高墩大跨連續(xù)箱梁鐵路橋動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

黃勝前，楊永清

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

大跨度連續(xù)箱梁是山區(qū)鐵路橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式之一。為了了解此類橋梁的動(dòng)力性能，通過理論計(jì)算與動(dòng)載試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了宜萬鐵路雙流大橋主橋的自振特性及車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)。據(jù)此，可以判斷橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度等是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性是否滿足規(guī)范要求，同時(shí)也為橋梁的運(yùn)營(yíng)管理積累資料，為同類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

宜萬鐵路雙流大橋主橋?yàn)樽兘孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用縱、豎向預(yù)應(yīng)力體系，懸臂澆筑法施工，跨徑組合為(60+108+60)m。箱梁為單箱單室直腹板截面，頂板寬6.5 m，底板寬5.1 m，外翼緣板懸臂長(zhǎng)0.7 m;頂板厚0.35 m，腹板厚為0.35～0.7 m，底板厚0.4～0.96 m，中支點(diǎn)處加厚至1.1 m;中支點(diǎn)處梁高7.5 m，梁端和跨中處4.0 m，按半徑395.5 m圓曲線變化。分別在中支點(diǎn)、梁端、跨中處設(shè)置厚2 m、1.3 m和0.6 m的橫隔板。梁體混凝土為C55，縱向預(yù)應(yīng)力筋為12－7φ5 mm鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力筋為φ25 mm高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋，采用TPZ-Ⅰ型盆式橡膠支座。下部結(jié)構(gòu)為樁基礎(chǔ)，最大墩高84 m［1］。

1 車橋耦合振動(dòng)分析［2-8］

列車通過橋梁時(shí)會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)橋梁也會(huì)對(duì)車體產(chǎn)生反作用力，引起車輛振動(dòng)，稱為車橋耦合振動(dòng)。車橋耦合振動(dòng)分析需分別建立車輛動(dòng)力分析模型和橋梁動(dòng)力分析模型，通過輪軌的幾何相容條件和相互作用力平衡條件將兩者聯(lián)系起來，組成車橋耦合振動(dòng)系統(tǒng)。隨著列車在橋梁上運(yùn)行，系統(tǒng)是時(shí)變的;輪軌之間既有非線性幾何約束關(guān)系，又有非線性的接觸蠕滑關(guān)系;車橋耦合系統(tǒng)是自激系統(tǒng)，主要的激勵(lì)源“軌道不平順”具有隨機(jī)性。

列車機(jī)車與車輛由車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)等主要部分組成。輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架之間由包括線性彈簧和粘性阻尼器的一系懸掛系統(tǒng)分別在縱向、豎向、橫向連接，轉(zhuǎn)向架和車體之間由另一組線性彈簧和粘性阻尼器組成的二系懸掛系統(tǒng)分別在縱向、豎向、橫向連接。假定:車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)均為對(duì)稱剛體，做微振動(dòng);不計(jì)機(jī)車與車輛縱向振動(dòng)的影響;橋上線路為直線，不考慮機(jī)車與車輛之間的相互作用;不計(jì)轉(zhuǎn)向架扭曲變形;不計(jì)輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架之間的橫向間隙對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響;不計(jì)懸掛元件(彈簧和阻尼)的非線性特性。車體和每個(gè)轉(zhuǎn)向架各有5個(gè)自由度(浮沉、橫擺、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭)，每個(gè)輪對(duì)考慮4個(gè)自由度(浮沉、橫擺、側(cè)滾、搖頭)。

橋梁動(dòng)力分析模型可運(yùn)用有限元方法建立，主梁、橋墩均采用空間梁?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮3個(gè)線位移和3個(gè)轉(zhuǎn)角位移，共6個(gè)自由度。橋面構(gòu)造和附屬設(shè)施的質(zhì)量均勻分配到主梁?jiǎn)卧?。將各個(gè)單元在整體坐標(biāo)系下的質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣分布組集，形成整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣，得到橋梁振動(dòng)方程

式中，Mb、Cb、Kb分別為橋梁的質(zhì)量、瑞利阻尼及剛度;Fb為作用在橋梁上的節(jié)點(diǎn)力;Xb、˙Xb、¨Xb分別為橋梁的位移、速度和加速度。

輪軌接觸力考慮豎向輪軌力和橫向輪軌力。豎向輪軌力為輪對(duì)軸重加上輪對(duì)慣性力及通過與輪對(duì)連接的豎向彈簧和阻尼器傳遞的彈簧力和阻尼力;橫向輪軌力則與輪對(duì)在鋼軌上的蠕滑力有關(guān)?？筛鶕?jù)赫茲接觸理論和Kalker滾動(dòng)接觸蠕滑理論分別建立豎向、橫向輪軌接觸力方程。

根據(jù)輪軌接觸點(diǎn)的幾何相容條件和相互作用力平衡條件，可得車橋耦合振動(dòng)微分方程

式中，M、C、K分別為質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣;X為位移矢量;F為作用力;下標(biāo)B、T分別表示橋梁和車輛。

將軌道不平順作為車橋系統(tǒng)的外部激勵(lì)源，考慮線路中心線豎向高程偏差、橫向位置偏差、左右軌距偏差、左右軌豎向高程的歪扭4種情況。

2 實(shí)橋動(dòng)載試驗(yàn)方法

結(jié)合宜萬鐵路雙流大橋主橋(60+108+60)m連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取邊跨跨中附近截面、7號(hào)墩墩頂附近截面和中跨跨中附近截面布置動(dòng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。在B－B/C－C、D－D截面頂、底板各對(duì)稱布置2個(gè)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，每個(gè)截面共布置4個(gè);在截面DD上下游側(cè)對(duì)稱布置1個(gè)動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)，共2個(gè)。沿橋跨方向等間距布置17個(gè)自振測(cè)點(diǎn)，采用脈動(dòng)法測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型及阻尼比。行車試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)采用單列貨車進(jìn)行，貨車編組為1HXD1C+25C64K/C70H/C70+1HXD1C。行車試驗(yàn)按5 km/h的速度進(jìn)行標(biāo)定車速試驗(yàn)后，依次按 20、40、60、80 km/h的速度進(jìn)行;制動(dòng)試驗(yàn)按40 km/h的速度運(yùn)行并在指定部位制動(dòng)。主要測(cè)試內(nèi)容包括:B－B/C－C、DD截面動(dòng)應(yīng)變，D－D截面動(dòng)撓度及橫向和豎向振幅、加速度，7號(hào)墩墩頂橫向和縱向振幅、加速度，6號(hào)墩活動(dòng)支座的橫向和縱向位移。

圖1 雙流大橋主橋動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意(單位:m)

3 自振特性分析

為了分析雙流大橋主橋的動(dòng)力特性，運(yùn)用有限元方法建立了動(dòng)力分析模型，如圖2所示。

雙流大橋主橋自振特性的計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果詳見表1。

雙流大橋主橋的自振頻率、振型及阻尼比采用脈動(dòng)法測(cè)定。橫向基頻的計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果分別為0.489 Hz和0.684 Hz，豎向基頻的計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果分別為1.102 Hz和1.660 Hz。計(jì)算值低于實(shí)測(cè)值，主要是由于計(jì)算中邊界約束條件的模擬存在偏差造成的，在計(jì)算中支座均按理想的固定鉸或可移動(dòng)鉸模擬，忽略了支座本身和橋面軌道系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)約束和縱向約束。參照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［9］中簡(jiǎn)支梁的有關(guān)規(guī)定，可判斷本橋橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度較好。橋跨結(jié)構(gòu)的一階橫彎、一階豎彎的阻尼比分別為0.024和0.068。梁體橫向一階、豎向一階振型曲線的計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，反映了橋跨結(jié)構(gòu)豎、橫向的振型特征，如圖3所示。

表1 雙流大橋主橋自振特性

圖2 雙流大橋主橋動(dòng)力分析有限元模型

圖3 雙流大橋主橋一階振型計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果

4 橋梁動(dòng)力響應(yīng)

4.1 動(dòng)應(yīng)變及動(dòng)力系數(shù)

試驗(yàn)列車以不同的速度通過橋梁，測(cè)得雙流大橋主橋7號(hào)墩墩頂(B－B)截面和中跨跨中(D－D)截面應(yīng)變時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 雙流大橋主橋典型應(yīng)變時(shí)程曲線

根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)變時(shí)程曲線分析得到各測(cè)試截面動(dòng)力系數(shù)見表2。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，7號(hào)墩墩頂(B－B)截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)介于1.018～1.057，中跨跨中(DD)截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)介于1.003～1.040。實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變曲線相對(duì)于影響線有輕微的波動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)測(cè)應(yīng)力動(dòng)力系數(shù)相對(duì)較小，最大值為1.057，表明試驗(yàn)車輛對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用并不明顯。

表2 雙流大橋主橋墩頂及跨中截面動(dòng)力系數(shù)

4.2 振幅及加速度

表3列出了試驗(yàn)列車以不同速度通過橋梁時(shí)7號(hào)墩墩頂(B－B)和中跨跨中(D－D)的振幅值。在各動(dòng)載試驗(yàn)工況下，7號(hào)墩墩頂最大縱向、橫向振幅分別為0.33、0.04 mm，中跨跨中最大豎向、橫向振幅分別為0.70、0.75 mm，7號(hào)墩墩頂橫向振幅、中跨跨中橫向振幅均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》通常值。

表3 雙流大橋主橋墩頂及中跨跨中振幅 mm

表4列出了試驗(yàn)列車以不同速度通過橋梁時(shí)7號(hào)墩墩頂(B－B)和中跨跨中(D－D)的加速度值。在各動(dòng)載試驗(yàn)工況下，7號(hào)墩墩頂最大縱向、橫向加速度分別為0.10、0.32 m/s2，中跨跨中最大豎向、橫向加速度分別為0.20、0.67 m/s2，橫向加速度滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》橫向振動(dòng)加速度不應(yīng)超過1.4 m/s2的規(guī)定，表明橋跨結(jié)構(gòu)橫向動(dòng)力性能良好。

表4 雙流大橋主橋墩頂及中跨跨中加速度 m/s2

4.3 動(dòng)撓度及支座位移

雙流大橋主橋中跨跨中動(dòng)撓度實(shí)測(cè)結(jié)果見表5，動(dòng)撓度時(shí)程曲線如圖5所示。在各動(dòng)載試驗(yàn)工況下，主梁中跨跨中附近動(dòng)撓度介于42.0～43.7 mm，動(dòng)撓度時(shí)程曲線過渡較為圓順，說明橋跨結(jié)構(gòu)受到試驗(yàn)列車沖擊較小。

雙流大橋主橋6號(hào)墩處多向活動(dòng)支座橫向、縱向?qū)崪y(cè)動(dòng)位移測(cè)試結(jié)果見表5。動(dòng)載試驗(yàn)貨車作用下，實(shí)測(cè)支座橫向位移最大值為0.64 mm，滿足《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》［10］支座橫向位移不大于±1 mm要求。

圖5 雙流大橋主橋典型動(dòng)撓度時(shí)程曲線

表5 雙流大橋主橋跨中動(dòng)撓度及6號(hào)墩支座位移

5 機(jī)車與車輛動(dòng)力響應(yīng)

5.1 安全性指標(biāo)

車橋耦合振動(dòng)分析表明，機(jī)車與車輛的三項(xiàng)安全性指標(biāo)，輪軸橫向力、輪重減載率及脫軌系數(shù)分別滿足《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》規(guī)定的80 kN、0.8和0.6的限值，詳細(xì)結(jié)果見表6?？梢钥闯觯瑱C(jī)車與車輛的輪軸橫向力、輪重減載率及脫軌系數(shù)等安全性指標(biāo)基本上隨行車速度的增大而增大。對(duì)于客車，行車速度為160 km/h時(shí)，各項(xiàng)安全指標(biāo)取得最大值;對(duì)于貨車，行車速度為90 km/h時(shí)，各項(xiàng)安全指標(biāo)取得最大值。

表6 機(jī)車與車輛過橋的安全性指標(biāo)

5.2 加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)

列車橫向、豎向加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見表7?？梢钥闯?，機(jī)車與車輛橫向、豎向加速度隨速度的增大而增大，客車、貨車的最大橫向、豎向加速度均滿足規(guī)范要求。機(jī)車與車輛橫向、豎向平穩(wěn)性指標(biāo)也隨速度的增大而增大，依據(jù)《鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》［12］、《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》［13］，在計(jì)算速度范圍內(nèi)，客車、貨車機(jī)車與車輛平穩(wěn)性等級(jí)均達(dá)到“優(yōu)良”或者“良好”。

表7 機(jī)車與車輛過橋的加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)

6 結(jié)論

(1)宜萬鐵路雙流大橋主橋橋跨結(jié)構(gòu)橫向、豎向基頻的實(shí)測(cè)結(jié)果分別為0.684 Hz和1.660 Hz，略高于計(jì)算值，橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度較好。

(2)在各速度行車和制動(dòng)試驗(yàn)工況下，實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變及動(dòng)力系數(shù)均較小，動(dòng)力系數(shù)最大值僅1.06，說明本橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度較好，行車和制動(dòng)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用并不明顯。

(3)在各速度行車和制動(dòng)試驗(yàn)工況下，7號(hào)墩墩頂及中跨跨中振幅及加速度均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》要求，本橋結(jié)構(gòu)剛度和動(dòng)力性能良好。

(4)在各速度行車試驗(yàn)工況下，中跨跨中動(dòng)撓度介于42.0～43.7 mm，動(dòng)撓度時(shí)程曲線過渡較圓順，說明橋跨結(jié)構(gòu)受到試驗(yàn)列車沖擊作用較小。

(5)實(shí)測(cè)支座最大橫向位移為 0.64 mm，小于±1 mm，滿足《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》要求。

(6)車橋耦合振動(dòng)分析表明，機(jī)車與車輛動(dòng)力響應(yīng)滿足規(guī)范要求，安全性、平穩(wěn)性及舒適度均較好。

［1］楊宏.宜萬鐵路雙流特大橋連續(xù)梁施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(3):61-63.

［2］王彬力，蒲黔輝，白光亮.新型U型梁車橋耦合環(huán)境振動(dòng)實(shí)測(cè)與分析［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2012，32(1):78-85.

［3］衛(wèi)星，李小珍，李俊，強(qiáng)士中.鐵路大跨連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力性能研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2009，28(11):118-121.

［4］翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

［5］葛玉梅.斜拉橋在考慮風(fēng)效應(yīng)時(shí)的車－橋耦合振動(dòng)［D］.成都:西南交通大學(xué)，2001.

［6］施洲，夏招廣，葛玉梅.鋼管混凝土勁性骨架提籃拱橋動(dòng)力試驗(yàn)及車橋耦合振動(dòng)分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2006，28(4):95-101.

［7］施洲，夏招廣，葛玉梅.高墩大跨連續(xù)梁鐵路橋動(dòng)力試驗(yàn)［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，41(3):349-354.

［8］凌知民，曹雪琴，項(xiàng)海帆.鐵路高墩連續(xù)梁車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2002，24(5):98-102.

［9］張楠，張?zhí)铮艖椡?，杜士?客運(yùn)專線連續(xù)梁拱橋細(xì)部應(yīng)力及車橋動(dòng)力分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(S):75-79.

［10］鐵運(yùn)函［2004］120號(hào) 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［11］鐵建設(shè)函［2005］285號(hào) 新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［12］TB/T 2360—1993 鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1993.

［13］GB/T 5599—1985 鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1985.