朔黃鐵路南排河特大橋健康狀態(tài)評(píng)估研究

劉飛

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350）

朔黃鐵路南排河特大橋健康狀態(tài)評(píng)估研究

劉飛

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350）

為研究橋梁結(jié)構(gòu)在水流沖刷作用下的健康狀態(tài)，對(duì)朔黃鐵路南排河大橋進(jìn)行了動(dòng)力測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括梁體橫豎向振幅、自振頻率、梁底應(yīng)變、梁跨中撓度、支座橫向位移以及橋墩自振頻率和墩頂橫向振幅。測(cè)試結(jié)果中除了墩頂橫向振幅和橋墩自振頻率外均能滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的限值。這說明橋墩的橫向剛度偏小，需采取一定的措施進(jìn)行加固。試驗(yàn)中還比較了脈動(dòng)法、余振法和沖擊振動(dòng)法等測(cè)量自振頻率的方法之間的差異，推薦采用沖擊振動(dòng)法測(cè)試橋梁自振頻率。

重載鐵路橋梁；健康狀態(tài)；動(dòng)力試驗(yàn)；病害評(píng)估

0　引言

朔黃鐵路作為我國(guó)西煤東運(yùn)的第二大通道，是一條西起山西省神池站，東至河北省黃驊市黃驊港站的重載鐵路。其輸送能力大、效率高、運(yùn)輸成本低、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。經(jīng)過十多年的運(yùn)營(yíng)，朔黃鐵路沿線橋梁已經(jīng)產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的病害。特別是對(duì)于跨越河流的橋梁，其不僅承受運(yùn)營(yíng)列車的動(dòng)力荷載，再加上流水沖刷河床以及水質(zhì)的腐蝕性等原因，其下部結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)地基破壞、剛度下降、耐久性和承載力不足等方面的問題。這些問題嚴(yán)重影響了鐵路運(yùn)營(yíng)安全性。

本文以朔黃重載鐵路南排河大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的橫豎向自振頻率、振幅、跨中撓度和跨中應(yīng)變等動(dòng)力指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試；并對(duì)該橋典型橋墩進(jìn)行了橫向振幅測(cè)試和沖擊振動(dòng)試驗(yàn)。通過與《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的限值比較，評(píng)估了橋梁的在運(yùn)營(yíng)荷載下的健康狀態(tài)。

1　橋梁概況

南排河特大橋（261#橋），橋梁全長(zhǎng)601.5 m。上部結(jié)構(gòu)為18孔32 m跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支雙片式T梁，圖號(hào)為專橋2059。梁體支座采用盆式橡膠支座，圖號(hào)為專橋8156。上行重車線為有縫線路。橋墩基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)，樁徑1.0 m。其中4#、5#、6#墩位于主河道中。橋梁概貌見圖1。

圖1　南排河特大橋概貌

2　測(cè)試內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置

為了評(píng)估橋梁在重載列車作用下的工作性能以及流水沖刷對(duì)橋墩性能的影響。本文對(duì)南排河大橋重車上行線第3、5、6孔梁和2～6號(hào)墩進(jìn)行了動(dòng)力測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括梁體橫豎向振幅、自振頻率、梁底應(yīng)變、梁跨中撓度、支座橫向位移以及橋墩自振頻率和墩頂橫向振幅。

測(cè)點(diǎn)布置如下：在第3、5、6孔梁跨中布置橫向測(cè)點(diǎn)，第5孔梁跨中布置豎向測(cè)點(diǎn)，第3孔梁跨中豎向布置動(dòng)撓度計(jì)，梁底部布置應(yīng)變片。第3、4孔梁端布置橫向位移計(jì)，各墩頂布置橫向測(cè)點(diǎn)。

3　鐵路橋梁性能檢定評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢定評(píng)估主要依據(jù)是《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［1］，32 m跨度T梁橋所采用的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）當(dāng)列車靜活載（換算至中-活載）作用時(shí)，實(shí)測(cè)橋梁跨中豎向撓跨比通常值不大于1/1800；

（2）列車通過時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面處跨中橫向振幅行車安全限值［Amax］5%≤L/9 000；

（3）客車列車正常運(yùn)行時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面處跨中最大橫向振幅［Amax］5%≤L/7B；

（4）客車列車正常運(yùn)行時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)最小自振頻率f≥90/L；

（5）鐵路橋梁橋墩墩頂橫向振幅通常值［Amax］5%≤（H+Δh）2/100B+0.2；最小橫向自振頻率為不小于。其中，B為鋼梁為主梁中心距（m），預(yù)應(yīng)力混凝土梁為支座中心距（m）；H為墩全高（自基底或樁承臺(tái)底至墩頂）（m）；Δh和α1為與地基土特征相關(guān)的參數(shù)。

4　試驗(yàn)結(jié)果分析［2-5］

朔黃鐵路運(yùn)營(yíng)的重載列車車型主要為軸重為21 t的C64K，軸重為23 t的C70A，軸重為25 t的C80等三種運(yùn)煤列車。其編組形式有5 000 t、10 000 t兩種。本文測(cè)試了該橋上行重車線在重載列車過橋時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，并利用沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法測(cè)試了橋梁的自振頻率，最后將測(cè)量值與規(guī)范值《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中的限值進(jìn)行了比較。

4.1梁體自振頻率

本次試驗(yàn)中，用沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法對(duì)橋墩橫向進(jìn)行了沖擊，測(cè)試分析了第3、5、6孔橫向自振頻率，同時(shí)采用人在梁跨中跳躍的方式分析了5孔梁體的豎向自振頻率。橋梁在橫向沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)及頻譜見圖2。

圖2　第5孔梁跨中橫向沖擊響應(yīng)頻譜圖

圖3　第5孔梁跨中豎向跳擊響應(yīng)頻譜圖

通過分析可確定第3、5、6孔梁的橫向自振頻率分別為2.88 Hz、3.00 Hz、3.00 Hz，識(shí)別橫向自振頻率均高于32 m跨度梁的橫向自振頻率通常值2.81 Hz。另依據(jù)沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法的基本原理，從圖3可以準(zhǔn)確判定第5孔梁的豎向自振頻率5.5 Hz。

4.2梁體橫豎向振幅

試驗(yàn)測(cè)試了在運(yùn)營(yíng)列車作用下，第5孔北、南兩片梁實(shí)測(cè)跨中豎向振幅，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。第3、5、6孔北、南兩片梁實(shí)測(cè)橫向振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。第5孔梁橫向加速度幅值見圖4。

圖4　第5孔梁橫向加速度幅值

從表1中可以看出，第5孔北片梁跨中最大豎向振幅為0.976 mm，南片梁跨中最大豎向振幅為0.547 mm。北側(cè)梁比南側(cè)梁的豎向振幅大，說明兩片梁豎向協(xié)同工作狀態(tài)較差并且列車荷載有一定偏心。

從表2中可以看出，第3孔梁跨中最大橫向振幅為2.444 mm。第5孔梁北片梁跨中最大橫向振幅為1.801 mm，南片梁跨中最大橫向振幅為2.42 mm。第6孔梁北片梁跨中最大橫向振幅為1.825 mm，南片梁跨中最大橫向振幅為1.672 mm。實(shí)測(cè)梁體跨中橫向振幅均小于《橋檢規(guī)》跨中橫向振幅通常值2.54 mm。實(shí)測(cè)梁跨中橫向加速度幅值均小于《橋檢規(guī)》跨中橫向加速度限值1.4 m/s2。

4.3橋墩自振頻率

就自振頻率的識(shí)別，目前國(guó)內(nèi)外常用的方法主要包括環(huán)境振動(dòng)法（脈動(dòng)法）、結(jié)構(gòu)自由衰減振動(dòng)法（余振法）和激振模態(tài)分析法（模態(tài)法）。由于橋墩在環(huán)境激勵(lì)下的響應(yīng)信號(hào)非常微弱、信噪比低，所以用環(huán)境振動(dòng)法很難識(shí)別出其自振頻率。另外，受車輛重量、道路不平順以及墩梁耦合等因素的影響，橋梁下部結(jié)構(gòu)在車輛作用下的余振響應(yīng)頻譜非常凌亂，也不易進(jìn)行模態(tài)識(shí)別。用模態(tài)法可以準(zhǔn)確識(shí)別出自振頻率，但是由于其操作復(fù)雜、使用成本高，所以一般不用于下部結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試。近年來北京交通大學(xué)戰(zhàn)家旺提出了利用沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法來測(cè)試橋梁和橋墩自振特性，該方法操作簡(jiǎn)單、測(cè)試速度快、識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確。

本次試驗(yàn)，分別利用余振法、脈動(dòng)法和沖擊振動(dòng)法識(shí)別橋墩自振頻率，比較3種方法之間識(shí)別結(jié)果的差別。以5#墩為例進(jìn)行說明（見圖5～圖9及表3）。

表1　梁跨中豎向振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2　梁跨中橫向振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5　5#墩余振響應(yīng)時(shí)程及頻譜圖

圖6　5#梁余振響應(yīng)時(shí)程及頻譜圖

圖7　5#墩脈動(dòng)響應(yīng)時(shí)程及頻譜圖

圖8　5#梁脈動(dòng)響應(yīng)時(shí)程及頻譜圖

圖9　5#墩橫向沖擊響應(yīng)時(shí)程及頻譜圖

從圖5中可以看出在5#墩頻譜圖在3.125 Hz處出現(xiàn)峰值，但觀察圖6可以看出，5#梁頻譜圖也在3.125 Hz處出現(xiàn)峰值，該值與梁的自振頻率識(shí)別值接近。因此利用余振法識(shí)別橋墩自振頻率時(shí)，容易將梁的頻率誤判為墩的自振頻率。

對(duì)于脈動(dòng)法的結(jié)果，從圖7中可以看出5#墩脈動(dòng)響應(yīng)峰值出現(xiàn)在2.25 Hz，與計(jì)算所得橋墩自振頻率接近。而5#梁脈動(dòng)響應(yīng)峰值也出現(xiàn)在2.25 Hz處，因此，對(duì)于剛性橋墩，脈動(dòng)法測(cè)得的卓越頻率一般為梁的頻率，而對(duì)于柔性墩，脈動(dòng)法測(cè)到的卓越頻率一般為墩的頻率。當(dāng)頻譜圖出現(xiàn)多個(gè)峰值時(shí)，只能主觀地將幅值較高的峰值對(duì)應(yīng)的卓越頻率確定為橋墩的自振頻率，不具有科學(xué)性。

表3　墩頂橫向振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果

利用沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法對(duì)橋墩進(jìn)行沖擊，其動(dòng)力響應(yīng)及頻譜圖見圖9。在2.23 Hz處滿足180°相位角條件，因此5#墩的橫向自振頻率為2.23 Hz?？梢姏_擊振動(dòng)法不僅能夠準(zhǔn)確識(shí)別柔性墩的頻率，也可對(duì)剛性墩的頻率進(jìn)行識(shí)別，且能排除梁與相鄰橋墩振動(dòng)的影響，識(shí)別結(jié)果較余振法、脈動(dòng)法更為準(zhǔn)確。如果不結(jié)合相位譜，僅僅利用響應(yīng)的幅值譜，很難從復(fù)雜的頻譜中確定橋墩的自振頻率，這是沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法的最大優(yōu)勢(shì)。

4.4墩頂動(dòng)撓度和動(dòng)應(yīng)變

在運(yùn)營(yíng)列車作用下，第3孔北、南兩片梁跨中動(dòng)撓度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，動(dòng)應(yīng)變統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5：從表4中可知，第3孔北、南兩片梁在C64K、C70A和C80列車作用下，實(shí)測(cè)跨中動(dòng)撓度最大值分別為9.217 mm、10.123 mm和12.279 mm。將C64K、C70A和C80列車荷載下梁體靜撓度折算到中-活載作用下的靜撓度見表6?？梢钥闯?，折算到中活載后的靜撓跨比均小于《橋檢規(guī)》規(guī)定的撓跨比限值1/1800。

從表5可以看出，第3孔北、南兩片梁中的4個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在C64K、C70A和C80列車作用下的動(dòng)應(yīng)變最大值分別為128.3 με、134.1 με和172.0 με。

由此可以得出，梁體處于線彈性階段，就梁體承載能力而言，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4.5支座橫向位移

在運(yùn)營(yíng)列車作用下，第3、4孔北側(cè)梁實(shí)測(cè)梁端支座橫向位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7。C64K、C70A和C80列車分別對(duì)應(yīng)的，第3～10孔梁滑動(dòng)端支座橫向位移最大值分別為0.328 mm、0.337 mm、0.301 mm。支座位移均小于《橋檢規(guī)》梁端支座位移限值2 mm。

表4　第3孔北、南兩片梁跨中動(dòng)撓度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表5　第3孔北、南兩片梁跨中動(dòng)應(yīng)變統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表6　跨中靜撓度折算結(jié)果

U446

B

1009-7716（2016）01-0076-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.022

2015-09-17

劉飛（1979-），男，山西朔州人，助理工程師，從事鐵路工務(wù)工程管理、病害整治及安全控制工作。