铁路桥梁动载试验

铁路桥梁动载试验 刘志勇刘志勇 石家庄铁道学院岩土与结构实验中心石家庄铁道学院岩土与结构实验中心联系电话：联系电话：0311-879355560311-87935556，1313119072213131190722 E-mail:liuzhiyong1969sina.comE-mail:liuzhiyong1969sina.com 2008年12月目 录一、我国铁路桥梁概况二、试验分类、范围与任务三、试验依据四、动载试验目的和任务五、试验方案制定和测试内容六、试验荷载七、测试方法八、试验资料的数据处理方法与分析九、评定指标十、结构技术状态的评定与试验报告十一、仪器使用 一、我国铁路桥梁概况世界上第一座铁路桥梁是随着铁路（英国1825年）的诞 生而诞生的，铁桥1825年、混凝土桥1867年、钢桥1874年、 钢筋混凝土桥1890年。目前世界上跨度最大的铁路桥为青马大桥（公铁两用、 悬索桥），全长2160米，主跨1377米，造价71.4亿港元， 1997年建成。目前我国大陆跨度最大的铁路桥为芜湖长江大桥（公铁 两用、连续钢桁梁低塔斜拉桥），全长10020.96米，主跨 312米。截止2003年末，我国铁路共有桥梁43459座、2705.9086km ，其中混凝土桥和混合桥41556座、钢桥1866座。93%的长度 为混凝土梁。混凝土梁：主要分为普通钢筋混凝土梁（最大跨度20m）、预 应力混凝土梁（简支梁最大跨度64m）和框构梁。从结构形式 看，最多的是预应力混凝土梁，占混凝土梁的41.6%；普通钢 筋混凝土梁占35.2%；框构梁占19.2%。从跨度上看，32m和 31.7m占预应力混凝土梁的46.3%；10m（不含）以下占普通钢 筋混凝土梁的55.5%。钢梁：主要分为钢板梁（分上承和下承，常见跨度32m和40m ）、钢桁梁（分上承式、半穿式、穿式，常见跨度40m128m ）。从结构型式上看，最多的是上承钢板梁，占64.9%。从跨 度上看1640m最多，占72.6%。 桥梁设计荷载：1中Z级荷载：分为小于中22级、中22级至中24级 、中24级中26级、大于等于中26级四种情况； 2中活载（大约相当于中22级）； 3ZK活载（大约相当于0.8倍中活载，客运专线，含轻快 货车）。铁路桥梁产生振动的原因：1列车荷载上桥引起的动挠度 2移动荷载的周期性效应 3轨道不平顺 4车轮扁疤 5车辆蛇行运动 6转向架“摆振” 7车辆簧上和簧下质量的振动（客车两系悬挂、货车 一系悬挂） 8蒸汽机车的不平衡重锤我国铁路运营特点：客货共线、高低速度混跑、部分货 车转向架性能较差。二、试验分类、范围与任务桥梁试验主要分五大类： （1）桥梁普查 （2）静载试验 （3）动载试验（含环境微振动试验、制动试验） （4）运营监测 （5）施工监测测试桥梁范围：国家铁路、地方铁路（煤矿、石油、发电厂） 、公路、高速公路、市政、轻轨、水利（如三峡工程）、森 林。桥梁试验任务的确定，可以分为以下11类： 1.旧桥承载力评价：主要是静载试验，病害、老龄（192 ？年、疲劳累计损伤）、结构薄弱、受力复杂、设计 和竣工资料不全、建设年代久远、公路和地方铁路较 多、无法或很难按理论计算其承载能力的桥梁。 2.大桥定期试验 3.桥梁峻工通车前验收试验（建设单位资料完整性，回避 责任，在经济能力许可的前提下） 4.新型车辆试验（不同的车对桥梁产生的激励不同，桥梁 管理部门会提出疑义。例如以前的C62、P62系列货车 由于转向架性能差，速度达到5560km/h以上时，对桥 梁激励很大）5.提速改造前的试验：为加固的必要性、加固设计提供依据（客 车160km/h、200km/h、250km/h、300 km/h、350km/h，货车 120km/h）。 6.提速改造后的试验：是否达到加固目的，确定安全运用条件。 7.超载、重载、大件运输（含加固前后）的试验（轴重21t、23t（ 以后逐步替代21t，没有超过设计荷载）、25t（运煤、铁矿石 专线）、30t）（1.不超过中活载；2.超过中活载，只有极 少数大件运输车辆） 大件运输：发电机定子、转子、高压锅炉、反应器、轧机 牌坊，上海黄浦港、天津新港（进口）、德阳中国二重、德阳 东方汽轮机厂、德阳东方锅炉厂、重庆ABB厂、富拉尔基中国一 重）、西安变压器厂等地发往目的地，轴重不大，但轴多、轴 距小。C80货车载重80t，采用铝合金车体，自重只有20t；而其他 载重6070t的货车自重却有22-23.6t。转向架性能也好。D38型钳夹式长大货物车辆，载重最大、轴重最多、车辆长 度最长，载重380t，自重226t，轴数32根，长度64.818m，空车 最高运行速度90km/h、重车最高运行速度50km/h。世界重载运输的国家有南非、瑞典、澳大利亚、美国、中国、俄罗斯、印度。目前，世界范围内的货物列车重载运输技术迅速发展，重载运输的国家 已经遍及五大洲几乎所有的铁路大国。重载运输技术已被国际公认是铁路货 运发展的方向，重载运输取得的效益已由各国实际运输业绩所证实。从1978 年第一届国际重载运输大会在澳大利亚柏斯城召开至今已有30年，重载运输 从概念的提出到蓬勃发展经历了一个技术不断进步的过程。世界各国重载铁 路运输一般均通过增加车辆轴重和扩大列车编组数量提高运输能力和运输效 率，长期运行考核证明这种措施既提高了运输收入，又降低了维修成本。目前南非重载运输的列车编组达到216辆、轴重提高到30t；澳大利亚列车 编组达到330辆、轴重提高到37.5t，并要进一步提高到40t；北美的车辆轴重达 到35.4t；巴西和瑞典的车辆轴重达30t。从目前国际上的发展趋势来看，进一 步增加轴重更有利于重载运输效率的提高。南非的重载铁路在设计时，荷载 图式在UIC71的基础上，集中力由25t增加到28t、均布荷载由8t/m提高到10t/m, 设计荷载标准的提高为后期轴重的增加带来了极大的便利，并且桥梁在运营 阶段几乎不用维修。澳大利亚的设计轴重32t。美国现行铁路工程与维修规范 活载图式为Cooper E80，两联机车加挂车辆组成，机车最大轴重为36.32t，机 车最小轴距为1.524m，车辆均布载重为11.916t/m，特种活载轴重45.4t。美国 在提高列车轴重时，系统研究了大轴重桥梁疲劳寿命和桥梁维修的影响。我国大秦线为代表。8. 桥梁运营性能存在问题：横向、竖向振动剧烈。 9. 施工和设计有缺陷的桥梁 10.新型结构（新材料、新工艺、新结构、新计算方法、 新计算理论）桥梁、大跨度桥梁、政治和军事上的重 要桥梁（按照铁路技术管理规程规定，对于技术 复杂及重要的桥梁，每十年至少进行一次检定。） 11.为制订标准、规范、改进设计参数、发展桥梁计算和 设计理论积累资料的试验 三、试验依据（1）铁路桥梁检定规范（铁运函2004120号）； 在“总则”中规定：本规范适用于客货共线运行，旅客列车最高 行车速度为160km/h、货物列车最高行车速度为80km/h的标准 轨距线路上的既有桥梁，旅客列车最高行车速度在200km/h时 ，可参照执行。 （2）新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定（铁建设 函2005285号）； （3）新建时速200250公里客运专线铁路设计暂行规定（铁 建设2005140号）； （4）新建时速300350公里客运专线铁路设计暂行规定（ 铁建设200747号）； （5）既有线提速200km/h技术条件（试行）（铁科技函 2006 747号）；（6）铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）； （7）轮轨水平力、垂直力地面测试方法（TB/T2489- 94）； （8）铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范（ GB5599-85）； （9）日本铁路结构物设计标准及解说（钢桥、结合梁 桥）； （10）招标文件时速200公里铁路动车组进口采购合同（ 合同号：04JP01GTE3INC0030A）第五章附件2动力 学性能试验鉴定方法及评定标准。四、动载试验目的和任务1.动载试验：试验荷载以不同速度匀速通过试验桥梁进行动应变、动 位移、竖向与横向振动的测定，以了解结构的动力系数、振动特征 （振幅、频率、模态振型、阻尼比）等，据以判断结构在动载作用 下的工作状态。 2.环境微振动试验（脉动试验）：桥面无任何交通荷载以及桥址附近 无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、 水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应，以了解结构 的自振特性（自振频率、模态振型、阻尼比）。 3.制动试验：试验荷载以特定速度运行，在桥上进行紧急制动，以测 定荷载制动时产生的构件应力和位移，据以检验结构物在制动力作 用下的工作状态。初试制动速度一般司机和试验委托方不同意太高 （公路侧滑、伤轮胎，铁路擦伤），可以牺牲初试速度，但要紧急 制动。通过上述试验，综合判断桥梁结构的动载承受能力和制订安全 运用条件。 五、试验方案制定和测试内容1 实地查勘和试验方案的制定 桥梁动载试验前，应着重对以下各项作实地查勘：1 当前结构的技术状态，特别是列车通过时结构的动态状况 ；2 桥上线路的轨型、轨缝位置及宽度，桥枕类型及间距，扣件 型式，线、桥、墩三者关系等；3 桥址线路平纵断面状况、实际过桥速度和行车密度等，铁路 桥应注意调查线路容许最高速度以及当前列车编组。 桥梁动载试验方案宜在实地查勘的基础上制定，应包括如下主要 内容：试验目的与任务、试验项目和内容、试验孔跨选择、测 点布置、试验程序、仪器配备、试验人员组织与分工、试验配 合方案、试验荷载与速度、加载控制与安全措施等。2 测试内容试验项目可根据不同的结构和具体的试验任务参照下列项目选择 有关内容进行： （1） 梁体横向和竖向自振频率；频率是刚度和质量的综合效应，防止共振。竖向共振：铁路车辆存在3个距离（轴距、转向架中心距、车长）对应3种竖 向加载频率，移动荷载频率，提速后加载频率提高。公路不存在这种问题，汽车轴少，共振发展需要时间，一般47 个周期。日本学者对成人、中学生、小学生进行了大量统计，得到的行人 的步频分布大体呈平均2步/秒的正态分布，离散性较小。也就是人的 步行频率大约是2Hz。我国规定人行桥竖向不低于3Hz。横向共振：车辆是否处于蛇行运动状态或是转向架性能不梁引起的振动。车 辆转向架的蛇行频率应低于1.41Hz（80km/h）。我国C62、P62系列货 车采用转8A转向架，该转向架在线路上速度7885km/h时会产生2.5Hz 的“摆振”，在桥梁上出现“摆振”的速度会降低到5560km/h。（2） 桥墩横向自振频率； 判断墩身刚度、基础病害。 （3） 模态振型（大跨结构、高墩）； （4） 横向和竖向振动阻尼比； （5） 梁体横向和竖向振幅； （6） 墩顶纵向和横向振幅； （7） 横向和竖向强振频率；（8） 横向和竖向振动加速度；铁路是安全性和道床稳定性的要求，公路和人行桥 是舒适性的要求，人对加速度敏感。国际标准化组织 ISO2631标准从1964年开始研究人体承受全身振动的评 价，含整体振动（司机）和局部振动（伐木工人）， 提出了一系列暴露时间、振动频率、振动加速度大小 与人体感受的关系，人对48Hz的频率比较敏感、耐受 性最差（晕车），日本学者松本提出人行桥竖向加速 度不能0.1g，行人恐慌。表1 振动加速度与人的主观感觉的关系( ISO/DIS2631-1(1994)振动加速度有效值 (g)人的主观感觉0.2极不舒适（9） 控制截面的竖向动挠度（含动力系数）； （10） 支座的横向和竖向动位移； 公路橡胶支座多，铁路以前主要为钢支座。 （11） 梁体和墩台控制截面、钢梁主要杆件的动应力、 动应变（含动力系数）（预应力混凝土梁测试混凝土 应变、普通钢筋混凝土梁测试钢筋应变；挠度代表整 体，应力代表局部）； （12） 机车和