Bevezetés

A szerkezet bemutatása

Az új mederhíd felszerkezete szimmetrikus rácsozású, folytatólagos, hatnyílású alsópályás rácsos tartó, amely az ortotróp pályaszerkezettel együtt dolgozik. A rácsos tartó támaszközei 49,26+4×98,52+49,26 m, a felszerkezet teljes hossza 493,6 m. A rácsos tartó felső övrúdjai kalapszelvények, a rácsrudak hegesztett I keresztmetszetűek. A hossztartók és a kereszttartók alsó övlemezei egy síkban vannak, a kereszttartók illeszkednek a rácsos tartó alsó csomóponti kiosztásához. A kereszttartók és egyben a rácsos tartó csomópontjai közti távolság 8210 mm. Az ortotróp pályaszerkezet 16 mm vastag pályalemezét hosszbordák merevítik. A rácsos tartó felső szélrácsrendszerrel készült. Az ortotróp pályalemezre folyamatos, rugalmas megtámasztású sínleerősítéses vasúti pályaszerkezet került. A híd oldalnézetét az 1. ábra, jellemző kialakítását a próbaterhelés közben a 2. ábra mutatja be. A teherhordó szerkezet S355 jelű acél anyagból készült. A szerkezet MSZ EN 1991-2 [3] szabvány szerinti LM71, SW/0 és SW/2 jelű tehermodellekre lett méretezve, az országos fővonalakra érvényes α=1,21 értékű terhelési osztályba sorolási tényező alkalmazásával.

 
A próbaterhelés programjának összefoglalása

A próbaterhelés előtt és után megvizsgáltuk a szerkezet állapotát a Vasúti Hídszabályzat előírásai szerint.
A statikus teherállásokban a szerkezetet összesen 1 darab M62-es mozdonnyal és 14 darab Faccs típusú zúzott kővel megrakott vagonnal terheltük; a 16 statikus teherállás során felsőrendű szintezéssel mértük a szerkezet lehajlását, valamint nyúlásmérő bélyegekkel a kiválasztott pontokban keletkező nyúlásokat.

A dinamikus mérések első fázisában gyorsulásmérő berendezések alkalmazásával meghatároztuk a szerkezet sajátfrekvenciáit természetes gerjesztés hatására. A továbbiakban először elvégeztük a híd vonathatásábra-felvételét két összekapcsolt M62-es típusú mozdony és nyúlásmérő bélyegek alkalmazásával. Majd a mozdonyok dinamikus hatását vizsgáltuk különböző sebességű áthaladások során, nyúlásmérő bélyegek és elmozdulásmérők alkalmazásával.
A statikus próbaterhelés során borult, felhős idő volt, szélcsenddel, csapadék nélkül; a mérések ideje alatt a levegő hőmérséklete 11 és 9 °C között változott közel egyenletes ütemben. A dinamikus próbaterhelés során derült, napos idő volt, 8 és 12 °C közötti hőmérséklettel.
Statikus próbateher és teherállások
A statikus próbaterheléshez összesen 1 darab M62-es típusú mozdonyt és 14 darab Faccs típusú vagont alkalmaztunk. Az M62 mozdony tengelysúlya 193,8 kN, a jármű összsúlya 1163 kN, fajlagos tömege 6,627 t/m. A mozdony teljes hossza 17 550 mm, két szélső tengelyének távolsága 12 800 mm. A négytengelyű Faccs vagonok tengelysúlya 175 kN, összsúlyuk 700 kN, fajlagos tömegük 5,494 t/m. A vagonok teljes hossza 12 740 mm, a forgóvázak távolsága 7500 mm, a két szélső tengelyének távolsága 9500 mm. Az egy nyílásban egyidejűleg elhelyezett vasúti jármű terhe a híd majdnem teljes fesztávja mentén alkalmazott 54,4 kN/m megoszló erőnek felel meg, amely ~68%-a az LM71 jelű járműteherre megadott megoszló teher szabvány szerinti alapértékének.

A megvalósult teherállásokról a 3. ábra ad áttekintést (az üres híd esetekhez tartozó teherállásokat nem tartalmazzák az ábrák). A 2–4. teherállás rendre az I–IV. jelű, a IV–V. jelű és az V–VI. jelű támaszok közötti nyílások mezőire mértékadó terhelés. A 6–8. teherállások a VI–VII. jelű, a VII–VIII. jelű és a VIII–X. jelű támaszok közötti nyílások mezőire mértékadó terhelése, míg a 10–11. teherállások a IV. és az V. jelű támaszokra mértékadó teher. A 13–15. teherállások pedig a VI., a VII. és a VIII. jelű támaszok feletti negatív nyomaték szempontjából mértékadó terhelések. Az 5., 9., 12. és 16. üres teherállások, a maradó deformációk és a hőmérsékleti mozgások meghatározására.
A statikus és dinamikus próbaterhelés során alkalmazott terhelésről jellemző képeket a 4. ábra mutatja be.

Lehajlások statikus teher hatására

A próbateher hatására kialakuló lehajlások és feszültségek meghatározásához és azoknak a mért értékekkel való összehasonlításához vegyes rúd- és felületszerkezeti modellt dolgoztunk ki. A vizsgálatokhoz az ANSYS [4] végeselemes programrendszert használtuk. A felszerkezet felületszerkezeti modelljében figyelembe vettünk minden lemezelemet, amelyet a híd tervei tartalmaznak és részt vesznek a szerkezet globális erőjátékában. A rácsos főtartókról és a pályaszerkezetről teljes, minden részletre kiterjedő héjmodellt készítettünk. Az alkalmazott hálózat egyenletes mind a híd hossza, mind a keresztmetszete mentén. Átlagosan 250-400 mm oldalhosszúságú végeselemeket alkalmaztunk. Ezzel a hálózati kiosztással a csomópontok száma 161 700 (~970 000 szabadságfok). A numerikus modell egy részletét az 5. ábra mutatja.

A globális szerkezeti viselkedés elemzésére összeállított teherállásokban a lehajlásokat a híd hossza mentén a befolyási és kifolyási oldalon is 35-35 pontban mértük felsőrendű automata szintezőműszerekkel, ±0,5 mm megbízhatósággal. Az egyes teherállások értékelésénél a mért értékeket mindig az előző üres teherálláshoz viszonyítottuk, majd az így feldolgozott lehajlási diagramokat hasonlítottuk a numerikus modellen számolt lehajlások értékeihez. A szerkezeti viselkedést jellemző mért és számított lehajlások értékeit a 3., 4., 6. és 13. teherállásokra vonatkozóan a 6–9. ábrák mutatják be. A 3–6. teherállásokban minden esetben egy nyílás (IV–V.; V–VI.; VI–VII. támaszköz) volt mezőközépi nyomaték szempontjából mértékadóan terhelve. A 13. teherállásban egymás melletti két nyílás (V–VI. és VI–VII. támaszköz) volt terhelve.

Az eredmények alapján látható, hogy a mért és a nagy pontosságú numerikus modellel számított lehajlások nagyon közel vannak egymáshoz, a számított lehajlások tendenciája nagyon jó egyezést mutat a mért értékekkel, továbbá a mért értékek nem haladják meg a számítottakat egyik nyílásban sem. A maximális lehajlásokban a mért és számított értékek közti arány maximális értéke ~100%. A maradó alakváltozást minden támaszközben minden terhelt teherállás után meghatároztuk. A legnagyobb maradó alakváltozás a mért maximális lehajlás 9,4%-a (I–IV. támaszközben -0,9 mm) volt. A nagyobb támaszközökben mért maximális maradó alakváltozások jellemzően a mért maximális lehajlások ~3%-a. A mérés során meggyőződtünk róla, hogy a nyílások első terhelése során kialakuló maradó deformációk minden esetben a szabványban megadott határérték alatt maradtak és a további ismételt terhelés hatására a hídon a mérési hibahatárnál és a mérés időtartama alatti hőmérséklet-változásból eredőnél nagyobb többletdeformáció nem keletkezett.

Feszültségek statikus teher hatására

Mérőhelyek kialakítása

A lehajlásméréssel párhuzamosan minden teherállásban nyúlásmérést is végeztünk. A nyúlásmérés célja a főtartók és a pályaszerkezet (kereszttartók és hosszbordák) mértékadó keresztmetszeteiben a próbateher hatására kialakuló normálfeszültségek meghatározása a statikus és dinamikus terhelés hatására. A nyúlásmérés egy része globális szerkezeti szintű, másik része lokális szerkezeti részlet szintű vizsgálatokat tartalmazott. A teljes hídon összesen 100 darab uniaxiális nyúlásmérő bélyeget alkalmaztunk a mérés során, amelyekből 56 darab a globális, 44 darab a lokális szerkezet viselkedését elemezte. A nyúlásmérési helyek elhelyezkedését a híd hossza mentén a 10. és 11. ábrák mutatják be. A nyúlásmérő bélyegek jellemzően három csoportban kerültek elhelyezésre, a VI–VII. támaszköz mezőközepén, valamint a VII. és X. jelű támaszkörnyezetben. A globális szerkezeti viselkedés vizsgálatát 2×4 darab rácsrúdon (F1 és R1–R3 jelű rudak), valamint 2×4 darab övrúdon (Ö1–Ö3 jelű mérési helyek), rudanként 4-4 darab nyúlásmérő bélyeggel hajtottuk végre. A lokális nyúlásmérés során három kereszttartót vizsgáltunk (K1–K3 jelű kereszttartók), kereszttartónként 4-4 darab nyúlásmérő bélyeg alkalmazásával. A próbaterhelés során a 120. jelű végkereszttartón (X. támasz felett), a 72. jelű közbenső általános kereszttartón és a 84. jelű közbenső támasz kereszttartón (VII. pillér felett) végeztünk méréseket. Két hossztartót vizsgáltunk összesen három keresztmetszetben (H1–H3 jelű mérési helyek), hossztartónként 4-4 darab nyúlásmérő bélyeg alkalmazásával. A hossztartókat a 36’-38’ csomópontok közötti szakaszon, a kereszttartó bekötéstől 850 mm-re, illetve a csomóponti távolság felében lévő keresztmetszetekben vizsgáltuk, valamint a 48’-50’ csomópontok között mezőközépen. A keresztmetszeteken belül a nyúlásmérő bélyegek jellemző elhelyezését a 12. és 13. ábrák mutatják be.
A nyúlásmérés a hídon a próbaterhelés során üzemelő monitoringrendszerrel összehangoltan került kialakításra. Ennek megfelelően a monitoringrendszerben alkalmazott nyúlásmérést és Barkhausen-zaj-mérést a próbaterhelés során alkalmazott nyúlásmérés kiegészíti, illetve néhány mérőhelyen kalibrálja/validálja.

Statikus teherállások eredményei

A híd szimmetrikus, ezért először a befolyási és kifolyási oldalon elhelyezett nyúlásmérő bélyegeken mért feszültségeket hasonlítottuk össze, és elemeztük a szerkezet szimmetrikus viselkedését. Két rácsrúdra, egy övrúdra és egy hossztartóra vonatkozóan a mértékadó teherállásokban mért feszültségváltozásokat a 14–17. ábrák mutatják be. A diagramokon látható, hogy a kifolyási és befolyási oldalon egymással szemben, azonos pozícióban elhelyezett nyúlásmérő bélyegeken nagy pontossággal (mérési hibahatáron belüli pontossággal) azonos nagyságú feszültségváltozásokat mértünk, amely a hídszerkezet szimmetrikus viselkedését igazolja.  
A következőkben a mért és számított feszültségek összehasonlítását ismertetjük néhány mértékadó mérőhelyre vonatkozóan (rácsrúd, övrúd és hossztartó), mértékadó teherállásokban. A 18–24. ábrák rendre a numerikus modellen a mértékadó teherállásban meghatározott feszültégváltozási ábrát és a nyúlásmérő bélyegek helyeit mutatják be mind a három vizsgált szerkezeti részletre. Az ábrákat követő diagramok pedig a számított értékeknek a mért értékkel való összehasonlítását mutatják be.
A statikus teherállásokban végzett nyúlásmérések eredményei alapján megállapítható, hogy a mért és számított feszültségváltozási értékek között nagyon jó az egyezés. A nyúlásmérési eredményekből összességében megállapítható, hogy a globális szerkezeti viselkedést mutató nyúlásmérési eredmények nagy pontossággal megegyezett a számított értékekkel.

Vonathatásábra-mérés eredményei

A dinamikus hatás vizsgálata során először a vonathatásábrák felvételére került sor. A mérés célja a hídszerkezet erőjátékának elemzése hosszirányban végighaladó – kvázistatikus – járműteher hatására. A mérés során összesen 100 darab mérőhelyen határoztuk meg a keletkező nyúlások értékét és időbeli eloszlását, a szerkezeten áthaladó 2 darab összekapcsolt, egyenként ~116,4 tonna tömegű M62-es típusú mozdony hatására. A mozdonyok közel állandó sebességgel (~5,0 km/h) haladtak végig a szerkezeten először Pest irányából Buda felé, majd vissza; mindkét futamban felvettük a vonathatásábrákat.

A két mérés között érdemi különbség nem volt. A vonathatásábra-mérés eredményeit néhány jellemző szerkezeti részlet esetére a 25–30. ábrákon mutatjuk be. Az eredmények szépen mutatják a híd felszerkezetének – szemlélet alapján is várható – statikai viselkedését, a többnyílású, folytatólagos, rácsos tartók hatásábráinak jellemző tendenciáit, illetve az integrált főtartó és a pályaszerkezet együttműködésének hatását is.

Sajátfrekvenciák

A dinamikus mérések első csoportjában a sajátfrekvenciákat határoztuk meg természetes gerjesztés hatására, B3-5 típusú gyorsulásmérő szenzorok alkalmazásával. Az egyes mérési idősorokat FFT-eljárással transzformálva teljesítménysűrűség-spektrumokká alakítottuk, amelyek alapján határoztuk meg az értékelés alapjául szolgáló fázisképspektrumokat, amelyekben a híd sajátfrekvenciái jellegzetes csúcsokként jelentkeznek; a csúcsok helyei alapján meghatározhatók a sajátfrekvenciák.

A csúcsok előjele attól függ, hogy a két összehasonlított mérőhely azonos vagy ellentétes fázisban mozog-e. Ebből következtetni lehet az adott frekvenciákhoz tartozó rezgésalakra, azaz, hogy az adott frekvenciához hajlító vagy csavaró rezgési alak tartozik-e. A méréseket két különböző szenzorelhelyezésben is elvégeztük. Egyik esetben a VII. jelű pillértől 20 m távolságban a VII–VIII. nyílásban helyeztünk el két szenzort (X1 és Y1), valamint egy szenzort a VI–VII. pillérek között szintén 20 m távolságra. A másik esetben az V. jelű pillér két oldalán, a pillértől 20-20 m-re lévő keresztmetszetekben helyeztük el a gyorsulásmérő szenzorokat. A VII. támasz környezetében mért vízszintes és függőleges rezgések alapján meghatározott fázisképspektrumokat és a mért sajátfrekvenciákat a 31. és 32. ábrák mutatják be. A legfontosabb, végeselemes modellel meghatározott lengésalakokat pedig a 33–35. ábrák szemléltetik.

A természetes gerjesztés hatására mért sajátfrekvenciák jó egyezést mutatnak a numerikus modellel számított sajátfrekvenciákkal, mind a függőleges, mind a vízszintes hajlító és a csavaró frekvenciák esetén. A mérések alapján az első vízszintes-függőleges hajlító sajátfrekvencia 1,66 Hz (számított 1,50 Hz), az első csavaró sajátfrekvencia 1,81 Hz (számított 1,71 Hz), első függőleges hajlító sajátfrekvencia 2,1–2,34 Hz (számított 2,09 Hz).

Dinamikus hatás vizsgálata  

A dinamikus tényező mérési programja

A dinamikus próbaterhelés második csoportjában a híd dinamikus viselkedésének az elemzése volt a cél, a hídon végighaladó járműteher hatására a szerkezet különböző szerkezeti részleteihez tartozó dinamikus tényezők meghatározásával. A mérést összesen 15 futamban, különböző sebességgel (5, 20, 40, 60, 80 km/h) végighaladó, 2 darab M62 típusú párban hajtott mozdonnyal hajtottunk végre. A dinamikus próbaterhelés programját az 1. táblázat foglalja össze, amely tartalmazott fékezéssel és indulással kombinált futamokat is. A próbaterhelés során minden egyes futam alatt a statikus próbaterheléssel megegyező helyeken (minden vizsgált és különböző típusú szerkezeti elemen), összesen 66 darab nyúlásmérő bélyegen, 75-100 Hz-es mintavételi frekvenciával mértük a szerkezeten keletkező nyúlásokat.

A dinamikus futamok eredményei

A mérés eredményei a vonathatás­áb­rák­hoz hasonló – kis sebesség esetén azzal meg­egyező – feszültségi vonathatásábrák, amelyeken nagyobb sebesség esetén megjelennek, illetve megjelenhetnek a mozgó jármű által gerjesztett többletnyúlások/feszültségek. Néhány jellemző, különböző szerkezeti elemre vonatkozó dinamikus futamot reprezentáló mérési eredményt mutatunk be a 36–40. ábrákon.

A futamok során mért feszültségtörténeti ábrákat kiértékeltük és minden nyúlásmérő bélyeg esetén tapasztalt dinamikus többlet alapján meghatároztuk a dinamikus tényező értékét. A maximális dinamikus tényező (μmax) értéke a rácsos főtartón 1,028, a közbenső kereszttartón 1,048, a végkereszttartón 1,045, a hossztartón pedig 1,049. A mérési eredmények azt mutatják, hogy a pályaszerkezet esetén a mért maximumérték jelentősen kisebb, mint az adott szerkezet esetén az MSZ EN 1991-2 [3] szabvány szerint számított dinamikus tényezők értékei (hossztartóra 1,18, kereszttartóra 1,44, végkereszttartóra 2,0). A főtartó esetén minimális dinamikus hatást mértünk, amely konzervatív kiértékelést alkalmazva is maximum 3%-os dinamikus többletet jelent. Megjegyezzük, hogy a mért maximális értékekben jelentkező dinamikus hatás ennél kisebb, közel 1,0. A mérési eredmények megerősítik a hídon tartózkodók szubjektív érzését, miszerint nagyon csekély mértékben érezhető dinamikus hatást tapasztaltak a dinamikus futamok során.

Összefoglalás

A BME Hidak és Szerkezetek Tanszék végrehajtotta az új Déli összekötő vasúti Duna-híd forgalomba helyezését megelőző statikus és dinamikus próbaterhelésének I. ütemét (B1 jelű hídszerkezet). A próbaterhelés célja a híd globális és lokális szerkezeti viselkedésének ellenőrzése, statikus és dinamikus viselkedésének vizsgálata, a szabványos követelmények igazolása. A próbaterhelés során a szerkezet viselkedése a számítottnak és a szemléletnek megfelelő volt, rendellenességre utaló jelet nem tapasztaltunk. Összefoglalóan megállapítható, hogy a próbaterhelési eredmények alátámasztották a híd terv szerinti viselkedését és kielégítik a vonatkozó nemzeti szabványok előírásait. A próbaterhelés eredményei alapján sok olyan tapasztalatot szereztünk a szerkezet viselkedésével kapcsolatban, amelyek felhasználhatók lesznek a hídcsoport további elemeinek a mérése során.

Köszönetnyilvánítás

Köszönetünket fejezzük ki a tervező (FŐMTERV – Kontúr Csoport Konzorcium és a szakági főtervező MSc. Kft.), és a kivitelező (Duna Aszfalt Kft.) szakembereinek a próbaterhelés előkészítésében és végrehajtásában nyújtott együttműködésükért. A próbaterhelésben résztvevők csoportja a 41. ábrán látható.