列車誘發(fā)振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)體施工橋梁穩(wěn)定性影響分析

高 日，胡志波，高 濤，孟 兮

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，上跨既有鐵路、公路的橋梁工程日漸增多，橋梁轉(zhuǎn)體施工方法越來(lái)越多地運(yùn)用到城市軌道交通建設(shè)中。橋梁轉(zhuǎn)體施工是指將橋梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線位置制作成型后，利用預(yù)設(shè)的球鉸等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備將橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)計(jì)軸線上的一種施工方法。它可以將在障礙上空的作業(yè)轉(zhuǎn)化為岸上或近地面的作業(yè)。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，轉(zhuǎn)體施工可以分為豎轉(zhuǎn)法、平轉(zhuǎn)法以及平轉(zhuǎn)和豎轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法，其中以平轉(zhuǎn)法應(yīng)用最多［1-2］。

平轉(zhuǎn)法施工通常應(yīng)用在跨越鐵路的轉(zhuǎn)體橋中。這種施工方法無(wú)需在鐵路線側(cè)搭設(shè)支架，能最大限度地減少對(duì)列車正常通行產(chǎn)生的干擾，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分明顯。由于轉(zhuǎn)體橋是在鐵路線附近施工，轉(zhuǎn)體梁脫架后或平衡轉(zhuǎn)體過(guò)程中將會(huì)不可避免地受到列車誘發(fā)的地面振動(dòng)的影響。列車通過(guò)時(shí)誘發(fā)的振動(dòng)通過(guò)球鉸傳遞到巨大的懸臂轉(zhuǎn)體梁上，將會(huì)對(duì)梁體的受力產(chǎn)生一定影響。按照一般的處理方法，這種振動(dòng)可以等效為一次有感知的地震波的輸入。這種振動(dòng)能否影響轉(zhuǎn)體橋梁的整體安全，目前還沒(méi)有文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行過(guò)分析。因此，有必要開(kāi)展這一方面的試驗(yàn)研究工作，為類似轉(zhuǎn)體施工橋梁的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)管理積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

1 工程實(shí)例的選擇及工程概況

秦皇島市西部快速路工程跨越京哈鐵路采用轉(zhuǎn)體施工橋梁。該橋主橋?yàn)殡p幅獨(dú)立式橋，處在直線段上，每幅橋?qū)?3.0 m，全寬47.5 m。轉(zhuǎn)體部分為2×42 m。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱四室箱梁。下部結(jié)構(gòu)主橋轉(zhuǎn)體墩采用空心矩形墩柱，下接轉(zhuǎn)體平臺(tái)。轉(zhuǎn)體平臺(tái)支撐在承臺(tái)上，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)采用環(huán)道與中心支承相結(jié)合的球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)體系，球鉸球面半徑為6.048 m。該轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)動(dòng)角度為73.3°，每幅梁的轉(zhuǎn)體質(zhì)量達(dá)7 200 t。轉(zhuǎn)體橋沿鐵路平面布置圖如圖1所示。

該橋梁在轉(zhuǎn)體施工前已經(jīng)完成了稱重和配重試驗(yàn)。由試驗(yàn)測(cè)得北側(cè)橋梁的縱向球鉸摩阻力矩為5 995 kN·m，不平衡力矩為16 650 kN·m，摩阻系數(shù)為0.015，橋梁偏向東側(cè)，選擇的配重方案為在東側(cè)取下15 t掛板。南側(cè)橋梁縱向球鉸摩阻力矩為10 124 kN·m，不平衡力矩為8 761.8 kN·m，摩阻系數(shù)為0.025，橋梁偏向西側(cè)。由于該側(cè)橋梁的偏心距已滿足5～15 cm的經(jīng)驗(yàn)要求，沒(méi)有進(jìn)行配重。造成兩側(cè)轉(zhuǎn)體摩阻力矩相差較大的主要原因是施工誤差。

2 測(cè)量時(shí)程曲線

本次研究將列車誘發(fā)的地面振動(dòng)等效為地震荷載。目前在工程上求解地震反應(yīng)的方法分為兩類:一類是擬靜力法，另一類為時(shí)程分析法［3-4］。通過(guò)時(shí)程分析可以得到各質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間變化的位移、速度和加速度動(dòng)力反應(yīng)，并且可以進(jìn)一步計(jì)算出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力時(shí)程變化，同時(shí)時(shí)程分析法能夠比較真實(shí)地、合理地模擬機(jī)構(gòu)的地震響應(yīng)［5］。鑒于轉(zhuǎn)體橋的特點(diǎn)和時(shí)程分析的優(yōu)點(diǎn)，本次研究采用時(shí)程分析法。利用加速度傳感器對(duì)球鉸附近地面振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，記錄每次列車通過(guò)時(shí)的縱向、橫向及豎向加速度時(shí)程曲線。表1是本次試驗(yàn)每組數(shù)據(jù)的列車類型和行駛方向，其中上行是指列車開(kāi)往北戴河方向，下行是指列車開(kāi)往南戴河方向。本次研究對(duì)15趟列車通過(guò)時(shí)轉(zhuǎn)體橋球鉸處的地基振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄。

表1 列車通過(guò)時(shí)振動(dòng)測(cè)試記錄

圖2為地面測(cè)點(diǎn)平面布置圖。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率為200 Hz。

圖2 地面測(cè)點(diǎn)平面布置

3 梁體穩(wěn)定性評(píng)估

3.1 轉(zhuǎn)體梁振動(dòng)分析

評(píng)估列車誘發(fā)地面振動(dòng)對(duì)梁體穩(wěn)定性的影響時(shí)采用有限元分析法。在Midas中建立橋梁的有限元模型，采用梁?jiǎn)卧?，每幅橋共分?4個(gè)單元，85個(gè)節(jié)點(diǎn)，球鉸簡(jiǎn)化為固定支座，模型如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)體橋有限元模型

輸入每一趟列車通過(guò)時(shí)實(shí)測(cè)的加速度時(shí)程曲線，進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析。表2～表4分別是具有代表性的客車(工況6)、動(dòng)車(工況1)以及京哈兩方向列車(工況9)分析結(jié)果。

表2 客車通過(guò)時(shí)轉(zhuǎn)體梁振動(dòng)分析結(jié)果

表3 動(dòng)車通過(guò)時(shí)轉(zhuǎn)體梁振動(dòng)分析結(jié)果

表4 京哈兩方向列車同時(shí)通過(guò)時(shí)轉(zhuǎn)體梁振動(dòng)分析結(jié)果

由表2～表4可知，無(wú)論是橫向、縱向還是豎向，其各點(diǎn)最大加速度都很小，均不超過(guò)0.1g。各個(gè)方向上的最大、最小位移也很小。由此可知列車誘發(fā)的地面振動(dòng)不會(huì)使梁體產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。

3.2 球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩分析

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件傾覆的條件為傾覆力矩大于抗傾覆力矩。對(duì)本轉(zhuǎn)體橋進(jìn)行如圖4(a)所示的簡(jiǎn)化。針對(duì)稱重和配重后得到的數(shù)據(jù)，考慮最不利情況，即不平衡力矩與振動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩同向，此時(shí)轉(zhuǎn)體橋發(fā)生傾覆的條件為

式中:MG為橋梁不平衡力矩，是球鉸兩側(cè)橋梁對(duì)球鉸中心產(chǎn)生的力矩差值;M為外部作用對(duì)轉(zhuǎn)體橋產(chǎn)生的力矩，此處為列車振動(dòng)所產(chǎn)生的力矩;MC為撐腳對(duì)球鉸中心產(chǎn)生的力矩，此處假定一個(gè)撐腳與承臺(tái)接觸;MZ為球鉸摩阻力矩。

圖4 轉(zhuǎn)體梁受力分析

通過(guò)計(jì)算分析后可得北側(cè)轉(zhuǎn)體橋配重后橋梁的不平衡力矩為14 886 kN·m;南側(cè)轉(zhuǎn)體橋沒(méi)有進(jìn)行配重，橋梁不平衡力矩為8 761.8 kN·m。北側(cè)梁的摩阻力矩小于南側(cè)梁的摩阻力矩，且北側(cè)橋梁的不平衡力矩大于南側(cè)橋梁的不平衡力矩。在列車振動(dòng)導(dǎo)致的球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩分析中，取摩阻力矩較小的北側(cè)梁球鉸進(jìn)行分析。

對(duì)表1中的時(shí)程記錄利用Midas進(jìn)行有限元分析，得到列車振動(dòng)引起的最大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，見(jiàn)表5。

表5 列車振動(dòng)引起的球鉸最大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 kN·m

撐腳所能提供的最大力矩MC的計(jì)算可采用下列各式［6］

式中:fsc為鋼管混凝土的組合軸壓比強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;fck，fc分別為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值;f為鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度;ξ0為構(gòu)件截面含鋼率;As，Ac分別為鋼管和混凝土的截面面積;ηs，ηc分別為計(jì)算系數(shù);Asc為鋼管混凝土的截面面積;Fsc為鋼管混凝土的壓力設(shè)計(jì)值。

通過(guò)上式求得Mc為350 072 kN·m。代入數(shù)據(jù)可知MC+MZ＞＞MG+M。因此在橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)前及轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，即使有列車通過(guò)，梁體也不會(huì)發(fā)生傾覆。

進(jìn)一步對(duì)梁體由于列車誘發(fā)的地面振動(dòng)而產(chǎn)生的晃動(dòng)情況進(jìn)行分析。由記錄的加速度時(shí)程曲線可知，加速度的方向隨著時(shí)間在不斷變化。在這種變化過(guò)程中對(duì)球鉸產(chǎn)生的縱向轉(zhuǎn)動(dòng)力矩若足夠大，即滿足M＞MG+MZ的條件，此時(shí)梁體就會(huì)發(fā)生晃動(dòng)。取最不利的南側(cè)轉(zhuǎn)體橋進(jìn)行受力分析，參見(jiàn)圖4(b)。通過(guò)同樣的模擬及計(jì)算可知MZ+MG＞＞M。因此在轉(zhuǎn)體過(guò)程中，即使在有列車通過(guò)的情況下，球鉸不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，梁體也不會(huì)發(fā)生晃動(dòng)。

4 結(jié)論

1)列車誘發(fā)的振動(dòng)不會(huì)對(duì)該轉(zhuǎn)體橋的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。梁體各點(diǎn)振動(dòng)位移和加速度遠(yuǎn)小于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度值。

2)該梁體不會(huì)由于列車誘發(fā)的地面振動(dòng)而晃動(dòng)，更不會(huì)傾覆。

3)該橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中可以不封閉所要跨越的鐵路。

4)其它類似橋梁可采用同樣的分析方法，以評(píng)估列車誘發(fā)振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)體橋穩(wěn)定性的影響，決定是否封閉交通。

［1］張健峰，鐘啟賓.橋梁水平轉(zhuǎn)體法施工的技術(shù)成就及發(fā)展［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1992(6):19-41.

［2］張聯(lián)燕.橋梁轉(zhuǎn)體施工［M］.北京:人民交通出版社，2003:1-9.

［3］范立礎(chǔ)，卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］范立礎(chǔ).橋梁抗震［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2007.

［5］郁中偉，馬良，鄭明玉.現(xiàn)行橋梁抗震理論與設(shè)計(jì)方法［J］.山西建筑，2008(1):313-314.

［6］中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T 5085—1999鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，1999.