京滬高速鐵路淮河特大橋96 m系桿拱動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

董振升，劉鵬輝，王 巍

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2．高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

京滬高速鐵路淮河特大橋96 m系桿拱動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

董振升1，2，劉鵬輝1，2，王 巍1，2

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2．高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

系桿拱橋是一種集拱與梁的優(yōu)點(diǎn)于一身的橋型，它將拱與梁兩種基本結(jié)構(gòu)形式組合在一起，共同承受荷載。為評(píng)估京滬高速鐵路淮河特大橋96 m系桿拱的動(dòng)力性能，檢驗(yàn)列車通過時(shí)的平穩(wěn)性，對(duì)96 m系桿拱的自振特性和動(dòng)車組以各種速度通過橋梁時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該結(jié)構(gòu)形式具有足夠的豎向和橫向剛度，動(dòng)力性能良好，能夠滿足動(dòng)車組最高350 km/h運(yùn)行平穩(wěn)性要求。

高速鐵路 系桿拱 動(dòng)力性能 試驗(yàn)研究

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》中規(guī)定，高速鐵路橋梁上部結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)橋梁的使用功能、河流水文條件、工程地質(zhì)情況、軌道類型以及施工設(shè)備等因素綜合考慮［1］。系桿拱橋是一種集拱與梁的優(yōu)點(diǎn)于一身的橋型，它將拱與梁兩種基本結(jié)構(gòu)形式組合在一起，共同承受荷載，充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)性能和組合作用，拱端的水平推力由系桿承受，使拱端支座不承受水平推力。橋梁動(dòng)載試驗(yàn)是研究橋梁動(dòng)力性能的重要方法之一，目前主要是為相應(yīng)理論分析提供依據(jù)、驗(yàn)證理論模型的正確性。許多學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，對(duì)常用跨度簡(jiǎn)支梁進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果［2-5］，但對(duì)高速鐵路中系桿拱橋動(dòng)力性能試驗(yàn)研究較少，設(shè)計(jì)上也缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)支持。為評(píng)估96 m系桿拱動(dòng)力性能，檢驗(yàn)列車通過時(shí)的平穩(wěn)性，本文對(duì)系桿拱進(jìn)行系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力性能試驗(yàn)研究。

1 淮河特大橋主橋試驗(yàn)概況

京滬高鐵淮河特大橋主橋結(jié)構(gòu)形式為96 m系桿拱，矢跨比為1/5，拱肋平面內(nèi)矢高19.2 m，系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，橋面箱寬17.1 m，梁高2.5 m。底板厚30 cm，頂板厚30 cm，邊腹板厚35 cm，中腹板厚30 cm;吊桿布置采用尼爾森體系，吊桿間距為8 m。主梁采用GTQZ型支座，由兩個(gè)單向活動(dòng)支座和兩個(gè)多向活動(dòng)支座組成，設(shè)橫向限位裝置，支座中心距14.70 m。橋上線路為CRTSⅡ型無砟軌道［6］。

試驗(yàn)列車包括:CRH2-C動(dòng)車組(8輛編組)38趟，速度197.8～363.3 km/h;CRH380AL(16輛編組)動(dòng)車組52趟，速度295.1～383.0 km/h;CRH380BL(16輛編組)動(dòng)車組34趟，速度255.3～383.0 km/h。

2 測(cè)試內(nèi)容及方法

試驗(yàn)主要測(cè)試內(nèi)容如下:①梁體跨中橫向振動(dòng)(含振幅、強(qiáng)振頻率、自振頻率、阻尼比);②梁體跨中、L/4和3L/4處豎向振動(dòng)(含振幅、強(qiáng)振頻率、自振頻率、阻尼比，L為跨度);③跨中和L/4處豎向振動(dòng)加速度;④梁體豎向撓跨比;⑤橋墩墩頂橫向振動(dòng)(含振幅、強(qiáng)振頻率);⑥梁體跨中和L/4處應(yīng)變及動(dòng)力系數(shù)。

圖1為96 m系桿拱的測(cè)點(diǎn)布置，由于該橋橫跨河流、跨度大，試驗(yàn)采用網(wǎng)絡(luò)組橋方式，實(shí)現(xiàn)無人值守智能化采集。測(cè)試系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、自動(dòng)采集系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)設(shè)備狀態(tài)及直流供電模塊的剩余電量進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集具有GPS同步功能，以滿足車—橋以及不同測(cè)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)同步。

圖1 96 m系桿拱測(cè)點(diǎn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 梁體自振特性、撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角

梁體自振頻率是反映橋梁動(dòng)力特性的基本參數(shù)，梁體自振頻率過低將導(dǎo)致高速列車通過時(shí)產(chǎn)生過大振動(dòng)或共振;同時(shí)為了滿足高速行車條件下的行車安全和乘坐舒適的要求，各國(guó)規(guī)范以靜活載作用下的撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角作為限值指標(biāo)。表1、表2給出了96 m系桿拱自振頻率、豎向撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)值、設(shè)計(jì)計(jì)算值。由表1、表2可以看出，實(shí)測(cè)豎向和橫向自振頻率均比設(shè)計(jì)計(jì)算值大，豎向撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角均比設(shè)計(jì)計(jì)算值小，表明梁體實(shí)際剛度比設(shè)計(jì)的剛度大。

表1 96 m系桿拱梁體自振特性

表2 96 m系桿拱撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角(換算至ZK活載)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外許多原型橋梁試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的阻尼比為2% ～5%［7］。實(shí)測(cè)96 m系桿拱豎向振動(dòng)阻尼比為0.98%，橫向振動(dòng)阻尼比為1.22%，說明96 m系桿拱比預(yù)應(yīng)力混凝土梁的振動(dòng)阻尼比小。

3.2 梁體豎向動(dòng)力響應(yīng)

動(dòng)車組v=250.0 km/h時(shí)，96 m系桿拱豎向振幅典型三維譜圖見圖2，表示動(dòng)車組對(duì)96 m系桿拱的豎向強(qiáng)振頻率及振動(dòng)幅值隨時(shí)間的變化。動(dòng)車組作用下，梁體豎向強(qiáng)振頻率與行車速度關(guān)系見圖3。從整體趨勢(shì)來看，梁體豎向強(qiáng)振頻率與速度呈線性關(guān)系。可以看出，與常用跨度簡(jiǎn)支梁相比，高速列車速度效應(yīng)引起的激振規(guī)律是一致的，主要與列車速度v和車長(zhǎng)有關(guān)，相應(yīng)的強(qiáng)振頻率為v/(3.6d)。

圖2 96 m系桿拱跨中豎向振幅三維譜圖(v=250.0 km/h)

圖3 豎向強(qiáng)振頻率與行車速度關(guān)系

圖4～圖8給出了豎向振幅、應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)與行車速度的關(guān)系圖。當(dāng)試驗(yàn)列車速度為250 km/h左右時(shí)，梁體豎向強(qiáng)振頻率接近梁體1階豎向自振頻率，而梁體1階振型為對(duì)稱豎彎，所以梁體跨中豎向振幅和應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)出現(xiàn)峰值效應(yīng);當(dāng)試驗(yàn)列車速度為295 km/h左右時(shí)，梁體豎向強(qiáng)振頻率接近梁體2階豎向自振頻率，而梁體的2階振型為反對(duì)稱豎彎振型，所以梁體L/4和3L/4處豎向振幅和L/4處應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)出現(xiàn)峰值效應(yīng)，梁體跨中豎向振幅未出現(xiàn)明顯峰值效應(yīng)。動(dòng)車組作用下96 m系桿拱梁體豎向振動(dòng)加速度也有相同規(guī)律。試驗(yàn)動(dòng)車組車長(zhǎng)為25 m，峰值效應(yīng)對(duì)應(yīng)的列車速度計(jì)算如下。

圖4 跨中豎向振幅與行車速度關(guān)系

圖5 L/4處豎向振幅與行車速度關(guān)系

圖6 3L/4處豎向振幅與行車速度關(guān)系

圖7 跨中應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)與行車速度關(guān)系

圖8 L/4處應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)與行車速度關(guān)系

圖9和圖10為96 m系桿拱出現(xiàn)峰值效應(yīng)時(shí)和未出現(xiàn)峰值效應(yīng)時(shí)梁體跨中和L/4跨處豎向振幅比較圖。從圖中可以看出，梁體出現(xiàn)峰值時(shí)梁體的動(dòng)力響應(yīng)明顯大于未出現(xiàn)峰值時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，約為未共振時(shí)的2～3倍。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，動(dòng)車組應(yīng)盡量避免以共振速度通過橋梁。

圖9 v=255 km/h和v=302 km/h時(shí)跨中豎向振幅比較

圖10 v=295 km/h和v=360 km/h時(shí)L/4豎向振幅比較

表3為動(dòng)車組作用下96 m系桿拱豎向振幅、豎向加速度、動(dòng)力系數(shù)的最大值。實(shí)測(cè)96 m系桿拱豎向加速度遠(yuǎn)小于《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》規(guī)定無砟橋面強(qiáng)振頻率不大于20 Hz的豎向振動(dòng)加速度的限值5.0 m/s2。動(dòng)車組作用下，系桿拱橋有明顯的動(dòng)力作用，實(shí)測(cè)動(dòng)力增量約為ZK活載的5% ～8%。

表3 96 m系桿拱橋豎向動(dòng)力響應(yīng)最大值

3.3 跨中橫向振幅和梁體橫向強(qiáng)振頻率

試驗(yàn)動(dòng)車組作用下96 m系桿拱跨中橫向振幅見表4，梁體最大橫向振幅均遠(yuǎn)小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［8］的通常值(0.44 mm)，《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的通常值約為最大值的9倍，由此可見，《鐵路橋梁檢定規(guī)范》不太適宜評(píng)判高速鐵路大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。

表4 跨中橫向振幅匯總

梁體跨中橫向振幅和梁體橫向強(qiáng)振頻率與行車速度的關(guān)系見圖11和圖12，梁體的橫向強(qiáng)振頻率與行車速度基本呈線性關(guān)系;動(dòng)車組在385 km/h速度范圍內(nèi)，橫向強(qiáng)振頻率在2.20～4.39 Hz。當(dāng)動(dòng)車組速度為240 km/h左右時(shí)，動(dòng)車組的蛇行運(yùn)動(dòng)［9］的頻率與墩梁一體橫向自振頻率相近，梁體跨中橫向振幅出現(xiàn)振動(dòng)峰值，但橋上同時(shí)存在很多節(jié)車輛，各節(jié)車輛之間的振動(dòng)相位不同而被相互抵消，實(shí)測(cè)梁體跨中橫向振幅還是很小;當(dāng)動(dòng)車組速度 ＞300 km/h時(shí)，隨著車速的提高，試驗(yàn)動(dòng)車組和橋梁之間的相互作用加劇，跨中橫向振幅隨行車速度的提高而增大。

3.4 動(dòng)車組通過時(shí)的平穩(wěn)性評(píng)價(jià)

圖11 跨中橫向振幅與行車速度關(guān)系

圖12 梁體橫向強(qiáng)振頻率與行車速度關(guān)系

動(dòng)車組通過96 m系桿拱時(shí)的輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，說明在現(xiàn)有橋梁橫向和豎向剛度條件下，能夠滿足動(dòng)車組通過的安全性。

實(shí)測(cè)動(dòng)車組通過96 m系桿拱時(shí)輪重減載率、脫軌系數(shù)見圖13和圖14;從散點(diǎn)圖上數(shù)據(jù)規(guī)律看，動(dòng)車組在通過96 m系桿拱特殊結(jié)構(gòu)時(shí)，動(dòng)車組輪重減載率、脫軌系數(shù)與相鄰的32 m簡(jiǎn)支箱梁相差不大;橋梁跨度和結(jié)構(gòu)形式的變化未對(duì)車輛形成過大的動(dòng)力激發(fā)，輪軸橫向力和車體垂向加速度指標(biāo)也有同樣的規(guī)律［10］。CRH380A-L通過96 m系桿拱時(shí)的輪重減載率、脫軌系數(shù)和輪軸橫向力如表5所示。

圖13 橋上輪重減載率

圖14 橋上脫軌系數(shù)

表5 CRH380A-L通過96 m系桿拱時(shí)的輪重減載率、脫軌系數(shù)和輪軸橫向力

4 結(jié)論

通過對(duì)96 m系桿拱的動(dòng)力性能試驗(yàn)，得出如下主要結(jié)論:

1)96 m系桿拱橫、豎向剛度較大，滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)文件要求，動(dòng)力性能較好。

2)動(dòng)車組作用下連續(xù)梁及特殊橋梁結(jié)構(gòu)的豎向強(qiáng)振頻率與其運(yùn)行速度呈線性關(guān)系，豎向加載頻率取決于車速和車長(zhǎng)，豎向強(qiáng)振頻率主要為v/(3.6d)。動(dòng)車組作用下強(qiáng)振頻率等于橋梁的自振頻率時(shí)，會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)峰值效應(yīng)。

3)鑒于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》不適宜評(píng)判高速鐵路大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，建議綜合考慮橋梁軌道結(jié)構(gòu)、行車安全和乘坐舒適等開展高速鐵路橋梁特殊結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的研究。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2009．

［2］夏禾，張楠．車輛與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用［M］．2版．北京:科學(xué)出版社，2005．

［3］鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所．高速鐵路橋梁動(dòng)力性能研究［R］．北京:鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，1995．

［4］松浦章夫．高速鉄道における車両と橋桁の動(dòng)的挙動(dòng)に関する研究［Z］，1976，258(12):35-47．

［5］YANG Y B，YAU J D，WU Y S．Vehicle-bridge interaction dynamics with applications to high-speed railways［M］．Singapore:World Scientific，2004．

［6］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．京滬高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗(yàn)總報(bào)告［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2011．

［7］伯野元彥．土木工程振動(dòng)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1992．

［8］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2004．

［9］王福天．車輛動(dòng)力學(xué)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1994．

［10］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．京滬高速鐵路綜合試驗(yàn)研究分報(bào)告之七:高速路橋動(dòng)力特性試驗(yàn)研究［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2011．

U448．22+5;U446．1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．01

1003-1995(2013)09-0001-04

2013-01-20;

2013-06-20

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012G006-C)

董振升(1983— )，男，河南鄭州人，助理研究員。

(責(zé)任審編 王 紅)