大轴重运输条件下小跨度板梁静动力适应性研究_陈树礼.pdf

第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023大轴重运输条件下小跨度板梁静动力适应性研究陈树礼1,2，刘永前1,2，陈士通1,2，许宏伟3，崔春锴3(1.石家庄铁道大学 安全工程与应急管理学院，河北 石家庄 050043；2.基础设施安全与应急铁路行业重点实验室，河北 石家庄 050043；3.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)摘要：大轴重运输条件下，重载铁路小跨度梁病害损伤频繁出现，致使其承载能力和使用性能逐渐降低，安全与稳定问题日益凸显。为研究常见类型小跨度板梁在大轴重运输条件下的静动力特性，以某重载铁路12.0 m跨度低高度整体式预应力板梁(简称整体梁)和并置式普通钢筋混凝土板梁(简称并置梁)为对象，基于现场试验和数值模拟方法，开展静力性能试验、动力性能试验、承载能力分析和提速、提轴条件下动力适应性分析，探索小跨度低高度板梁在大轴重运输条件下的差异性和适用性。研究结果表明：设计静活载作用下，小跨度并置梁和整体梁均处于弹性工作状态，2种类型板梁荷载-挠度、荷载-应变等关系曲线均呈线性变化，且应变和挠度实测数据均小于理论计算值；相同静力荷载作用下，实测整体梁跨中挠度、应变等关键参数均小于并置梁，整体梁具有更大的刚度和承载能力。正常运营列车和提速、提高轴重列车作用下，整体梁横向和竖向频率分别为27.26 Hz和11.21 Hz，其自振频率较并置梁有大幅提高；同时，相同动力荷载作用下，整体梁跨中横向振幅、横向加速度、竖向振幅、竖向加速度和动力系数较并置梁均有明显降低，整体梁具有更大的横向刚度和整体稳定性，满足35.0 t轴重及80 km/h的列车通行。关键词：大轴重；小跨度梁；适应性研究；静力试验；运营性能试验中图分类号：U445；U448.13 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）04-1403-13Adaptability research of small span slab beam under large axle load transportation conditionCHEN Shuli1,2,LIU Yongqian1,2,CHEN Shitong1,2,XU Hongwei3,CUI Chunkai3(1.School of Safety Engineering and Emergency Management,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;2.Key Laboratory of Infrastructure Safety and Emergency Railway Industry,Shijiazhuang 050043,China;3.School of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)Abstract:Under the condition of large axle load transportation,the damage of small-span beams of heavy haul railways frequently occurs,resulting in the decrease of its bearing capacity and service performance.The safety and stability problems are becoming increasingly prominent.In order to study the static and dynamic 收稿日期：2022-04-18基金项目：国家重点研发计划重点专项(2016YFB1200401-107)；国家自然科学基金资助项目(52008272)；河北省重点研发计划项目(20375410D)通信作者：刘永前(1969)，男，山西原平人，教授，博士，从事桥梁检测评定与加固研究；Email：lyq_DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220762铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月performance of common types of small-span slab beams under heavy axle load transportation conditions,the 12.0 m-span low-height integral prestressed slab beam(referred to as the overall beam)and the parallel ordinary reinforced concrete slab beam(referred to as the parallel beam)of a heavy haul railway were taken as the research objects.Based on the field test and numerical simulation,the static performance test,dynamic performance test,bearing capacity analysis,and speed-raising and shaft-raising adaptability analysis were carried out to explore the differences and applicability of small-span low-height slab beams under heavy axle load transportation conditions.The results show that both the small-span parallel beam and the whole beam are inelastic working state under the designed static and live load.The load-deflection and load-strain curves of the two types of plate beams show linear changes,and the measured data of strain and deflection are less than the theoretical calculation value.Under the same static load,the measured key parameters such as mid-span deflection and strain of the integral beam are smaller than those of the parallel beam,and the integral beam has greater stiffness and bearing capacity.Under normal operation,speed increase,and axle load increase,the transverse and vertical frequencies of the integral beam are 27.26 Hz and 11.21 Hz,respectively,and the self-vibration frequency is significantly higher than that of the parallel beam.At the same time,under the same dynamic load,the transverse amplitude,transverse acceleration,vertical amplitude,vertical acceleration,and dynamic coefficient of the whole beam are significantly lower than those of the parallel beam.The whole beam has greater transverse stiffness and overall stability,which meets the 35.0 t axle load and 80 km/h train traffic.Key words:large axle load;small span beam;adaptability research;static test;operation performance test 因具有节省材料和容易满足净空等特点，12.0 m跨度低高度普通钢筋混凝土板梁在我国早期的铁路建设中应用比较广泛，且多为单线双片布置。随着使用年限增加和大轴重、高密度的重载列车常态化开行，既有小跨度钢筋混凝土梁开裂严重、振动加剧和承载能力不足等病害损伤日趋严重，已经影响结构安全和列车运营安全，将其更换为同等跨度的预应力结构已经成为一种趋势。但是，作为一种新型结构，低高度、小跨度的预应力整体式桥梁在重载铁路中的应用刚刚起步，既无成熟的理论和经验可以参考，也缺少比较成熟的应用示范，其静动力性能是否满足大轴重运输要求需要深入研究。围绕大轴重运输条件下的小跨度桥梁适应性问题，很多学者进行了深入研究并取得丰富成果。胡所亭等13基于重载运输对线桥涵设备影响研究基础上，研究了不同荷载作用下多种类型桥梁的荷载效应和活载储备量，认为轴重提高引起荷载效应增大且活载储备量降低，对小跨度量影响最为明显。龙卫国等45采用车桥耦合动力分析方法研究了重载运输条件下的桥梁动力响应规律，开展了重载铁路动力评价指标、在线监控技术以及提高轴重的加固前后桥梁适应性分析。王博等67针对24.0 m和32.0 m标准跨度简支梁，开展了欧洲铁路荷载和重载列车作用下的适应性分析。卢朝辉等89针对21.033.0 t轴重货车，开展了6.056.0 m跨度桥梁静力适应性和疲劳适应性分析研究，并结合疲劳分析提出了疲劳寿命预测的建议公式。HARRIS等1012开展了重载铁路桥梁恒载、活载与设计荷载的对比分析研究，认为梁高过低则不能满足刚度和受力要求。罗慧刚等1315采用理论分析和试验相结合的手段，重点分析了中小跨度桥梁在25.0 t和27.0 t轴重列车作用下的适应性，认为重载运输对小跨梁影响较大，其静动力性能、耐久性等均有所下降。XIA等1619采用车桥耦合分析方法，研究了提速列车和重载列车作用下的既有铁路桥梁动力响应。既有研究在重载铁路常用跨度梁适应性分析方面成果丰富，但多集中在理论分析方面，涉及实体桥梁静动力性能试验研究内容偏少，针对小跨度整体式预应力板梁在大轴重运输条件下的应用研究也基本处于空白。据此，本文以某重载铁路换梁施工为背景，以更换前后的小跨度并置式普通钢筋1404第 4 期陈树礼，等：大轴重运输条件下小跨度板梁静动力适应性研究混凝土梁(简称并置梁)和整体式预应力混凝土梁(简称整体梁)为研究对象，基于实体试验和数值模拟，开展静力性能试验、动力性能试验和承载能力分析，研究2种类型板梁在大轴重运输条件下的差异性和适用性。1 小跨度板梁静动力试验方法伴随着大轴重、高密度和长编组的重载列车常态化开行，既有铁路小跨度并置梁稳定性差、刚度低的缺点日益凸显，将其更换为同等高度、同样跨度的整体梁成为一种强化改造趋势。为研究 2种类型板梁在大轴重条件下的适应性和差异性，对其进行实桥