臺(tái)風(fēng)作用下高速鐵路系桿拱橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)實(shí)測(cè)研究

陸滿成 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科技和信息化部

1 背景簡(jiǎn)介

京滬高鐵錫澄運(yùn)河橋?yàn)橄裙昂罅轰摴芑炷料禇U拱橋，位于江蘇省無錫市，運(yùn)營(yíng)里程為K1186+849，為下承式平行系桿拱橋，梁孔長(zhǎng)100 m，矢跨比為1/5，拱肋平面內(nèi)矢高19.2 m，2009年10月1日全橋合攏，2011年6月30日通車運(yùn)營(yíng)。

2017 年4 月20 日該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)試完成并投入使用，全橋在9 個(gè)截面布置了80 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)變、撓度、吊桿力和振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)（測(cè)點(diǎn)布置見圖1）。

圖1 錫澄運(yùn)河橋測(cè)點(diǎn)布置圖

2019年8月9 日，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”從浙江登陸，途經(jīng)浙江、江蘇、山東后減弱為熱帶低壓，本文通過該橋附近K1185+002 高鐵防災(zāi)系統(tǒng)風(fēng)速儀監(jiān)測(cè)的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，結(jié)合該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)臺(tái)風(fēng)作用下高速鐵路系桿拱橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究。

2 錫澄運(yùn)河橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)實(shí)測(cè)及分析

2.1 臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)記錄情況

本次“利奇馬”臺(tái)風(fēng)從8月9日至8月12日經(jīng)過該橋，8月10 日17：23 分風(fēng)速儀監(jiān)測(cè)到最大風(fēng)速為19.2 m/s，風(fēng)力等級(jí)對(duì)應(yīng)為 8 級(jí)。臺(tái)風(fēng)期間，8 月 9 日 10：50 分至 8 月 10 日 18：12分風(fēng)力較大且風(fēng)速較為穩(wěn)定，平均風(fēng)速9.2 m/s（風(fēng)速時(shí)程見圖2）。

圖2 臺(tái)風(fēng)期間K風(fēng)速儀監(jiān)測(cè)風(fēng)速時(shí)程

2.2 支座位移分析

8 月10 日后橋梁支座位移出現(xiàn)明顯的變化，系桿拱主梁呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)，8 月11 日12 時(shí)后，支座位移變化開始趨于平緩，其中上行側(cè)支座位移變化2.79 mm，下行側(cè)支座位移變化3.11 mm（支座位移變化見圖3）。設(shè)定橋梁伸長(zhǎng)方向支座位移為正，臺(tái)風(fēng)經(jīng)過該橋前支座位移為0。

圖3 臺(tái)風(fēng)期間，錫澄運(yùn)河橋支座位移變化時(shí)程

原因分析：臺(tái)風(fēng)期間，受風(fēng)雨影響，該橋結(jié)構(gòu)溫度持續(xù)下降，以箱室內(nèi)頂板溫度為例，溫度降幅約5.5℃，8月12日臺(tái)風(fēng)經(jīng)過后，溫度開始回升（溫度變化見圖4）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)支座位移隨結(jié)構(gòu)溫度變化成線性相關(guān)，且相關(guān)性較強(qiáng)，溫度下降，支座位移變小，說明結(jié)構(gòu)溫度變化是支座位移出現(xiàn)明顯變化的主要原因，間接說明臺(tái)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)溫度的改變影響了該橋的結(jié)構(gòu)變形（支座位移同結(jié)構(gòu)溫度相關(guān)關(guān)系見圖5）。

圖4 錫澄運(yùn)河橋結(jié)構(gòu)溫度變化時(shí)程

圖5 支座位移同結(jié)構(gòu)溫度相關(guān)關(guān)系

2.3 主梁振動(dòng)分析

風(fēng)引起的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)主要有顫振、馳振、渦振和抖振等，其中前三種振動(dòng)主要是橋梁自激振動(dòng)，抖振是一種強(qiáng)迫振動(dòng)，不可避免。本文主要對(duì)臺(tái)風(fēng)引起的主梁跨中抖振進(jìn)行分析，以8 月10 日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析臺(tái)風(fēng)對(duì)該橋跨中振動(dòng)的影響。

8 月10 日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示主梁跨中振動(dòng)較為集中，主要集中在 6：40 至 21：30，其中最大豎向振動(dòng)加速度 1161.12 mm/s2（振動(dòng)加速度時(shí)程見圖6）?？紤]此時(shí)間段為列車集中時(shí)段，列車過橋也是導(dǎo)致橋梁振動(dòng)的主要原因，通過濾波剔除列車過橋?qū)蛄赫駝?dòng)的影響后，最大豎向振動(dòng)加速度發(fā)生在12：30，數(shù)值為29.7 mm/s（振動(dòng)加速度時(shí)程見圖7）。通過對(duì)比可以看出，臺(tái)風(fēng)引起的主梁跨中振動(dòng)響應(yīng)明顯比列車過橋時(shí)引起的主梁跨中振動(dòng)響應(yīng)小得多，也遠(yuǎn)小于《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》“無砟軌道橋梁強(qiáng)振頻率不大于20 Hz的橋面豎向振動(dòng)加速度不應(yīng)大于5.0 m/s2”的規(guī)定，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和行車影響較小。

以每分鐘主梁跨中豎向振動(dòng)加速度均方根值代表臺(tái)風(fēng)作用對(duì)主梁振動(dòng)的影響程度，進(jìn)一步分析振動(dòng)加速度與風(fēng)速的相關(guān)性（見圖8），主梁豎向振動(dòng)加速度均方根值與風(fēng)速存在一定的線性相關(guān)性，風(fēng)速增大，結(jié)構(gòu)振動(dòng)增強(qiáng)。

圖6 主梁跨中豎向振動(dòng)加速度時(shí)程

圖7 剔除過車影響后主梁跨中豎向振動(dòng)加速度時(shí)程

圖8 加速度均方根值與風(fēng)速相關(guān)性分析

2.4 吊桿力分析

以8 月10 日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析臺(tái)風(fēng)分別對(duì)最長(zhǎng)、最短兩根吊桿力的影響。剔除溫度應(yīng)力影響，8 月10 日監(jiān)測(cè)長(zhǎng)、短吊桿力變化量較為集中，主要集中在7：20 至24：00，其中短吊桿桿力最大變化20 kN，長(zhǎng)吊桿力最大變化80 kN，（吊桿桿力變化時(shí)程見圖9）。同樣通過濾波剔除列車過橋?qū)Φ鯒U力的影響（吊桿力變化時(shí)程見圖10），通過對(duì)比可以看出，臺(tái)風(fēng)引起的吊桿力變化很小，其中短吊桿變化大多位于-2 kN～+2 kN 之間，長(zhǎng)吊桿變化大多位于-3 kN～+2 kN 之間，遠(yuǎn)小于列車荷載引起的吊桿力變化。

圖9 剔除溫度影響后吊桿力變化量時(shí)程

圖10 剔除列車影響后吊桿力變化量時(shí)程

以每分鐘吊桿力變化均方根值代表臺(tái)風(fēng)作用對(duì)吊桿力的影響程度，進(jìn)一步分析吊桿力變化與風(fēng)速的相關(guān)性（見圖11），可以看出，吊桿力變化均方根值與風(fēng)速存在很小的相關(guān)性，風(fēng)力對(duì)吊桿力的變化影響不大。

圖11 風(fēng)力對(duì)吊桿力變化量相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)束語

臺(tái)風(fēng)天氣下橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)是影響高速列車運(yùn)營(yíng)的重要因素，本文受限于臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，僅從支座位移、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、吊桿力變化情況等方面對(duì)系桿拱橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行初步分析，得出結(jié)論如下：（1）臺(tái)風(fēng)通過影響環(huán)境溫度間接影響橋梁結(jié)構(gòu)變形；（2）8級(jí)及以下風(fēng)力對(duì)主梁豎向振動(dòng)加速度有一定的影響，但遠(yuǎn)小于列車荷載的影響；（3）8 級(jí)及以下的風(fēng)力對(duì)吊桿力的變化影響不大。