铁路上承式钢管混凝土拱桥静动力性能的试验与数值分析

文献概况与核心观点

该文献由中国铁路太原局集团有限公司与中国铁道科学研究院合作完成，发表于2025年《铁道建筑》期刊。研究以某货运铁路上承式钢管混凝土拱桥为对象，采用数值分析与现场试验相结合的方法，重点评估了拱上高墩立柱在制动工况下的受力性能。核心结论包括：桥梁静力性能满足要求；结构实际刚度大于理论值（频率高10%以上）；桥面附属结构对纵向刚度有明显贡献；制动工况下立柱应力水平较小。该研究为同类桥梁的设计与验收提供了实测数据支撑。

技术要点解读

钢管混凝土拱桥的静动力特性

上承式钢管混凝土拱桥以钢管混凝土作为拱肋，具有承载力高、跨越能力强的优点。但拱上结构（尤其是高墩立柱）在列车制动荷载下的受力行为较为复杂。文献中数值模型的建立基于以下关键假设：

• 钢管混凝土拱肋采用组合截面，考虑钢管与混凝土之间的界面滑移。
• 高墩立柱按弹性支撑考虑，基础刚度通过地勘资料确定。
• 桥面系采用梁格法模拟，考虑纵向和横向刚度。

制动工况下的受力分析

制动荷载引起的纵向力通过桥面系传递至拱上立柱，再经由拱肋传至基础。高墩立柱在制动工况下的主要受力特征包括：

1. 纵向弯矩：制动产生的水平力在立柱根部产生较大弯矩，尤其是对于高墩（高度>15 m），弯矩效应显著。
2. 应力水平：文献实测表明，经过桥面附属结构（如轨道、桥枕、防撞墙）的分散传递，立柱底部由制动力产生的应力水平较小（实测值小于理论值的70%）。这得益于多层结构体系的协同工作。
3. 振动模态：制动试验中桥梁的振动模态与一阶纵向振动模态接近，表明制动荷载主要激发纵向振动，横向和扭转效应较小。

实测与理论对比分析

实测频率普遍高于理论值，表明结构实际刚度大于设计值。这可能与以下因素有关：桥面附属结构（如轨道、接触网支柱）的刚度贡献；混凝土的长期强度增长；以及边界条件（如支座摩擦）的实际状态比理论假设更刚。制动应力实测值偏低，说明理论模型可能高估了荷载传递效率或低估了结构冗余度。

工程实践启示

对设计规范的思考

现行铁路桥梁规范（如TB 10002-2017）对制动荷载的分配通常采用简化方法（如按墩高比例分配）。但该研究显示，桥面附属结构对荷载分散的贡献不可忽视，尤其是在高墩区域。建议在设计中考虑以下修正：

• 桥面纵向刚度应计入轨道、桥枕、防撞墙等附属结构的贡献，可通过等效截面法或精细化有限元模拟。
• 高墩立柱的制动工况验算可采用折减系数（如0.7~0.8），但需基于实际结构特征确定。

健康监测与运营维护

该研究的试验方法（包括静载试验、动载试验、制动试验）可作为同类桥梁验收和运营监测的参考方案。建议在以下位置布置长期传感器：

• 拱肋关键截面（拱脚、L/4、拱顶）的应变和位移。
• 高墩立柱底部的纵向应变和倾斜。
• 桥面纵向加速度（用于捕捉制动工况下的振动响应）。

运营中应重点关注制动工况频繁的区段（如车站附近），若实测应力超过设计值，应检查桥面附属结构的连接状态是否松动。

总结

该文献通过系统的静动力试验和数值分析，验证了某铁路上承式钢管混凝土拱桥的结构性能满足要求，并揭示了桥面附属结构对纵向刚度的显著贡献。研究结果为同类桥梁的设计优化和验收标准提供了实测依据。作为桥梁工程师，我们应认识到理论模型与实际结构之间的差异，并在设计中合理考虑附属结构的刚度贡献。该研究还强调了制动工况下高墩立柱的受力安全，尽管实测应力水平较低，但设计中仍需谨慎对待，尤其是对于大跨度、高墩的铁路拱桥。未来可进一步研究长期运营下附属结构退化对桥梁刚度的影响。