关于地铁桥梁动载试验实施的探讨

关于地铁桥梁动载试验实施的探讨

刘晓涛

身份证号：445121198809263199

摘要：桥梁是地铁高架区间重要组成部分，桥梁工程质量关乎桥梁结构安全。通过对桥梁动载试验，评估高架桥梁的结构安全，预防桥梁结构坍塌等结构病害引起的安全事故。同时，地铁桥梁动载试验是地铁工程竣工验收，验证结构施工质量的重要手段之一。主要是模拟桥梁在地铁线路运营状态下来自列车的振动力特性及冲击效应，分析地铁桥梁结构的性能，分析研究地铁列车通过桥梁时的荷载数据，评估桥梁的安全性能。

关键词：地铁桥梁；动载；试验

一、地铁桥梁动载试验的目的

地铁高架桥梁荷载主要来源于桥梁、轨道、桥上其他荷载以及列车经过时作用于桥梁上的力。桥梁在变化的动载作用下，桥梁振动影响因素较多，理论上的分析或建模无法与实际情况相匹配，所以需要通过动载试验测试桥梁在不同列车经过时产生的振动频率等数据。动载试验主要用于了解桥梁自身的动力特性和抵抗受迫振动（列车通过）和突发荷载（制动）的能力，通过动载测试获得结构的动力参数，评价其动力性能。

二、地铁桥梁动载试验可参考的依据或规范资料

1、《铁路桥梁检定规范》（铁运涵【2004】120号）

2、《铁路桥梁检定评估工作规则》（铁运【2014】42号）

3、《铁路特大桥工程质量评定验收标准》（YBJ 416-1987）

4、《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911-2013）

5、《城市轨道交通技术规程》（GB50490-2009）

6、《简支梁试验方法 预应力混凝土梁静载弯曲试验》（TB/T 2092-2018）

7、《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）

8、《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（YC 4-4/1987）

三、地铁桥梁动载试验的测试项目

动载试验主要测试列车与轨道、桥梁之间的作用性能，列车通过桥梁时的动力特性以及响应参数，通过传感器和检测仪器记录过程数据，主要检测的项目有：跨中横向及竖向振幅和频率、动力特性（频率、振型、阻尼比）、桥面横向及竖向振动加速度、墩顶横向振幅和频率、活动支座横向位移、活动支座横向位移钢轨相对横向位移、列车轮轨力、梁体扭转。

各项检测项目对应的评定内容：

1、 跨中横向及竖向振幅和频率：测试列车通过桥梁时梁体横向及竖向振动（含强振频率、振幅），分析横向激励特征和梁体是否产生共振现象，评定梁体横向刚度。

2、动力特性：桥梁结构的动力特性是桥梁承载力评定的重要参数，同时也是识别桥梁结构在列车通过时的工作性能和抗震分析的主要参数。

⑴测试列车以5km/h速度通过桥梁时的梁体控制截面准静态竖向挠度（扣除支座竖向位移），换算至设计荷载，评定桥跨竖向刚度；

⑵ 测试列车以其他速度通过桥梁时的梁体动挠度，评定梁体是否满足运营动力系数的要求；

⑶ 测试列车以不同速度级通过桥梁时梁体控制截面的动应变，评定梁体是否满足运营动力系数的要求。

3、桥面横向及竖向振动加速度：测试列车通过桥梁时桥面横向及竖向振动加速度，分析桥梁振动特性，评定桥梁是否能保持良好状态。

4、墩顶横向振幅和频率：测试列车通过桥梁时墩顶横向振动，分析横向激励特征和评定桥墩横向刚度。

5、活动支座横向位移：测试列车通过桥梁时活动支座的横向位移，评定活动支座是否能保持良好状态。

6、活动支座横向位移钢轨相对横向位移:试跨梁缝处相邻两个钢轨支承点间的横向相对位移是否满足规范要求。

7、列车轮轨力:在桥梁跨中截面轨道设置轮轨力测点，动载试验过程中进行测试，实测脱轨系数及轮重减载率应满足规范要求。

8、梁体扭转:对于双线桥梁，测试因梁体扭转产生的同一横截面两条钢轨的竖向变形差是否满足规范要求。

9、列车速度：测试列车通过桥梁时的速度。

四、某地铁线路高架桥梁试验方案

1、列车荷载及行车组织

列车荷载：该地铁线路采用B型车，6节编组，单列最大轴重14KN，轻载按87KN计算。采用空车及重车进行行车动载试验。速度级暂定为10km/h、20km/h、40km/h、50km/h、60km/h、80km/h（具体以最高设计时速为准）。其中40km/h至80km/h速度级各运行2次，其余速度级运行1次。行车方向可在上下行来回行车，试验前确定一位试验人员为负责人，由负责人的指令在封锁区间内往返行车，跑完一个速度级单程后，列车换端以下一个速度级运行，通过测试桥梁时保持拟定的行驶速度通过。

    列车重车采用在空车车厢里堆放沙包，模拟列车满载状态。沙包平均布置在车厢过道上，每节车厢按照20吨堆载，若每个沙包50kg计算，则每节车厢内应放置400个沙包。

2、数据采集

数据采集方法：通过安装在桥面、桥底各个位置的传感器采集梁体位移或受力等数据，并利用各传感器收集的信号对数据储存分析处理，筛选有效的数据，从而得到地铁桥梁结构的振动频率、各类系数等实际检测数值。试验中要对采集到的数据进行实时监控，如有异常或突变数据，需立即停止行车检测并处理。试验过程收集到的数据用于对列车通过时的动载分析及对桥梁的力学性能评定。

3、测点布置图

某区间30m跨度简支梁

某区间现浇连续梁

4、测点统计

桥梁行车试验测点统计表

五、某地铁线路连续梁试验数据结果及分析

1、动力特性

动载试验对连续梁中跨跨中梁体、以及边跨跨中梁体的动挠度进行了测试。实测连续梁边跨动挠度在空载状态下最大挠度为 1.811mm，动力系数介于 1.01~1.12；满载状态下最大挠度为 2.470mm，动力系数介于 1.01~1.10。空载及满载状态下挠度动力系数均小于设计动力系数（1.147），符合设计规范要求。具体测试结果见下图。

动挠度时程图

挠度动力系数与速度分布图

2、应变动力系数

实测该连续梁中跨动应变在空载状态下最大应变为 32.2με，动力系数介于0.97~1.02；满载状态下最大应变为 46.4με，动力系数介于 0.96~1.04。空载及满载状态下动力系数小于设计动力系数（1.10），符合设计规范要求，见下图。

动应变时程图

挠度动应变力系数与速度分布图

3、轮轨力测试结果

动载试验在连续梁中部对列车车轮进行轮轨力测试，其测试结果系数在0.07-0.29之间，减载率在0.09-0.20之间，均小于规范要求；脱轨系数小于0.8，轮重减载率小于0.6的规定，也满足规范要求。具体测试结果见下图：

4、桥梁振动数据

关于跨中横向振动的实测值为：横向振幅0.09mm，小于限值6.67mm，横向自振基频1.8Hz，大于限值1.5Hz，实测值满足限值要求，说明桥梁结构横向刚度满足行车要求；跨中横向加速度实测为71.7mm/s2，小于限值；跨中竖向振动加速度实测为395mm/s2，小于限值；墩顶横向振幅实测值为0.105，实测值小于规范限值，说明墩顶横向动力相应正常。

振幅时域图

振动加速度时域图

自振频率分析图

5、测试结果分析：

通过上述数据分析可知，在列车以不同速度通过被检测桥梁时，该桥梁的动力特性系数、横向竖向刚度、位移等均能满足规范要求，均未超出相关规定限值，结构动力响应正常，满足运营期列车通过桥梁的行车要求。

作者：刘晓涛，佛山市地铁运营有限公司，广东省佛山市，邮编528000

六、结束语

本文主要介绍了地铁桥梁在动载作用下的性能评定和试验方法，提出了桥梁动载试验方案和检测布点方式，检测方案也尽可能模拟真实荷载情况开展试验，同时结合真实试验结果检验其可实操性和安全性，希望能为以后的地铁桥梁动载检测工作提供帮助和积累一些经验。

地铁桥梁开展动载试验的技术比较成熟，且未对桥梁结构产生破坏性的损伤，是对桥梁结构本身质量验收最直接的方法之一。动载试验的检测手段相对比较简单，人力物力投入不多，检测需要时间不长，适合运用于城市轨道交通试运营前对桥梁结构的质量评定，亦可运用于城市轨道交通运营通车后的桥梁运营维保维护工作，尽可能早发现桥梁结构的病害，并对桥梁开展维保维护，及时消除桥梁安全隐患。

参考文献：

[1]《城市轨道交通桥梁设计规范》GB/T 51234-2017中国建筑工业出版社，2017

[2]《城市桥梁检测与评定技术规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2015