高速鐵路無砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)試驗(yàn)研究

李志明，唐錢龍

(1. 南昌公路橋梁工程有限公司，江西 南昌 330077； 2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

0 引 言

“四縱四橫”高速鐵路主骨架線路的開通運(yùn)營，標(biāo)志著中國高速鐵路建造技術(shù)達(dá)到了新的高度。為保證高鐵運(yùn)營的安全穩(wěn)定，越來越多高鐵線路采用“以橋代路”[1]的修筑模式，如京滬線橋梁占線路長度比例達(dá)80%以上[2]。由此，橋梁工程成為了鐵路建設(shè)的重要一環(huán)，而橋上無砟軌道鋪設(shè)也成為其主要關(guān)鍵技術(shù)。無砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)在高速行車荷載的沖擊下，過大變形及振動都會危及列車行車安全[3]，充分了解無砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)在列車行車激勵下的動力響應(yīng)顯得尤為重要。

關(guān)于高速列車作用下的無砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題，HE Xia等[4]建立了較為完善的力學(xué)模型；郜新軍、盛興旺等[5-6]從數(shù)值仿真角度對軌道-橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性及其影響因素等進(jìn)行研究。除此以外，現(xiàn)場試驗(yàn)的開展為無砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究提供寶貴數(shù)據(jù)。蔡超勛等[7]針對重載列車作用下的簡支梁動力響應(yīng)進(jìn)行測試，得到梁體撓度、應(yīng)變與大軸重列車加載的關(guān)系；黃志斌等[8]以福建南平建溪特大橋?yàn)檠芯繉ο螅F(xiàn)場測試了32 m簡支箱梁時的梁-軌動力響應(yīng)；劉鵬輝、楊宜謙等[9-10]基于多條高鐵測試數(shù)據(jù)，對設(shè)計速度200～250 km/h及300～350 km/h的簡支梁動力響應(yīng)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

然而，依靠現(xiàn)場測試手段對無砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)方面的研究依然較少，特別是針對軌道與橋梁協(xié)調(diào)變形方面的試驗(yàn)研究更加少見。以滬昆高鐵某無砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)為研究對象，布設(shè)精密監(jiān)測元件建立多斷面多結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，對無砟軌道結(jié)構(gòu)層與橋梁在列車行車激勵下的動力響應(yīng)進(jìn)行測試，獲得不同行車速度下無砟軌道-橋梁各結(jié)構(gòu)層的振動加速度及梁體動位移響應(yīng)規(guī)律，同時深入分析軌道結(jié)構(gòu)-橋面協(xié)調(diào)變形特性，進(jìn)一步為高鐵橋梁工程設(shè)計提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 工點(diǎn)概況

滬昆高速鐵路線路全長2 252 km，線上設(shè)計速度300～350 km/h，使用CRH380A(L)、CRH380B(L)等動車組車型。筆者選擇滬昆高鐵某無砟軌道橋梁處的三孔簡支箱梁為研究對象，如圖1。橋梁全長400.0 m，橋跨布置為12×32 m，全橋均采用高速鐵路中常用32.0 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋，截面類型為單箱單室等高度簡支箱梁，橋梁凈寬12.0 m，防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬8.8 m；中心處梁高3.05 m，兩側(cè)處梁高3.078 m；梁長32.5 m，計算跨度31.5 m，圖2為典型橋梁橫截面。橋墩采用圓端形橋墩，高度較小，基本約為3.2～4.8 m，橋臺采用矩形空心臺，基礎(chǔ)采用直徑1.0 m的鉆孔樁，樁長約為21～23 m。

圖1 測試大橋Fig. 1 The monitored bridge

高速鐵路橋上軌道采用CRTSⅡ型板式無砟軌道(圖3)，無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、砂漿調(diào)整層及支承層等部分組成，其結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。軌道板厚度200 mm，寬度2 550 mm，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行加固，混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C55，砂漿層厚度30 mm，采用水泥乳化瀝青砂漿，主要起到防震以及黏結(jié)軌道板與底座板的作用；底座板厚度300 mm，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖2 橋梁典型橫截面(單位：mm)Fig. 2 Typical cross-section of bridge

圖3 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道Fig. 3 CRTSII slab ballastless track

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)

選用標(biāo)定后的精細(xì)監(jiān)測元件及儀器，在高速鐵路列車運(yùn)營天窗期，進(jìn)場對典型橋梁斷面的鋼軌、軌道板、道床板、橋梁等不同結(jié)構(gòu)部位布置振動加速度與振動位移監(jiān)測元件，測試不同車型、不同時速列車激勵下無砟軌道-橋梁系統(tǒng)的動力響應(yīng)。

為考察橋梁不同橋跨以及橋跨不同典型斷面的動響應(yīng)規(guī)律，選擇與兩端橋臺分別相接的兩孔簡支梁及中間一孔簡支梁為測試對象(圖4)，對選定的3個簡支梁橋跨1/4跨、1/2跨(跨中)等關(guān)鍵斷面處布置監(jiān)測元件，建立多斷面多結(jié)構(gòu)層的監(jiān)測系統(tǒng)，不同斷面元件詳細(xì)布置見圖5。

圖4 橋跨監(jiān)測布置Fig. 4 Bridge span monitoring arrangement

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

通過加速度傳感器與速度傳感器可以監(jiān)測得到列車激勵下不同監(jiān)測斷面及不同測點(diǎn)的加速度與速度振動響應(yīng)情況。然而由于某些偶然因素(比如元件松動、元件安裝不當(dāng)?shù)?，導(dǎo)致部分監(jiān)測元件測得信號出現(xiàn)異常。為校核監(jiān)測點(diǎn)信號數(shù)據(jù)，利用DASP軟件對比監(jiān)測點(diǎn)的原始速度時程曲線與該點(diǎn)由加速度曲線積分得到的速度時程曲線，倘若兩速度曲線的幅值及振動規(guī)律基本一致，則可說明此點(diǎn)信號數(shù)據(jù)可用，如果出現(xiàn)較大偏差，說明該測點(diǎn)的加速度傳感器或者速度傳感器已經(jīng)出現(xiàn)問題。

圖6 監(jiān)測信號驗(yàn)證Fig. 6 Monitoring signal verification

`圖6(a)為橋面某監(jiān)測點(diǎn)在8編組列車通過時得到的速度時程曲線S1，圖6(b)為該橋面監(jiān)測點(diǎn)加速度曲線一次積分后得到的曲線S2。由圖可知，S1曲線最大速度為1.37×10-3m/s，而且輪對效應(yīng)非常明顯，S2曲線最大速度為1.31×10-3m/s，輪對效應(yīng)出現(xiàn)的時間節(jié)點(diǎn)與S1曲線時間節(jié)點(diǎn)基本一致，因此可以認(rèn)為原始速度監(jiān)測曲線和積分得到的速度曲線吻合，該點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)有效。采用此種方法可有效剔除異常數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)成果分析

運(yùn)用上述驗(yàn)證手段對行車激勵下無砟軌道-橋梁系統(tǒng)動力響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效校對，進(jìn)一步對軌道-橋梁系統(tǒng)在不同車速下的振動加速度與振動位移進(jìn)行統(tǒng)計，分析不同車速下各結(jié)構(gòu)層的振動響應(yīng)及其衰減特性以及軌道結(jié)構(gòu)與橋面的協(xié)調(diào)變形特性。

3.1 加速度響應(yīng)分析

列車激勵作用對軌道及橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動力沖擊，不僅影響軌道及橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能及使用壽命，并且對列車的運(yùn)行安全及乘客舒適性產(chǎn)生不利影響。為了盡量避免這種不利影響，《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：橋面豎向振動加速度要小于5 m/s2?？梢?，振動加速度是軌道結(jié)構(gòu)及橋梁動力特性的關(guān)鍵控制指標(biāo)。選取CRH380A-001列車經(jīng)過的測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計整理，深入分析豎向、橫向振動加速度響應(yīng)規(guī)律。

3.1.1 豎向振動加速度

圖7為典型測點(diǎn)豎向振動加速度時程曲線圖。當(dāng)輪對經(jīng)過測點(diǎn)時刻，測點(diǎn)出現(xiàn)振動峰值，此為“輪對效應(yīng)”。圖7(a)為鋼軌測點(diǎn)加速度時程曲線，時程曲線“輪對效應(yīng)”明顯，中間車廂相鄰轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生振動疊加，比車頭、車尾單轉(zhuǎn)向架振動加速度稍大，最大值約1 300 m/s2；圖7(b)為軌道板測點(diǎn)加速度時程曲線，軌道板與鋼軌振動規(guī)律基本一致，由于動力波在路基結(jié)構(gòu)層傳遞過程中的能量衰減，同時受軌道板尺寸結(jié)構(gòu)及材料特性影響，各時刻振動加速度較鋼軌要小，“輪對效應(yīng)”更不明顯，軌道板豎向振動加速度最大值約為30 m/s2。

圖7 典型測點(diǎn)豎向加速度時程曲線Fig. 7 Vertical acceleration time-history curve of typicalmeasuring points

圖8為6#簡支梁跨中各結(jié)構(gòu)層在不同行車速度下的豎向振動加速度測值。由圖8可知，在行車速度為290～350 km/h情況下，鋼軌、軌道板、底座板及橋面豎向振動加速度與行車速度的相關(guān)關(guān)系規(guī)律基本一致，即隨著列車行車速度的增大而增大，并且在列車速度320～340 km/h之間達(dá)到峰值，峰值后隨著列車速度的繼續(xù)增大而在一定范圍內(nèi)維持不變，這與文獻(xiàn)[6]研究結(jié)論一致。鋼軌豎向加速度平均值在1 500 m/s2左右，而軌道板、底座板及橋面平均值相繼為24、1.7、0.7 m/s2左右，可見，鋼軌與軌道結(jié)構(gòu)層的振動加速度響應(yīng)數(shù)量級相差較大，而橋面振動加速度小于5 m/s2，滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》。

圖8 不同行車速度下跨中結(jié)構(gòu)各層的豎向振動加速度Fig. 8 Vertical vibration acceleration of stratums of mid-span structures at different vehicle speeds

表1給出了6#跨中豎向振動加速度幅值范圍及結(jié)構(gòu)層間傳遞率。由表1可知，在CRH380A-001綜合檢測列車激勵作用下，鋼軌、軌道板、橋面板、橋面、墩臺及地面均產(chǎn)生不同程度的振動，其中梁體跨中鋼軌豎向振動加速度幅值高達(dá)693.89～1 734.20 m/s2，其傳遞給軌道板和底座板的傳遞率小于2%和12%，其余各層間傳遞率略高但均小于42%。由此可見，受扣件阻尼及軌道結(jié)構(gòu)材料動力性能影響，鋼軌傳遞給軌道及橋梁結(jié)構(gòu)的振動能量衰減很大。

表1 跨中豎向振動加速度幅值及層間傳遞率Table 1 Acceleration amplitude and interlayer transfer rate of vertical vibration in mid-span

3.1.2 橫向振動加速度

圖9給出了6 #各結(jié)構(gòu)層的不同行車速度下橫向振動加速度的變化情況。在行車速度為290～350 km/h情況下，各結(jié)構(gòu)層橫向振動加速度響應(yīng)數(shù)量級與豎向振動加速度基本一致，并且鋼軌振動加速度明顯大于軌道各結(jié)構(gòu)層振動加速度；另外鋼軌及各結(jié)構(gòu)層橫向振動加速度小于豎向振動加速度，與行車速度沒有明顯相關(guān)關(guān)系。梁體跨中鋼軌橫向加速度幅值為441 ～870 m/s2，見表2，其傳遞給軌道板的傳遞率為1.9%～5.3%，比豎向加速度傳遞率稍大，傳遞給底座板的傳遞率為3.5%～9.2%，比豎向加速度傳遞率稍小，其余各層間傳遞率略高但均小于63%。

圖9 不同行車速度下跨中結(jié)構(gòu)各層的橫向振動加速度Fig. 9 Transverse vibration acceleration of stratums of mid-span structures at different vehicle speeds

車型位置加速度幅值范圍/(m·s-2)層間傳遞率/%CRH380A-001鋼軌441.230～869.980—軌道板8.420～46.0101.9～5.3底座板0.776～1.6003.5～9.2橋面板0.357～0.64440.2～46.0墩(臺)頂0.223～0.33952.7～62.4地面0.023～0.07810.3～22.9

3.2 梁體豎向動位移響應(yīng)分析

針對無砟軌道結(jié)構(gòu)動力變形方面的研究較多[11-13]，而梁體動力變形的試驗(yàn)研究成果并不多見。橋梁作為軌道結(jié)構(gòu)的下部支承，其結(jié)構(gòu)變形直接影響到行車的安全性與舒適性，因此《高速鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范》對高速鐵路橋梁的變形提出了嚴(yán)格的要求。結(jié)合試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，考慮到梁體橫向動位移很小且無特別明顯規(guī)律，故以下針對梁體豎向動位移響應(yīng)進(jìn)行分析。

圖10給出了1#、6#及12#橋跨梁體測點(diǎn)在不同行車速度下的豎向動位移測值，其中圖10(a)為梁體跨中豎向動位移，圖10(b)為梁體1/4跨豎向動位移。當(dāng)測試列車以5 km/h速度通過橋梁時，由于列車速度很小，其引起梁體慣性力作用也很小，因此，可認(rèn)為1#孔、6#孔、12#孔梁體跨中截面的動位移為準(zhǔn)靜態(tài)豎向位移，其值分別為-0.541、-0.500、-0.527 mm。由圖10可知，在行車速度為290～350 km/h情況下，梁體跨中及1/4跨測點(diǎn)豎向動位移與列車行車速度沒有明顯相關(guān)關(guān)系，不同橋跨豎向動位移在320～340 km/h達(dá)到最大值，達(dá)到最大值后隨著車速的增加不再增加。1#、6#及12 #橋跨跨中豎向動位移測值在-0.439～-0.567 mm范圍內(nèi)變化，1/4跨豎向振動位移幅值范圍為-0.226～-0.426 mm，其中6 #橋跨跨中豎向動位移值普遍比1 #及12 #橋跨要小，而1/4跨豎向動位移值比1#及12#橋跨要大，這可能由不同橋跨結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致(1#、12#橋跨連接橋臺，而6#橋跨處于橋梁中間)。

圖10 梁體豎向動位移與行車速度關(guān)系Fig. 10 Relationship between vertical dynamic displacement of beam body and vehicle driving speed

為了進(jìn)一步分析梁體在不同行車速度列車作用下的變形特性，圖11分別繪制了1#、6#和12#的梁體跨中及1/4跨豎向動位移最大值與行車速度的關(guān)系。由圖11可知，在行車速度為290～350 km/h情況下，跨中與1/4跨豎向動位移最大值與受行車速度的影響不大，豎向動位移最大值隨行車速度的增加而基本與準(zhǔn)靜態(tài)位移持平，跨中豎向動位移最大值為1/4跨的1～2倍，其中1#、6#及12#梁體跨中最大豎向動位移分別為-0.554、-0.506、-0.567 mm，1#、6#及12#梁體1/4跨最大豎向動位移分別為-0.372、-0.426、-0.407 mm?！陡咚勹F路橋梁設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定高速鐵路橋梁在列車時速350 km/h下豎向最大位移不能超過L/1 600=0.02 m(L為跨度，文中取32 m)，可見該高速鐵路橋梁滿足設(shè)計規(guī)范要求。

圖11 梁體豎向動位移最大值與行車速度關(guān)系Fig. 11 Relationship between maximum vertical dynamic displacement of beam body and vehicle driving speed

3.3 軌道結(jié)構(gòu)-橋面協(xié)調(diào)變形分析

在行車激勵作用下，由于無砟軌道結(jié)構(gòu)軌道板與底座板以及底座板與梁體在結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)剛度等方面的不同，不同結(jié)構(gòu)層會產(chǎn)生變形差異，劣化軌道工作性能。通過在軌道板與底座板間、底座板與橋面板間布置差動式位移傳感器，獲得列車過橋時各結(jié)構(gòu)層間的相對動位移，揭示不同行車速度條件下軌道結(jié)構(gòu)-橋面的協(xié)調(diào)變形特性。

3.3.1 軌道板-底座板相對位移

圖12給出了1#、6#及12#簡支梁測點(diǎn)軌道板-底座板的豎向及橫向相對動位移值。由圖12可知，在行車速度為290～350 km/h情況下，軌道板-底座板豎向相對動位移隨行車速度的增大總體上呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，并且在列車速度330～340 km/h達(dá)到最大值，但有部分離散點(diǎn)；軌道板-底座板豎向相對動位移在0.02～0.244 mm幅值范圍內(nèi)變化，1#跨測值總體上要稍大于6#及12#測值。而軌道板-底座板橫向相對位移與行車速度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，這與列車激勵荷載主要為豎向荷載有關(guān)，其值在0.008～0.024 mm范圍內(nèi)變化，明顯要小于豎向相對動位移，同時6#跨測值總體上要稍小于6#及12#測值。

表3統(tǒng)計出了1#、6#及12#簡支梁測點(diǎn)軌道板-底座板的豎向及橫向相對動位移的最大值。由表3可知，在行車速度為290～350 km/h情況下，1#、6#及12#簡支梁跨中豎向相對動位移最大值在0.095～0.244 mm之間變化，并且隨著行車速度的增加總體呈現(xiàn)增大后減小趨勢，在車速320～340 km/h之間達(dá)到最大值，為0.244 mm；不同車速下跨中橫向相對動位移最大值在0.009～0.035 mm之間變化，與行車速度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，豎向相對位移最大值約為橫向的6～10倍。

圖12 軌道板-底座板相對位移Fig. 12 Track plate-base plate relative displacement

測點(diǎn)位置列車經(jīng)過測點(diǎn)時速度/(km·h-1)5290300310320340350跨中豎向/mm1#0.2090.1800.1870.1360.2090.2440.1456#0.1170.1670.1210.1050.1380.1920.05612#0.1310.1180.0950.1040.1420.2400.066跨中橫向/mm1#0.0360.0230.0350.0170.0190.0280.0246#—0.0090.0110.0120.0120.0110.01312#—0.0220.0180.0170.0240.0330.016

3.3.2 底座板-橋面相對位移

軌道板通過CA砂漿層與底座板黏結(jié)，軌道板與底座板的相對動位移規(guī)律揭示了動力荷載作用下，不同材料特性的結(jié)構(gòu)層由于輪對作用動力波傳遞的時效性導(dǎo)致變形存在時間滯后，進(jìn)而引起不同結(jié)構(gòu)層的相對變形。橋面板作為無砟軌道鋪設(shè)的基礎(chǔ)，橋面與底座板的相對變形同樣影響軌道工作性能。圖13給出了1#、6#及12#簡支梁測點(diǎn)底座板-橋面的豎向及橫向相對位移值。由圖13可知，在行車速度為290～350 km/h情況下，底座板-橋面豎向及橫向相對動位移與行車速度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，測值點(diǎn)較為離散，豎向相對動位移在0.005～0.024 mm幅值范圍內(nèi)變化，橫向相對動位移在0.003～0.017 mm范圍變化。

表4統(tǒng)計出了1#、6#及12#簡支梁測點(diǎn)底座板-橋面的豎向及橫向相對動位移的最大值。由表4可知，在行車速度為290～350 km/h情況下，1#、6#及12#簡支梁跨中豎向相對動位移最大值在0.009～0.024 mm之間變化，受行車速度的影響不大；不同車速下跨中橫向相對動位移最大值在0.005～0.017 mm之間變化，跨中豎向相對動位移最大值約為橫向的1～2倍。

通過以上對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，軌道板-底座板與底座板-橋面相對動位移都很小，基本處在毫米級以下。然而值得注意的是，在列車長期動力循環(huán)加卸載條件下，此種相對位移可能引起不可忽視的塑性累積變形，進(jìn)而導(dǎo)致軌道線路彎曲，劣化軌道工作形態(tài)，影響列車安全運(yùn)行。

表4 列車不同行車速度下底座板-橋面板相對位移最大值Table 4 Maximum relative displacement of the base plate-deck plate at different driving speeds of the train

圖13 底座板-橋面板相對位移Fig. 13 Base plate-deck plate relative displacement

4 結(jié) 論

針對滬昆高鐵某32.0 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)應(yīng)力簡支箱梁進(jìn)行動力響應(yīng)測試，研究該無砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)振動加速度、梁體豎向動位移以及軌道結(jié)構(gòu)-橋面協(xié)調(diào)變形特性，得到以下結(jié)論：

1)在行車速度為290～350 km/h情況下，該預(yù)應(yīng)力簡支箱梁梁體跨中豎向振動加速度隨著列車行車速度的增大而增大，并且在列車速度320～340 km/h之間達(dá)到峰值，峰值后隨著列車速度的繼續(xù)增大而在一定范圍內(nèi)維持不變；梁體跨中各結(jié)構(gòu)層豎向加速度大于橫向加速度，且鋼軌與軌道結(jié)構(gòu)層的加速度響應(yīng)數(shù)量級相差較大。

2)梁體跨中各層結(jié)構(gòu)的豎向、橫向加速度從上至下呈現(xiàn)十分明顯的逐級減小趨勢，振動衰減較為明顯，鋼軌傳遞振動給軌道板和底座板的傳遞率偏小，由橋面板傳給墩臺的傳遞率較高。

3)在行車速度為290～350 km/h情況下，該預(yù)應(yīng)力簡支箱梁梁體跨中及1/4跨測點(diǎn)豎向動位移與列車行車速度沒有明顯相關(guān)關(guān)系，跨中豎向動位移測值在-0.439～-0.567 mm范圍內(nèi)變化，1/4跨豎向振動位移幅值范圍為-0.226～-0.426 mm，振動變形滿足《高速鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范》要求。

4)軌道板-底座板間相對動位移遠(yuǎn)大于底座板-橋面板間相對動位移，豎向相對動位移均大于橫向相對動位移。在行車速度為290～350 km/h情況下，1#、6#及12#簡支梁軌道板-底座板跨中豎向相對動位移最大值為0.244 mm，底座板-橋面板跨中豎向相對動位移最大值為0.024 mm。長期動力循環(huán)加卸載條件下，此種相對動位移可能引起此類無砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)不可忽視的塑性累積變形，劣化軌道工作形態(tài)，影響列車行車安全。