585 km，为国家Ⅰ级双线电气化重载铁路，与神朔铁路组成我国“西煤东运”的第二大通道。目前，朔黄铁路主要开行轴重25 t及以下、牵引质量万吨及以下的重载列车，而增大货车轴重、开行长大编组重载组合列车是提高铁路运输能力的最佳途径。基于此，2013年朔黄铁路公司承担了国家科技支撑计划项目“轴重30 t以上煤炭运输重载铁路关键技术与核心装备研制(2013BAG20B00)”，其中任务七为“重载线路基础设施强化措施研发”。在项目研究中，2013年7月11日至2013年7月28日在朔黄铁路重载运输综合示范段(北大牛—回凤区间K65+47—K108+443)进行了30 t轴重重载列车综合试验。

30 t轴重及以上重载运输因其运能大、效率高、运输成本低受到世界各国的广泛重视，我国学者也对其进行了大量研究并取得了很多成果。关于大轴重重载列车对桥涵结构的影响，柯在田［1］对重载铁路工务技术的发展趋势进行了述评;胡所亭、王丽等［2-3］对新建重载条件下桥梁设计活载标准进行了研究;余志武等［4］对大轴重重载运输条件下铁路桥梁疲劳性能进行了研究;蒋丽忠等［5］对重载铁路的一种加固方法进行动力响应实测分析;夏禾、张楠等［6-7］对重载货车作用下车桥动力相互作用进行了研究。这些研究大都是采用理论分析、仿真计算或者模型试验等研究方法，对采用现场试验进行研究公开发表的文献还不多见。

朔黄铁路30 t轴重重载货车综合试验是我国第一次开展30 t轴重货车线路运营试验。实测30 t轴重货车作用下桥梁结构的受力状态和响应特征，对研究30 t轴重重载货车对桥梁结构的影响，对既有线铁路桥梁重载强化改造技术研究均具有重要意义。

1 试验概况

1.1 试验桥梁

朔黄铁路30 t轴重重载货车综合试验共测试14座桥涵结构，其中常用跨度预应力混凝土简支梁桥7座，梁体结构包括跨度16，20，24及32 m普通高度预应力混凝土简支梁，跨度16 m低高度预应力混凝土简支梁，跨度24 m与32 m的超低高度预应力混凝土简支梁，基本包括我国既有铁路常用跨度预应力混凝土简支梁梁体结构。表1为试验桥梁概况。

1.2 试验内容

试验主要测试:试验桥梁1～7号工点梁体自振频率、梁体跨中横向振幅及加速度、梁体跨中竖向振幅及加速度、列车速度;试验桥梁3～7号工点梁体跨中截面底缘混凝土应变;梁体跨中挠度。

1.3 试验列车

试验列车编组50辆(含机车和工作车)，牵引质量共计4 360～4 680 t，长度686.6 m。具体编组采用SS4(机车)+客车+2节C96+10节C80+8节C96+ 6KM96B+1节KM96+10节C70+8节C64K+SS4(机车)。

试验编组列车中C64K，C70及C80货车分别按名义轴重21，23，25 t一次装载完成，而大轴重重载货车(KM96，KM96B与C96)均分别按25，27及30 t轴重进行3次装载。每次装载完成后，进行速度级65 km/h与75 km/h的运行试验，每速度级进行3次试验。在大轴重重载货车装载至轴重30 t时，增加了3次80 km/h速度级试验。

为比较大轴重重载货车与运营列车的区别，试验期间还测试了大量运营列车，包括运营C64货列、运营C70货列和运营C80货列。

大轴重综合试验列车编组包含目前我国主型货车车辆类型，包括轴重21 t的C64货车、轴重23 t的C70货车、轴重25 t的C80货车以及装载轴重分别为25，27与30 t的新型30 t轴重重载列车C96和KM96，各类型车辆的车辆长度、轴距、邻轴距、荷载密度参数见表2。

表1 试验桥梁概况

表2 试验编组列车参数对比

1.4 试验仪器

试验测试内容主要分为振幅与加速度、位移、应变与列车速度。振幅及加速度传感器采用国家地震局哈尔滨工程力学研究所生产的891-Ⅱ传感器与积分放大器;应变传感器采用日本KYOWA公司生产的KFW-5-120应变片与动态应变仪;位移传感器采用中国水利水电科学研究院生产的LVDT差动变压器式位移计与位移放大器;列车速度传感器采用永磁磁钢。各传感器通过数据电缆连接至动态数据采集分析系统进行试验物理量的测量。

2 数据处理标准

2.1 梁体振动响应的滤波

试验中桥梁梁体振动加速度均采用滤波处理，梁体横向加速度统一按10 Hz低通滤波，竖向加速度统一按30 Hz低通滤波。

2.2 装载偏差的消除

桥梁结构测试中挠度、应变与车辆参数(轴距及轴重)的加载效应直接相关，车辆装载偏差会导致测试结果无法真实反映相关参数与车辆轴重的关系，故在分析试验数据时采用装载修正系数消除装载偏差对梁体应变和挠度实测数据分析的影响。对于试验编组列车中C64，C70，C80车辆，根据其装载轴重、轴距序列，按各桥梁跨度分别修正至名义轴重21，23及25 t条件下;对于C96，KM96及KM96B货车，分别按不同装载条件修正至名义装载轴重25，27及30 t条件下。

以跨度为L的梁体跨中截面底缘混凝土应力为例来说明如何进行装载偏差修正。

以某类型货物列车运行方向为x轴，设第1轴的位置x=0，可根据车辆轴距建立编组列车的初始轴位序列Lw0(n)。Lw0(n)表示编组列车第n号轴的位置。根据车辆轴重的实测称重结果，可建立对应轴位的轴重序列P(n)。

集中力P作用下，梁体跨中截面弯矩影响线为M(x)。x为集中力与梁体位置的关系。x=0时，集中力位于梁端;x=0.5L时，集中力作用于梁体跨中位置。弯矩影响线计算公式如下

设计算步长为ΔL，计算至N步时，轴距序列Lw(n)=N×ΔL+Lw0(n)，则此时编组列车引起的桥梁跨中截面弯矩为

式中，NW为该货物列车总轴数。

通过逐步计算该货物列车进桥Lw(1)=0至出桥Lw(NW)=L这一过程中桥梁跨中截面弯矩，找出其最大值Mmax。将实际装载轴重计算至名义装载轴重，只需将轴重序列P(n)改成名义轴重，再计算得出该名义轴重下桥梁跨中截面弯矩最大值M名义max。

由于梁体跨中截面底缘混凝土应变与该截面弯矩影响线一致，故用梁体跨中截面实测混凝土应变乘以装载偏差系数(M名义max/Mmax)，即可对装载偏差进行修正。

对梁体挠度分析时，采用了集中力作用下梁体挠度影响线计算公式进行装载偏差修正。

2.3 混凝土弹性模量

实测混凝土应力时直接测试的物理量一般为混凝土应变，再由混凝土应变乘以弹性模量来得出混凝土应力。本试验中，混凝土弹性模量由梁体静载试验中实测的梁体挠度计算得出。

3 数据分析

大轴重综合试验共测试7座常用跨度预应力混凝土简支梁桥，涵盖朔黄铁路常用跨度预应力混凝土梁所有梁体类型:16，20，24与32 m普通高度预应力混凝土简支梁(简称:普高梁)和16，24与32 m超(低)高度预应力混凝土简支梁(简称:低高梁)。以下按梁体类型对动力响应实测结果进行汇总分析。

3.1 梁体自振频率

梁体竖向自振频率采用脉动法测试。16，20，24，32 m普通高度预应力混凝土简支梁的竖向一阶自振频率分别为13.38，9.42，7.72，5.61 Hz;16，24，32 m(超)低高度预应力混凝土简支梁的竖向一阶自振频率分别为9.24，4.77，4.69 Hz。

3.2 梁体振动响应

测试的梁体振动响应包括梁体竖向振幅、梁体竖向加速度、梁体横向振幅与梁体横向加速度。大量实测数据分析表明梁体振动响应有一定的离散性，实测结果与列车轴重及车辆竖向加载效应关系并不明显。表3与表4分别给出了梁体横向振幅与竖向振幅最大值的实测统计表。

表3 实测梁体跨中横向振幅最大值统计mm

表4 实测梁体跨中竖向振幅最大值统计mm

3.3 车辆轴重对梁体挠度与应变的影响分析

试验列车中大轴重重载列车分别按25，27及30 t轴重装载，下面主要就大轴重重载货车C96和KM96不同装载轴重时引起的梁体挠度和应变进行分析。

表5与表6分别给出了大轴重货车C96与KM96不同装载轴重条件下，梁体应变、梁体挠度的实测值。实测各种不同跨度预应力混凝土简支梁跨中挠度与梁体应变增量随车辆轴重的增加而增大，不同跨度的梁体增大幅度存在一定的区别。

表5 C96与KM 96不同装载轴重作用下梁体应变与轴重的关系×10-6

表6 C96与KM 96不同装载轴重作用下梁体挠度与轴重的关系mm

以25 t装载轴重为基准，C96和KM96装载至27 t轴重时，普通高度16，20，24与32 m预应力混凝土简支梁和(超)低高度16，24与32 m预应力混凝土简支梁跨中平均应变增长范围分别为5.2%～12.7%，5.1%～10.4%;装载至30 t轴重时分别增加16.8%～22.8%，18.6%～23.3%(图1)。

以25 t装载轴重为基准，C96和KM96装载至27 t轴重时，普通高度16，20，24与32 m预应力混凝土简支梁和(超)低高度16，24与32 m预应力混凝土简支梁跨中平均挠度增长范围分别为4.2%～12.6%， 3.2%～9.9%;装载至30 t轴重时分别为14.4%～21.5%，14.8%～23.5%(图2)。

图1 C96不同装载轴重作用下梁体跨中应变值对比

图2 C96不同装载轴重作用下梁体跨中挠度值对比

3.4 车辆类型对梁体挠度与应变的影响分析

邻轴距、车体长度等车辆参数对不同跨度桥梁加载效应的影响不同。根据理论分析结果，在轴重和转向架固定轴距一定的条件下，邻轴距主要影响跨度20 m以下桥梁结构，车体长度主要影响跨度20 m以上桥梁结构［2，8］。

对于车长的影响，C96与C80两种车型的邻轴距基本一致，但C80比C96车体长度短，装载轴重为25 t时，实测16，20，24及32 m简支梁跨中挠度和应变增量值C96货车均小于C80货车，其中对于32 m简支梁C96作用时产生的梁体挠度和应变活载增量值分别为C80货车活载效应值的87.8%和88.9%，见表7、表8。

对于邻轴距的影响，KM96邻轴距长度小于C96。在相同装载轴重时，C96作用下16 m简支梁跨中挠度和应变的活载增量值均小于KM96。图3、图4即为装载轴重25 t时C96与KM96在梁体跨中产生的应变和挠度的对比。

3.5 梁体应变及挠度校验系数

编组列车准静态作用下，普通高度16，20，24，32 m与(超)低高度16，24，32 m预应力混凝土简支梁应力校验系数分别为0.83～0.88，0.88～0.90，0.93～0.96，0.94～1.01与0.90，1.00～1.01，0.98～1.01，除部分工况下应力校验系数大于《铁路桥梁检定规范》预应力混凝土梁的底缘混凝土应力校验系数通常值1.0外，其余均在规范应力校验系数通常值范围内;各类型梁体挠度校验系数依次为0.71～0.74，0.62～0.66，0.63～0.67，0.65～0.67，0.62～0.68，0.54～0.58，0.56～0.58，均在《铁路桥梁检定规范》中预应力混凝土梁的挠度校验系数通常值范围内。

表7 试验编组列车作用下梁体跨中应变与车辆类型的关系×10-6

表8 试验编组列车作用下梁体跨中挠度与车辆类型的关系mm

图3 装载轴重为25 t时C80，C96与KM 96梁体跨中应变对比

图4 装载轴重为25 t时C80，C96与KM 96梁体跨中挠度对比

4 结论

1)在25，27和30 t轴重级试验编组列车与运营列车作用下，实测桥涵结构动力响应值在通常值范围内，均满足安全限值要求。

2)实测梁体挠度、应变与大轴重列车加载效应直接相关，实测值与轴重等级呈线性增长趋势;实测梁体横向振幅、横向加速度、竖向振幅与竖向加速度等实测值均有一定的离散性，实测值与运营货车作用下的量值基本相当，与列车轴重的关系不明显。

3)邻轴距、车体长度等车辆参数对不同跨度桥梁加载效应的影响不同。根据理论分析结果，在轴重和转向架固定轴距一定的条件下，邻轴距主要影响跨度20 m以下桥梁结构，车体长度主要影响跨度20 m以上桥梁结构。对于车长的影响，C96与C80两种车型的邻轴距基本一致，但C80比C96车体长度短，装载轴重为25 t时，实测16，20，24及32 m简支梁跨中挠度和应变活载增量值C96货车均小于C80货车，其中对于32 m简支梁C96作用时产生的梁体挠度和应变活载增量值分别为C80货车活载效应值的87.8%和88.9%。对于邻轴距的影响，KM96邻轴距长度小于C96，在相同装载轴重时，C96作用下16 m简支梁跨中挠度和应变的活载增量值均小于KM96。

［1］柯在田.重载铁路工务技术发展趋势的研究［C］//发展铁路重载运输货车暨工务研讨会论文集.齐齐哈尔:中国铁道学会，2011.

［2］胡所亭.铁路重载条件下桥梁活载标准研究［D］.北京:中国铁道科学研究院，2013.

［3］王丽，张玉玲.新建重载铁路桥梁设计荷载标准的研究［J］.土木工程学报，2013，46(3):103-109.

［4］余志武，李进洲，宋力.重载铁路桥梁疲劳试验研究［J］.土木工程学报，2012，45(12):115-126.

［5］蒋丽忠，龙卫国，余志武，等.辅助钢梁加固重载铁路桥梁的动力响应分析［J］.湖南大学学报:自然科学版，2013，40(7):28-33.

［6］夏禾，张楠.车辆与结构相互作用［M］.2版.北京:科学出版社，2004.

［7］张楠，夏禾，郭薇薇.基于轮轨线性相互作用假定的车桥相互作用理论及应用［J］.铁道学报，2010，32(2):66-67.

［8］中国铁道科学研究院.轴重30吨以上煤炭运输重载铁路关键技术与核心装备研制——朔黄铁路桥涵结构强化技术研究报告［R］.北京:中国铁道科学研究院，2013.

Experimental analysis on dynamic response of common span prestressed concrete simply-supported girder under loading of 30 t axle load freight train

CAI Chaoxun，LIU Jiyuan，XIAO Xianglin，HU Suoting，SU Yonghua
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The dynamic responses of the seven common-span prestressed concrete bridges under 30 t Axle Load Freight were measured in Shuozhou-Huanghuagang Railway.Through the test and analysis，conclusions can be drawn as follows.The measured dynamic responses of the griders were within the range of the Ordinary-Values，and comformed to the Limit Values for the traffic safety.The measured deflection and strain of the griders were directly related to the effect of the 30 t axle load.Either the vertical or the lateral amplitude and acceleration was not significantly related to the effect of the30 t axle load.The measured results and the theoretical analysis can be used to study the heavy haul technology with large axle load，and the method of data processing can be applied to other similar tests.

30 t axle load;Heavy haul freight;Railway bridges;Dynamic response;Test and analysis

U441+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.01

1003-1995(2015)01-0001-06

(责任审编 孟庆伶)

2014-10-10;

2014-11-04

国家科技支撑计划项目(2013BAG20B00)

蔡超勋(1982—)，男，湖南益阳人，助理研究员，硕士。