南京大勝關(guān)長江大橋主梁加速度響應(yīng)的長期監(jiān)測(cè)與分析

惠汝海 陳斌

（1.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038；2.中鐵大橋（南京）橋隧診治有限公司，南京 210061）

鐵路橋梁振動(dòng)加速度過大不僅會(huì)影響橋梁的使用壽命和軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也會(huì)影響運(yùn)行列車的安全性和舒適性。關(guān)于橋梁振動(dòng)加速度的限值，我國鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定［1］，橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動(dòng)加速度不應(yīng)超過1.4 m/s2。參考國外對(duì)橋梁振動(dòng)加速度的限值要求，我國TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)橋面的最大豎向加速度做出規(guī)定［2］：有砟軌道不應(yīng)超過3.5 m/s2，無砟軌道不應(yīng)超過5.0 m/s2。

設(shè)定鐵路橋梁振動(dòng)響應(yīng)限值的目的在于確保軌道線路（包括道床等）的長期穩(wěn)定與列車運(yùn)營安全（防止跳軌）。但該限值在大跨度鐵路橋梁上如何應(yīng)用尚無明確要求，主要有2 方面的原因。一是大跨度橋梁設(shè)計(jì)條件不一，結(jié)構(gòu)形式多樣，其中僅橋面寬度就可在十幾米至幾十米范圍內(nèi)變化，橋面振動(dòng)加速度限值在橋面上對(duì)應(yīng)的具體位置難以統(tǒng)一［3］。二是實(shí)際運(yùn)營過程中，大跨度橋梁整體振動(dòng)的加速度遠(yuǎn)小于該限值，而橋面的局部振動(dòng)加速度又因受諸多干擾而難以準(zhǔn)確測(cè)量。因此，在運(yùn)營階段，自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在被學(xué)術(shù)界和工程界廣泛接受并應(yīng)用［4］。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

南京大勝關(guān)長江大橋是京滬高速鐵路、滬漢蓉鐵路及南京地鐵S3 號(hào)線（寧和線）的共用越江通道。主橋長1 615 m，采用2 聯(lián)（84＋84）m 連續(xù)鋼桁梁＋6 跨（108＋192＋336＋336＋192＋108）m 連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)［5］。主跨336 m，鋼桁拱矢高84 m，矢跨比1/4，拱頂處桁高12 m，拱腳處桁高53 m；邊跨連續(xù)鋼桁梁桁高16 m，節(jié)間長均為12 m。橋梁橫立面布置見圖1。

圖1 橋梁橫立面布置（單位：m）

橋梁結(jié)構(gòu)橫向由3片主桁組成，主桁中心距15 m，上游側(cè)為兩線滬漢蓉鐵路，下游側(cè)為兩線京滬高速鐵路，兩邊桁的外側(cè)挑懸臂托架為地鐵行車道。橋梁橫截面布置見圖2。2011 年1 月11 日，滬漢蓉鐵路開通運(yùn)營；同年6 月30 日，京滬高速鐵路開通運(yùn)營；南京地鐵S3 號(hào)線（寧和線）暫未開通，橋面也未鋪設(shè)鋼軌。目前滬漢蓉鐵路每天通行列車約44 對(duì)，過橋車速145～295 km/h，通常車速為205 km/h；京滬高速鐵路約78 對(duì)，過橋車速165～300 km/h，通常車速為245 km/h。

圖2 橋梁橫截面布置（單位：m）

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

南京大勝關(guān)大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2011 年6月建設(shè)完成并投入使用，對(duì)主橋重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部位實(shí)施長期在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容有：橋址環(huán)境監(jiān)測(cè)、鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè)、位移變形監(jiān)測(cè)、特殊部位監(jiān)測(cè)、行車監(jiān)測(cè)［6］。部分監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置見表1。

表1 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2 主梁加速度分析

橋梁振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)布置見圖3。其中豎向振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)分別位于主橋各跨跨中截面，即截面2，4，11，15，18，20；橫向振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)分別位于主跨和次邊跨跨中截面，即截面4，11，15，18。

圖3 橋梁振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)截面布置（單位：m）

以北京側(cè)主跨跨中（截面11）為代表測(cè)點(diǎn)，在列車過橋時(shí)進(jìn)行主梁橫橋向加速度和豎向加速度的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖4?？芍?，列車過橋時(shí)主梁橫橋向和豎向振動(dòng)加速度響應(yīng)明顯，單一列車過橋時(shí)的加速度振動(dòng)響應(yīng)對(duì)稱分布良好，起始到衰減過程明顯，信噪比較高。限于篇幅，本文僅以北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度（JSD-11-04）為例對(duì)大勝關(guān)長江大橋振動(dòng)加速度響應(yīng)進(jìn)行深入分析［7］。

圖4 北京側(cè)主跨跨中主梁橫向及豎向加速度時(shí)程曲線

2.1 工況劃分

根據(jù)車-線-橋耦合理論，列車過橋時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)主要跟列車、線路、橋梁等3 方面因素有關(guān)［8］。為研究列車過橋時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度響應(yīng)變化規(guī)律，根據(jù)目前大橋運(yùn)行情況，按照行駛線路、行駛方向和列車編組等3個(gè)因素，將每天列車過橋狀況劃分為9種工況。列車過橋工況劃分及各工況單日過車頻次見表2，其中工況1—8為單一列車過橋工況。

表2 列車過橋工況劃分及各工況單日過車頻次

2.2 峰值分析

以工況1 為例進(jìn)行峰值分析。按20 Hz 低通濾波提取其加速度峰值，并進(jìn)行概率密度統(tǒng)計(jì)，見圖5?？芍?，單一列車過橋工況下，列車引起的加速度峰值集中在固定的變化區(qū)間，且服從正態(tài)分布。橫向加速度峰值最大為0.030 m/s2，峰值概率密度最大對(duì)應(yīng)加速度為0.016 m/s2，均遠(yuǎn)小于鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)規(guī)定的橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動(dòng)加速度amax不應(yīng)超過1.4 m/s2的規(guī)定［1，9-10］。

圖5 單一列車過橋作用下（工況1）北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度（JSD-11-04）峰值分析

2.3 加速度峰值與車速相關(guān)性分析

鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)對(duì)橫向振動(dòng)加速度的限定適用于旅客列車行駛速度最高不超過200 km/h 的條件［1］，而實(shí)際運(yùn)營時(shí)，京滬高速鐵路和滬漢蓉鐵路的通常過橋車速都超過了200 km/h。為評(píng)價(jià)高速行駛條件下橋梁和列車的運(yùn)營安全性，選取京滬線的工況1 和滬漢蓉線的工況5，進(jìn)行橫向振動(dòng)加速度峰值與列車車速的相關(guān)性分析，見圖6?？芍铀俣确逯蹬c車速不存在線性相關(guān)性，而是密集分布在2～3 個(gè)通常運(yùn)營車速區(qū)間范圍內(nèi)，且通常運(yùn)營車速區(qū)間范圍內(nèi)的加速度峰值集中程度不高，離散性較大。

圖6 單一列車過橋作用下北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度（JSD-11-04）峰值與車速相關(guān)性分析

2.4 加速度峰值與軸重相關(guān)性分析

為保證列車行車安全，大勝關(guān)長江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未能在軌道上安裝傳感器直接對(duì)列車軸重進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為進(jìn)一步分析加速度峰值密集分布在通常車速區(qū)間而離散性較大的原因，通過截面11處下橫梁在不同工況作用下的局部應(yīng)變大小來間接測(cè)量列車軸重，見圖7?？芍?，不同工況下，同一測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程峰值和峰值數(shù)量明顯不同，可以間接反映列車軸重和軸數(shù)［11］。

圖7 單一列車過橋作用下北京側(cè)主跨跨中下游側(cè)下橫梁典型應(yīng)變時(shí)程曲線

選取工況1 和工況5 作用下，橫向振動(dòng)加速度峰值與截面11 處下橫梁的局部應(yīng)變（列車軸重）進(jìn)行相關(guān)性分析，見圖8。其中，工況1 的車速區(qū)間為242～248 km/h，工況5為200～210 km/h。

圖8 單一列車過橋作用下北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度（JSD-11-04）峰值與列車軸重相關(guān)性分析

采用線性相關(guān)性模型y=kx+b對(duì)二者進(jìn)行線性擬合。其中，x為局部應(yīng)變，y為橫向振動(dòng)加速度峰值，k為比例系數(shù)，b為截距。對(duì)工況 1，取k=0.000 3，b=-0.001，則工況 1 的擬合優(yōu)度r=0.41；對(duì)工況 5，取k=0.000 3，b=-0.006，則工況 5 的擬合優(yōu)度r=0.50。同一工況在保持車速相對(duì)不變的情況下，0.4＜r＜0.8，表明橋梁橫向振動(dòng)加速度峰值與列車軸重存在線性相關(guān)性，但并不顯著。根據(jù)車-線-橋耦合理論，認(rèn)為其主要原因與軌道的幾何線形有關(guān)。由于軌道線形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏，有待進(jìn)一步完善研究。

2.5 多列車交匯工況分析

若2 列及以上列車同時(shí)在橋上行駛，可任意組合成72 種組合。本文以北京側(cè)主跨跨中下橫梁進(jìn)行典型分析。根據(jù)其局部應(yīng)變響應(yīng)的變化規(guī)律，將交匯工況分為動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)無疊加和動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加2 大類，見圖9?？芍?，動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)無疊加的工況表示列車未在北京側(cè)主跨跨中交匯，應(yīng)變時(shí)程表現(xiàn)為多個(gè)獨(dú)立的波峰，且各個(gè)波峰峰值相差不大；動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加的工況表示列車剛好在北京側(cè)主跨跨中交匯，應(yīng)變峰值約為單一列車過橋工況下應(yīng)變峰值的2 倍。

圖9 交匯工況下北京側(cè)主跨跨中下游側(cè)下橫梁典型應(yīng)變時(shí)程

動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)無疊加交匯工況下橫向加速度峰值分析見圖10?？芍瑒?dòng)應(yīng)變響應(yīng)無疊加交匯工況下，橫向加速度峰值變化規(guī)律與單一列車過橋工況類似，集中在固定的變化區(qū)間，且服從正態(tài)分布；與單一列車過橋工況相比，其橫向加速度峰值略大，最大值為0.033 m/s2，峰值概率密度最大處對(duì)應(yīng)的加速度為0.019 m/s2。

圖10 動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)無疊加交匯工況下北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度（JSD-11-04）峰值分析

動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加交匯工況下橫向加速度峰值分析見圖11?？芍瑒?dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加交匯工況下，橫向加速度峰值較為離散；相比單一列車過橋工況，其橫向加速度峰值明顯偏大，最大值為0.042 m/s2，約為單一列車過橋工況的1.4倍。加速度峰值概率密度呈現(xiàn)雙峰特性，概率密度最大處對(duì)應(yīng)的加速度為0.027 m/s2，約為單一列車過橋工況的1.6 倍。該交匯工況下，加速度峰值未呈現(xiàn)線性增加的現(xiàn)象，認(rèn)為跟實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)下2列及以上列車交匯時(shí)的激振頻率很難完全同步有關(guān)。

圖11 動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加交匯工況下北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度（JSD-11-04）峰值分析

綜上，在目前的運(yùn)行條件下，大勝關(guān)橋梁橫向振動(dòng)加速度峰值未發(fā)現(xiàn)線性增加或激增的現(xiàn)象，加速度響應(yīng)正常，能保證列車的行車安全。

3 結(jié)論

本文以南京大勝關(guān)長江大橋北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度（JSD-11-04）為例，研究了列車過橋時(shí)的加速度峰值，分析了加速度峰值與列車車速、與軸重等的相關(guān)性。大勝關(guān)長江大橋其他加速度測(cè)點(diǎn)也有類似的結(jié)果。分析表明：

1）在單一列車過橋工況下，列車引起的加速度峰值集中在固定的變化區(qū)間，且服從正態(tài)分布。

2）列車過橋時(shí)，橋梁振動(dòng)加速度峰值與車速不存在線性相關(guān)性。

3）車速相對(duì)不變的情況下，橫向振動(dòng)加速度峰值與列車軸重存在線性相關(guān)性。

4）動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加交匯工況下，加速度峰值約為單一列車工況的1.4倍。結(jié)合振動(dòng)加速度峰值與列車軸重的線性相關(guān)性特點(diǎn)，可為修訂既有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警閾值提供依據(jù)，使系統(tǒng)更便于指導(dǎo)橋梁管養(yǎng)和列車安全運(yùn)營。

5）針對(duì)今后健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或升級(jí)，可以利用加速度峰值間接評(píng)估列車過橋時(shí)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，減少結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置，節(jié)省投資。

6）橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，可以進(jìn)一步融合軌道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，為橋區(qū)軌道的幾何形位控制和軌道養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。