重載運(yùn)輸條件下橋梁橫向振動(dòng)控制措施

董延?xùn)|

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 原平分公司，山西 原平 034100）

重載運(yùn)輸條件下橋梁橫向振動(dòng)控制措施

董延?xùn)|

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 原平分公司，山西 原平 034100）

隨著我國(guó)重載運(yùn)輸?shù)某掷m(xù)發(fā)展，列車(chē)編組增加、車(chē)輛軸重增大、運(yùn)營(yíng)密度增大，現(xiàn)役部分橋梁出現(xiàn)不同程度橫向振動(dòng)超限現(xiàn)象，對(duì)行車(chē)安全造成一定影響。以朔黃鐵路4種典型墩梁體系為研究對(duì)象，對(duì)墩梁體系橫向振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：橋墩橫向剛度對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)影響較大，對(duì)墩梁同時(shí)進(jìn)行加固在控制橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅、提高橋梁整體橫向剛度方面效果明顯。

重載運(yùn)輸；橋梁；墩梁體系；橫向振動(dòng)；加固技術(shù)

0 引言

重載運(yùn)輸與常規(guī)的鐵路運(yùn)輸相比較，主要特點(diǎn)是列車(chē)編組逐漸增加、軸重增大、運(yùn)營(yíng)密度逐漸增大[1-3]，隨之而來(lái)的則是對(duì)橋梁沖擊作用的加大，致使橋梁結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)加劇，甚至對(duì)重載運(yùn)輸?shù)男熊?chē)安全產(chǎn)生威脅。

通過(guò)對(duì)朔黃鐵路橋梁日常巡查，發(fā)現(xiàn)部分橋跨結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向振幅過(guò)大的現(xiàn)象。將結(jié)構(gòu)型式占總數(shù)量85%以上的梁體、橋墩及基礎(chǔ)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，按3種主要梁型和4種墩型組合為4種典型墩梁體系：（1）32 m T梁＋單線(xiàn)單圓柱式高墩（組合體系1）；（2）32 m T梁＋單線(xiàn)單圓柱式橋墩（組合體系2）；（3）24 m T梁＋單線(xiàn)矩形板式橋墩（組合體系3）；（4）16 m T梁＋單線(xiàn)單圓柱式低墩（組合體系4）。利用有限元分析軟件ANSYS建立加固前后墩梁體系的車(chē)-橋耦合振動(dòng)模型，對(duì)加固方法及加固前后橋梁體系的振動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，并選取典型橋梁進(jìn)行運(yùn)營(yíng)性能試驗(yàn)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)加固前后振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試，對(duì)加固技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為今后重載鐵路橋梁橫向振動(dòng)控制提供技術(shù)支持。

1 墩梁體系橫向振動(dòng)分析

為了對(duì)中小跨度分片式混凝土T梁墩梁體系進(jìn)行模擬，首先需建立橋梁的動(dòng)力計(jì)算模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力條件，在A(yíng)NSYS分析軟件中采用空間分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和計(jì)算，重點(diǎn)模擬結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和邊界條件，與實(shí)際結(jié)構(gòu)盡量吻合。在建立模型時(shí)發(fā)現(xiàn)，若只對(duì)T梁進(jìn)行單獨(dú)建模，計(jì)算得到的梁體橫向和豎向自振頻率較高；若按橋梁結(jié)構(gòu)建立包括橋墩在內(nèi)的全跨結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向和豎向自振頻率進(jìn)行分析，與僅考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)相比，則橫向自振頻率降低較多，豎向自振頻率變化不大。這是由于墩梁體系的橫向剛度低于梁體自身橫向剛度，而橋墩的豎向抗壓剛度明顯大于橋墩的橫向抗彎剛度。在只考慮橋墩作用的情況下，橋墩的縱向與橫向自振頻率相對(duì)較大，在同時(shí)考慮T梁對(duì)橋墩影響的情況下，由于T梁增加了橋墩頂部的質(zhì)量，但對(duì)橋墩的剛度影響較小，故橋墩的縱向、橫向自振頻率降低較多。因此在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)特性分析時(shí)，應(yīng)建立整孔墩梁體系有限元計(jì)算模型。

1.1 有限元模型

單片T梁、兩片梁之間的橫隔板、端隔墻、橋墩、加固用的隔板采用塊體元模擬；橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用索單元模擬；梁體二期恒載采用質(zhì)量單元進(jìn)行模擬。按簡(jiǎn)支梁設(shè)置約束條件，將梁體一端3個(gè)方向的平動(dòng)自由度與墩頂節(jié)點(diǎn)耦合，另一端將橫向和豎向2個(gè)自由度與墩頂耦合，但縱向自由度不耦合。橋墩底部采用固結(jié)方式。通過(guò)子空間迭代法計(jì)算橋梁加固前后的橫向自振頻率和振型等動(dòng)力特性進(jìn)行比較。

1.1.1 梁體橫向加固

為確保梁體橫向連接剛度，采用預(yù)應(yīng)力板對(duì)橫隔板進(jìn)行加固[4-5]，具體加固示意見(jiàn)圖1。

32 m梁具體加固措施為：梁端隔墻處上下各加1塊鋼筋混凝土板，板厚、寬分別為0.35 m、1.2 m。距離梁端3 m的位置加含4束橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的水平板，板寬、厚分別為1.1 m、0.31 m；梁端第1道橫隔板加寬0.38 m，并在上下變截面處各加1束橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，中間橫隔板梗肋處各加含4束預(yù)應(yīng)力鋼筋的水平板，板寬、厚分別為1.4 m、0.31 m。

24 m梁具體加固措施為：梁端隔墻處上下各加1塊鋼筋混凝土板，板厚、寬分別為0.35 m、1.2 m。距離梁端3 m的位置加含4束橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的水平板，板寬、厚分別為1.1 m、0.31 m；梁端第1道橫隔板加寬0.38 m，并在上下變截面處各加1束橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，第2道橫隔板梗肋處加含4束預(yù)應(yīng)力鋼筋的水平板，板寬、厚分別為1.4 m、0.31 m。中間橫板梗肋處加含2束預(yù)應(yīng)力鋼筋的水平板，板寬、厚分別為0.8 m、0.31 m。

16 m梁具體加固措施為：每道橫隔板在腹板上、下邊緣處各加1束預(yù)應(yīng)力鋼筋，橫隔板重新澆筑。

圖1 T梁橫向連接加固示意圖

3種梁型加固過(guò)程中，橫向預(yù)應(yīng)力采用無(wú)粘結(jié)1860鋼絞線(xiàn)，鋼絞線(xiàn)最大公稱(chēng)直徑為15.24 mm，加固用混凝土為C50。

1.1.2 橋墩加固

4種墩梁體系加固結(jié)構(gòu)型式及加固方法統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。為了分析墩梁之間橫向剛度的相互影響，分析單獨(dú)加固梁體、單獨(dú)加固橋墩及墩梁體系加固時(shí)梁體及橋墩的橫向剛度。

表1 4種墩梁體系加固結(jié)構(gòu)形式及加固方法

1.2 計(jì)算結(jié)果

以墩梁體系為對(duì)象進(jìn)行加固，4種橋型加固前后梁體橫向線(xiàn)剛度、橫向自振頻率對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2可知，當(dāng)墩梁體系整體考慮時(shí)，同一種跨度T梁由于擱置在不同剛度的橋墩上，對(duì)T梁的橫向自振頻率影響較大。對(duì)于組合體系1，由于橋墩高、墩身橫向自振頻率低，故墩頂上的32 m T梁加固前墩梁體系橫向自振頻率、橫向線(xiàn)剛度僅為1.22 Hz、284.31 kN/cm；對(duì)于組合體系2，由于橋墩矮、墩身橫向自振頻率較高，故該墩梁體系加固前橫向自振頻率、橫向線(xiàn)剛度為2.15 Hz、638.65 kN/cm。因此，墩身的橫向抗彎剛度對(duì)墩梁體系的橫向自振頻率和橫向線(xiàn)剛度影響較大，為減小運(yùn)營(yíng)列車(chē)通過(guò)時(shí)橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅，除對(duì)梁體進(jìn)行橫向加固以提高梁體橫向剛度外，對(duì)橋墩進(jìn)行橫向加固是十分必要和有效的。

表2 梁體橫向線(xiàn)剛度、橫向自振頻率對(duì)比

加固后墩梁體系線(xiàn)剛度提高1.24～4.20倍，自振頻率提高65%～241%，均滿(mǎn)足規(guī)范限值要求，加固效果明顯。

以墩梁體系為對(duì)象進(jìn)行加固后，4種橋型加固前后橋墩橫向線(xiàn)剛度及橫向自振頻率計(jì)算結(jié)果與規(guī)范對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 橋墩橫向線(xiàn)剛度、橫向自振頻率與《鐵路橋梁檢定規(guī)范》限值對(duì)比

由表3可知，當(dāng)墩梁體系整體考慮時(shí)，加固后橋墩線(xiàn)剛度提高3.13～4.93倍，橋墩橫向線(xiàn)剛度提高83.9%～174.0%，加固效果明顯。

對(duì)梁體豎向剛度進(jìn)行分析，加固前后梁體豎向自振頻率計(jì)算統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 加固前后梁體豎向自振頻率計(jì)算統(tǒng)計(jì)

由表4可知，當(dāng)墩梁體系整體考慮時(shí)，不同跨度雙T梁在加固前后梁體自身的豎向自振頻率變化較小。T梁加固措施僅對(duì)橋梁的橫向剛度有顯著效果，但對(duì)橋梁的豎向剛度無(wú)明顯影響。

2 運(yùn)營(yíng)性能試驗(yàn)分析

橋梁的橫向剛度特性可以由結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)特性關(guān)系來(lái)反映，《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[6]中明確規(guī)定了橋梁跨中橫向振幅通常值、安全限值、跨中橫向加速度限值以及墩頂橫向振幅通常值。以下統(tǒng)計(jì)分析4種橋型在C80型敞車(chē)編組重載列車(chē)通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，橋跨跨中位置和橋墩墩頂?shù)臋M向振幅最大值。組合體系1選取朔黃鐵路恢河特大橋第23#—25#梁、22#—25#墩進(jìn)行運(yùn)營(yíng)性能測(cè)試；組合體系2選取朔黃鐵路蘆溝特大橋第14#—15#孔梁、13#—15#墩進(jìn)行運(yùn)營(yíng)性能測(cè)試；組合體系3選取朔黃鐵路跨京廣鐵路特大橋第19#梁、18#—19#墩進(jìn)行運(yùn)營(yíng)性能測(cè)試；組合體系4選取朔黃鐵路小唐河大橋第3#梁、2#—3#墩進(jìn)行運(yùn)營(yíng)性能測(cè)試。橋梁橫向振幅實(shí)測(cè)值見(jiàn)表5。

由表5可知，4種橋型加固前梁體跨中橫向振幅和墩頂橫向振幅接近或超過(guò)規(guī)范限值，對(duì)行車(chē)安全造成一定影響；加固后橋梁橫向剛度得到明顯提高，跨中橫向振幅和墩頂橫向振幅明顯降低，測(cè)試孔跨跨中橫向振幅抑制比達(dá)到0.54～0.83，墩頂橫向振幅抑制比達(dá)到0.36～0.65，測(cè)試孔跨跨中及墩頂橫向振幅均小于規(guī)范限值，滿(mǎn)足規(guī)范要求。測(cè)試數(shù)據(jù)表明加固后橋梁結(jié)構(gòu)橫向剛度提高較大，加固效果明顯。4種橋型加固前后墩梁體系橫向自振頻率實(shí)測(cè)值見(jiàn)表6。

表5 橋梁橫向振幅實(shí)測(cè)值

由表6可知，對(duì)梁體和橋墩進(jìn)行加固后，4種橋型的墩梁體系橫向自振頻率實(shí)測(cè)值大幅提高，提高比例為32%～86%，加固效果明顯。

表6 4種橋型加固前后墩梁體系橫向自振頻率實(shí)測(cè)值

3 結(jié)論

選取運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)橫向振動(dòng)過(guò)大的朔黃鐵路4種典型墩梁體系作為研究對(duì)象，采用有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)振動(dòng)過(guò)大原因及加固措施進(jìn)行研究分析，主要結(jié)論如下：

（1）墩身的橫向抗彎剛度對(duì)墩上梁體的橫向自振頻率和橫向線(xiàn)剛度影響較大，為減小運(yùn)營(yíng)列車(chē)通過(guò)時(shí)橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振幅，除對(duì)梁體進(jìn)行橫向加固提高梁體橫向剛度外，對(duì)橋墩進(jìn)行橫向加固也是十分必要和有效的。

（2）有限元分析結(jié)果表明，同時(shí)加固橋墩及梁體結(jié)構(gòu)后，梁體橫向線(xiàn)剛度提高1.24～4.20倍，加固前梁體橫向自振頻率均不滿(mǎn)足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》限值要求，加固后梁體橫向自振頻率提高65%～241%，均滿(mǎn)足規(guī)范限值要求，加固效果明顯。但加固前后不同跨度雙T梁豎向自振頻率變化較小，豎向剛度提高不明顯。

（3）實(shí)測(cè)結(jié)果表明，4種橋型加固后橋梁橫向剛度得到明顯提高，跨中橫向振幅和墩頂橫向振幅明顯降低，測(cè)試孔跨跨中橫向振幅抑制比達(dá)到0.54～0.83，墩頂橫向振幅抑制比達(dá)到0.36～0.65。加固后測(cè)試孔跨跨中及墩頂橫向振幅均小于規(guī)范限值，滿(mǎn)足規(guī)范要求，表明加固后橋梁結(jié)構(gòu)橫向剛度提高較大，加固效果明顯。

[1] 錢(qián)立新. 世界鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)的最新進(jìn)展[J]. 世界軌道交通，2007(12)：20-23.

[2] 龍衛(wèi)國(guó). 既有重載鐵路橋梁提高軸重適應(yīng)性研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.

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[4] 李保龍. 重載運(yùn)輸條件下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁加固方法研究[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，29(2)：33-37.

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Measures to Contro l Lateral Vibration o f Bridge for Heavy Hau l Transport

DONG Yandong
（Yuanping Branch，Shuohuang Railway Development Co Ltd，Yuanping Shanxi 034100，China）

Along with the continuous development of heavy haul transport in China, train formation is enlarged,axle load is increased and operation interval is reduced, some bridges in service are suffering from excessive lateral vibration, which endangers operation safety. The author focuses on four typical pier-girder systems on Shuohuang Railway and researches technologies to control lateral vibration. The results show that lateral rigidity of pier have great influence to lateral vibration of bridge, and strengthening both pier and bridge has remarkable e ff ect on controlling lateral vibration and improving integral lateral rigidity.

heavy haul；bridge；pier-girder system；lateral vibration；strengthening technology

U445.7+2

A

1001-683X（2017）09-0104-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.104

董延?xùn)|（1982—），男，工程師。E-mail：89675527@qq.com

責(zé)任編輯 李葳

2017-01-21