高速鐵路鋼桁拱橋吊桿振動長期監(jiān)測與分析

丁幼亮　 王　超　 王景全　王高新　 吳來義　 岳　青

(1東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室, 南京 210096)(2中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司, 南京 210032)

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高速鐵路鋼桁拱橋吊桿振動長期監(jiān)測與分析

丁幼亮1王超1王景全1王高新1吳來義2岳青2

(1東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室, 南京 210096)(2中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司, 南京 210032)

以大勝關長江大橋吊桿為研究對象,基于健康監(jiān)測系統(tǒng)對高速列車通過時鋼桁拱橋吊桿的振動速度進行長期監(jiān)測,通過對振動速度積分的方法來獲得大勝關大橋吊桿動位移幅值的長期變化規(guī)律.分析結果表明:吊桿橫向動位移幅值顯著大于縱向動位移幅值,并且兩者都可以采用廣義極值分布函數(shù)描述其概率統(tǒng)計特性;吊桿縱向動位移幅值與主梁橫向動位移幅值存在明顯的相關性;吊桿橫向振動主要由高速列車局部風效應引起,并且橫向動位移幅值與環(huán)境溫度存在明顯的相關性.因此,吊桿橫向振動分析應考慮局部風場和溫度的共同作用,吊桿縱向振動分析應考慮與主梁橫向振動的耦合作用.

結構健康監(jiān)測;鋼桁拱橋;吊桿;動位移;相關性

京滬高鐵南京大勝關長江大橋為京滬高速鐵路和滬漢蓉鐵路共用的跨江通道,是世界首座六線鋼桁拱橋.大勝關大橋具有體量大、跨度大、荷載大、行車速度高等顯著特點.為了保障其結構的服役安全,建立了結構健康監(jiān)測系統(tǒng),通過對實時采集數(shù)據(jù)的分析建立以健康監(jiān)測系統(tǒng)為平臺的大橋養(yǎng)護管理評價體系[1].

大勝關大橋的最長吊桿長度接近60 m,易發(fā)生風致渦激振動.為此,李龍安[2]研究了鋼桁拱橋吊桿的風致渦激振動特性、判別方法以及風致振動影響因素.李榮慶等[3]采用剛度大、氣動外形好的八邊形截面箱形吊桿以及新型吊桿減振器,提高了鋼桁拱橋長吊桿的抗風振性能.然而,上述研究側重于自然風激勵下的吊桿風振響應分析及其減振控制.實測表明,大勝關大橋列車荷載大、行車速度高,導致高速列車通過時長吊桿振動響應顯著.Malm等[4]研究發(fā)現(xiàn),列車過橋時吊桿截面應力不均勻分布較明顯,吊桿約60%的變幅循環(huán)應力源自車橋振動,并且跨中吊桿的振動位移較大,振動疲勞問題更嚴重;Andersson等[5]認為由于吊桿的低阻尼特性,吊桿的振動位移較大,因而吊桿超過50%的累積振動疲勞破壞與其在列車作用下的振動有關;李元兵等[6-7]分析了車輛荷載下橋面振動對拱橋吊桿應力的影響,認為橋面振動是導致吊桿變幅循環(huán)應力的主要因素之一.因此,高速列車作用下的大勝關大橋吊桿的振動疲勞問題必須予以重視,利用健康監(jiān)測系統(tǒng)對大勝關大橋長吊桿開展長期振動監(jiān)測與分析具有重要意義.

基于健康監(jiān)測系統(tǒng)對大勝關大橋主梁跨中長吊桿的縱向和橫向振動速度進行了長期監(jiān)測.本文詳細考察了高速列車通過時吊桿動位移幅值的長期時變規(guī)律,包括吊桿動位移幅值的概率統(tǒng)計模型、吊桿動位移幅值與主梁動位移幅值的相關性以及吊桿動位移幅值與環(huán)境溫度的相關性.研究結果為后續(xù)深入研究高速列車作用下鋼桁拱橋吊桿的振動機理提供了重要的依據(jù).

1　大勝關大橋吊桿的動位移監(jiān)測

1.1吊桿動位移監(jiān)測系統(tǒng)

大勝關大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中在吊桿上安裝了速度傳感器,用以長期監(jiān)測吊桿在高速列車通過時的振動響應.如圖1所示,在主梁跨中1-1斷面處的吊桿上各安裝1個橫向速度傳感器(編號ZD-11-06)和縱向速度傳感器(編號ZD-11-05).速度傳感器位置距離橋面約2 m,其位置布置如圖2所示.2個速度傳感器的采樣頻率均為200 Hz.本文中橫向均指橫橋向,縱向均指順橋向.

圖1　大勝關大橋吊桿速度傳感器布置斷面圖(單位:m)

圖2　1-1斷面處吊桿速度傳感器布置圖

采用振動速度積分獲得動位移時程的方法來考察大勝關大橋吊桿動位移的長期變化規(guī)律.由于所采集的速度數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù),因此需要對其進行梯形數(shù)值積分[8],即

(1)

式中,T(f)為對振動速度數(shù)據(jù)積分所得的動位移值;t1和t2為某2個相鄰振動速度數(shù)據(jù)所對應的時間(t1

1.2吊桿動位移監(jiān)測結果

首先給出單次列車通過時吊桿縱向和橫向動位移的典型監(jiān)測結果,如圖3所示.可看出,高速列車通過時吊桿縱向和橫向動位移監(jiān)測結果均呈現(xiàn)出明顯的單峰曲線形式,在此基礎上進一步得到吊桿動位移幅值.圖3中縱向和橫向動位移幅值分別為0.61和1.31 mm.因此,高速列車通過時鋼桁拱橋吊桿的橫向動位移幅值明顯大于縱向動位移幅值.

(a) 縱向動位移

(b) 橫向動位移

圖4給出了2014年全年吊桿縱向和橫向動位移幅值的長期監(jiān)測結果.從圖中可看出,縱向和橫向

(a) 縱向動位移幅值

(b) 橫向動位移幅值

動位移幅值的變化區(qū)間分別為[0.01,1.70] mm和[0.01, 15.32] mm,這表明高速列車通過時吊桿縱向和橫向動位移幅值存在一定的變化.因此,詳細考察長期列車荷載作用下吊桿動位移幅值的時變規(guī)律,對于揭示吊桿振動機理、準確評估吊桿疲勞性能具有重要意義.

2　吊桿動位移幅值的長期監(jiān)測分析

2.1吊桿動位移幅值的概率統(tǒng)計分析

下面對2014年全年吊桿縱向和橫向動位移幅值進行概率統(tǒng)計分析.本文選用如下廣義極值分布函數(shù)來描述其概率密度統(tǒng)計特性[9]:

(2)

式中,T為吊桿動位移幅值；r, b, a分別為形狀參數(shù)、位置參數(shù)和尺度參數(shù).利用式(2)對吊桿縱向和橫向動位移幅值的概率密度進行最小二乘擬合,即可確定參數(shù)取值.2014年吊桿縱向和橫向動位移幅值的概率密度柱狀圖及其廣義極值分布函數(shù)擬合曲線如圖5所示,參數(shù)估計值如表1所示.

表1　廣義極值分布函數(shù)的參數(shù)估計值

(b) 橫向動位移幅值

由圖5可見,采用廣義極值分布函數(shù)可以較好地描述其概率密度統(tǒng)計特性.這表明,利用長期監(jiān)測數(shù)據(jù)可對高速列車通過時吊桿的縱向和橫向動位移幅值進行概率意義上的準確把握,并且這些數(shù)據(jù)為今后深入研究吊桿的隨機振動分析方法以及從概率意義上準確把握吊桿的振動性能提供了重要基礎.

2.2吊桿動位移幅值與主梁動位移幅值的相關性分析

為了研究高速列車通過時鋼桁拱橋的主梁振動對吊桿振動的影響,圖6分別給出了吊桿縱向和橫向動位移幅值與主梁橫向和豎向動位移幅值的相關性分析結果.其中,主梁動位移幅值根據(jù)相同斷面(見圖1中1-1斷面)的主梁速度傳感器監(jiān)測結果進行計算.采用相關系數(shù)R表征吊桿動位移幅值與主梁動位移幅值的線性相關性,其表達式為

(3)

從圖6中可看出:① 吊桿縱向動位移幅值與主梁橫向動位移幅值的線性相關性較好,其相關系數(shù)為0.853 9,而吊桿縱向動位移幅值與主梁豎向動位移幅值的線性相關性較差,其相關系數(shù)僅為0.437 6.這表明,高速列車通過鋼桁拱橋時引起的主梁橫向振動將會激發(fā)吊桿縱向振動,吊桿縱向振動分析時必須考慮與主梁車致橫向振動的耦合作用.② 吊桿橫向動位移幅值與主梁橫向和豎向動位移幅值的線性相關性均較差,其相關系數(shù)僅為0.108 4和0.090 5.根據(jù)以上規(guī)律,可推斷吊桿橫向振動主要由高速列車局部風效應引起.

2.3吊桿動位移幅值與溫度的季節(jié)相關性分析

從圖4可看出,2014年全年的吊桿橫向動位移幅值呈現(xiàn)出兩邊大、中間小的趨勢性變化特點,而吊桿縱向動位移幅值則在全年表現(xiàn)出平穩(wěn)隨機變化特點.為此,本節(jié)進一步考察溫度的季節(jié)變化對吊桿動位移幅值的影響.由圖4(b)可知,吊桿橫向動位移幅值的觀測時間序列可以看成一個由不同頻率成分組成的數(shù)字信號序列,其中隨著溫度趨勢變化的部分表現(xiàn)為低頻率(長周期)的變化;受到列車隨機荷載影響的隨機部分,則表現(xiàn)為高頻率(短周期)的顫動.為此,本文采用多樣本平均方法研究吊桿動位移幅值與溫度的季節(jié)相關性特征[10].溫度取大勝關大橋拱頂?shù)臏囟葌鞲衅鞅O(jiān)測

(a) 吊桿縱向和主梁橫向動位移幅值相關性

(b) 吊桿縱向和主梁豎向動位移幅值相關性

(c) 吊桿橫向和主梁橫向動位移幅值相關性

(d) 吊桿橫向和主梁豎向動位移幅值相關性

數(shù)據(jù),在此基礎上計算吊桿動位移幅值的日平均值以及結構的日平均值.京滬高鐵運營時間大致為每天06:00—24:00,因此取該時段的吊桿動位移和溫度數(shù)據(jù)進行日平均值計算.

圖7給出了吊桿動位移幅值與溫度的季節(jié)相關性分析結果.可看出,吊桿橫向動位移幅值與溫度之間呈現(xiàn)十分明顯的季節(jié)相關性,其相關系數(shù)為0.879 8,并且表現(xiàn)為溫度低動位移幅值大,溫度高動位移幅值小的季節(jié)變化特征.而吊桿縱向動位移幅值與溫度之間沒有明顯的相關性,其相關系數(shù)僅為0.239 7.這表明,吊桿橫向振動與結構溫度存在某種密切的相關性,如何在吊桿風致橫向振動分析中考慮溫度作用的影響是今后需要重點研究的內容.

(a) 縱向動位移幅值

(b) 橫向動位移幅值

3　結論

1) 高速列車通過時鋼桁拱橋吊桿的橫向動位移幅值較大,而吊桿縱向動位移幅值相對較小.長期監(jiān)測結果表明,采用廣義極值分布函數(shù)可以較好地描述吊桿橫向和縱向動位移幅值的概率密度統(tǒng)計特性.

2) 吊桿縱向動位移幅值與主梁橫向動位移幅值存在明顯的相關性,而與主梁豎向動位移幅值的相關性不明顯.這表明高速列車通過時引起的主梁橫向振動將會激發(fā)吊桿縱向振動,吊桿縱向振動分析中必須考慮與主梁橫向振動的耦合作用.

3) 吊桿橫向振動與主梁橫向和豎向振動的相關性均不明顯,這表明吊桿橫向振動主要由高速列車局部風效應引起,并且橫向動位移幅值與環(huán)境溫度存在相關性,溫度低時動位移幅值大,溫度高時動位移幅值小.

References)

[1]金輝. 京滬高鐵南京大勝關長江大橋養(yǎng)護模式探討[J]. 現(xiàn)代交通技術, 2013, 10(6): 51-55.

Jin Hui. Discussion on maintenance method of Beijing—Shanghai high-speed railway of Nanjing Dashengguan Changjiang River Bridge [J].ModernTransportationTechnology, 2013, 10(6): 51-55.(in Chinese)

[2]李龍安. 鋼桁拱橋吊桿風致振動影響因素分析[J]. 橋梁建設, 2008, 38(3):19-22.Li Longan. Analysis of influential factors of wind-induced vibration of steel truss arch bridge hangers [J].BridgeConstruction, 2008, 38(3):19-22.(in Chinese)

[3]李榮慶, 朱世峰, 李東超. 新型吊桿減振器(TLMD)在南京大勝關長江大橋中的應用[J]. 世界橋梁, 2012, 40(6): 68-72.

Li Rongqing, Zhu Shifeng, Li Dongchao. Application of new type of TLMD to hangers of Dashengguan Changjiang River Bridge in Nanjing City [J].WorldBridges, 2012, 40(6): 68-72.(in Chinese)

[4]Malm R, Andersson A. Field testing and simulation of dynamic properties of a tied arch railway bridge[J].EngineeringStructures, 2006, 28(1):143-152. DOI:10.1016/j.engstruct.2005.07.011.

[5]Andersson A, Karoumi R. Attenuating resonant behavior of a tied arch railway bridge using increased hanger damping[C]//6thInternationalConferenceonBridgeMaintenance,SafetyandManagement. Stresa, Lake Maggiore, Italy, 2012:2572-2577. DOI:10.1201/b12352-393.

[6]李元兵, 張啟偉. 振動對拱橋短吊桿截面應力分布的影響[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2009, 37(2): 159-164, 233.

Li Yuanbing, Zhang Qiwei. Vibration effect on cross-sectional stress distribution of short suspenders in arch bridges [J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience), 2009, 37(2): 159-164,233.(in Chinese)

[7]趙洪平, 李元兵. 拱橋吊桿損傷退化機理及壽命評估研究進展[J]. 城市道路與防洪, 2010(1): 119-125. DOI:10.3969/j.issn.1009-7716.2010.01.036.

Zhao Hongping, Li Yuanbing. Study on damage degenerating mechanism and life evaluation of arched bridge suspender [J].CityBridges&Flood, 2010(1): 119-125. DOI:10.3969/j.issn.1009-7716.2010.01.036. (in Chinese)

[8]吳康雄, 張紅光. 橋梁動撓度計算速度積分方法[J]. 長沙理工大學學報(自然科學版), 2009, 6(1):15-18. DOI:10.3969/j.issn.1672-9331.2009.01.004.

Wu Kangxiong, Zhang Hongguang. The calculation of dynamic deflection from bridge measuring velocity[J].JournalofChangshaUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience), 2009, 6(1):15-18. DOI:10.3969/j.issn.1672-9331.2009.01.004.(in Chinese)

[9]Xia H W, Ni Y Q, Wong K Y, et al. Reliability-based condition assessment of in-service bridges using mixture distribution models [J].Computers&Structures, 2012, 106: 204-213. DOI:10.1016/j.compstruc.2012.05.003.

[10]Ding Y L, Li A Q, Sun J, et al. Research on seasonal correlation of wavelet packet energy spectrum and temperature of Runyang Suspension Bridge [J].ScienceinChinaSeriesE:TechnologicalSciences, 2009, 52(6):1776-1785. DOI:10.1007/s11431-008-0357-5.

Long-term monitoring and analysis of hanger vibration on high-speed railway steel truss arch bridge

Ding Youliang1Wang Chao1Wang Jingquan1Wang Gaoxin1Wu Laiyi2Yue Qing2

(1Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2China Railway Major Bridge (Nanjing) Bridge and Tunnel Inspect & Retrofit Co., Ltd., Nanjing 210032, China)

Taking Dashengguan Yangtze River Bridge as the research object, based on the structural health monitoring system, the vibration velocity responses of the hanger were long-termly monitored when the high-speed train passed. Then the long-term variation regularity of dynamic displacement was further obtained through the integration of vibration velocity responses. The analysis results indicate that the dynamic displacement amplitudes of the hanger in the transverse direction are much larger than those in the longitudinal direction, and their probability characteristics can be described by the generalized extreme value distribution function. There is a significant correlation between the dynamic longitudinal displacement amplitudes of the hanger and the transverse dynamic displacement amplitudes of the main girder. The transverse vibration of the hanger is mainly caused by the local wind effect of the high-speed train, and the transverse dynamic displacement amplitudes of the hanger and the ambient temperature have an obvious correlation. Accordingly, the local wind field and the temperature should be taken into consideration in the transverse vibration analysis of the hanger, and the coupling effects of the transverse vibration of the main girder should be considered in the longitudinal vibration analysis of the hanger.

structural health monitoring; steel truss arch bridge; hanger; dynamic displacement; correlation

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.029

2015-10-08.作者簡介: 丁幼亮(1979—),男,博士,教授,博士生導師,civilding@163.com.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)青年科學家專題資助項目(2015CB060000)、國家自然科學基金資助項目(51578138)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2242016K41066).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.029.

TU318; U442

A

1001-0505(2016)04-0848-05

引用本文: 丁幼亮，王超，王景全,等.高速鐵路鋼桁拱橋吊桿振動長期監(jiān)測與分析[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(4):848-852.