列車振動(dòng)對(duì)斜拉橋最大懸臂狀態(tài)影響分析

付睿

摘? 要：斜拉橋具有跨越能力大的優(yōu)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)體施工需要跨越鐵路線時(shí)有較多應(yīng)用。但轉(zhuǎn)體施工過程中受到諸多環(huán)境因素影響，如列車經(jīng)過時(shí)引起的振動(dòng)會(huì)影響斜拉橋整體穩(wěn)定。本文結(jié)合斜拉橋轉(zhuǎn)體施工工程實(shí)例，實(shí)地測(cè)量振動(dòng)響應(yīng)，建立Midas模型，對(duì)最大懸臂狀態(tài)下斜拉橋進(jìn)行計(jì)算分析，研究在列車振動(dòng)作用下，轉(zhuǎn)體斜拉橋的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，希望對(duì)類似工程有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：斜拉橋? 水平轉(zhuǎn)體? 列車振動(dòng)? 穩(wěn)定性? 姿態(tài)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：U448.27 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（c）-0069-04

Influence of Train Vibration on Maximum Cantilever State of Cable Stayed Bridge

FU Rui

（Tiezheng Testing Technology Co.， Ltd.， Jinan， Henan Province， 250014 China）

Abstract： Cable stayed bridges have the advantage of large crossing capacity， and it is widely used when the swivel construction needs to cross the railway line. But in the process of swivel construction， it is affected by many environmental factors， such as the vibration caused by the train passing， which will affect the overall stability of the cable-stayed bridge. In this paper， combined with the cable-stayed bridge swivel construction engineering example， field measurement of vibration response， the establishment of MIDAS model analysis， calculation and analysis of the cable-stayed bridge under the maximum cantilever state， study the vibration response law of the swivel cable-stayed bridge under the action of train vibration， hoping to have a certain reference value for similar projects.

Key Words： Cable stayed bridge; Horizontal swivel; Train vibration; Stability; Attitude monitoring

斜拉橋轉(zhuǎn)體施工過程中，受所用設(shè)備影響、風(fēng)載影響、列車經(jīng)過引起的振動(dòng)等環(huán)境影響[1]。當(dāng)橋梁處在不穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)有效控制環(huán)境影響，避免發(fā)生嚴(yán)重的工程事故[2]。當(dāng)斜拉橋處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)，列車振動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響達(dá)到最大[3]。本文以上跨鐵路立交斜拉橋工程為背景，研究列車經(jīng)過引起的振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)體斜拉橋最大懸臂狀態(tài)的響應(yīng)規(guī)律。

1? 橋梁概況

本工程項(xiàng)目引橋共893m，主橋橋梁寬度為33.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段橋梁寬度為23.0m，橋面和結(jié)構(gòu)布置形式應(yīng)用整幅式。此橋梁孔跨布置為“（3×30）m+（3×27）m+（76+150+76）m”的轉(zhuǎn)體斜拉橋，主梁應(yīng)用變截面混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁。

2? 計(jì)算模型及原理

2.1 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

在橋墩至鐵路線路3處布置加速度傳感器，采集列車經(jīng)過時(shí)引起的振動(dòng)時(shí)程曲線。分析不同速度、不同列車引起振動(dòng)的大小及振動(dòng)衰減規(guī)律。

振動(dòng)測(cè)試采用水平、橫向和豎向加速度傳感器，布置位置如圖1所示。

2.2 有限元計(jì)算模型

采用有限元軟件Midas建立橋梁計(jì)算模型，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度的梁體單元模擬主梁，采用土彈簧模擬樁—土效應(yīng)。有限元的計(jì)算模型如圖2所示。

3? 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算參數(shù)

本斜拉橋在轉(zhuǎn)體施工前處在最大懸臂無支撐狀態(tài)，此時(shí)全部轉(zhuǎn)體重量全部作用于轉(zhuǎn)體支座[4]。摩阻力的力臂長度1.33m，靜摩擦系數(shù)取值0.05，計(jì)算得到靜摩擦力為F=W×μ=10265kN，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為M=2/3×（R·W·μ）/D=13686.76 kN·m，應(yīng)用m法計(jì)算等代土彈簧剛度。

3.2 模態(tài)分析

斜拉橋轉(zhuǎn)提前從拆除支架后，一段時(shí)間處于最大懸臂狀態(tài)。研究列車經(jīng)過時(shí)引起的振動(dòng)效應(yīng)，需要對(duì)拆除支架后最大懸臂斜拉橋進(jìn)行自振模態(tài)分析[5]。該斜拉橋在最大懸臂狀態(tài)時(shí)，前4階模態(tài)頻率見表1。一階與二階振型模態(tài)如圖3、圖4所示。

3.3 穩(wěn)定性分析

本文應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)采集既有加速度時(shí)程與時(shí)程分析方法，對(duì)該橋梁工程應(yīng)用Midas/Civil軟件進(jìn)行分析。主要分析在最大懸臂狀態(tài)時(shí)，列車振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)體斜拉橋的影響[6]。對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，選擇振動(dòng)效果明顯的4趟列車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表2所示。

通過對(duì)表2中數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分析，可以得到振動(dòng)作用下的最大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，如表3所示。

以上數(shù)據(jù)及分析表明，該斜拉橋轉(zhuǎn)體最大懸臂狀態(tài)下，受到列車振動(dòng)影響較小，不會(huì)引起球鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)，故該轉(zhuǎn)體橋梁處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

3.4 動(dòng)力響應(yīng)分析

通過實(shí)測(cè)最大懸臂端的位移和加速度，與軟件計(jì)算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用Newmark法分析梁端的位移與加速度。實(shí)測(cè)時(shí)程曲線作用下梁端的最大、最小加速度與位移見表4。

通過拾振器測(cè)試該橋梁最大懸臂端位置的位移與加速度見表5。

分析振動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)，絕對(duì)最大值小于1mm;加速度絕對(duì)最大值比規(guī)定值4.9要小，故該橋梁處在安全狀態(tài)。實(shí)測(cè)最大振幅及加速度值與理論值相差較小，所以分析計(jì)算的結(jié)果可以作為判定振動(dòng)對(duì)該橋梁穩(wěn)定性影響的依據(jù)。

在4條時(shí)程作用下的應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比如圖6，該橋梁應(yīng)力均在限值以內(nèi)，故結(jié)構(gòu)處在安全狀態(tài)下。列車振動(dòng)對(duì)該橋梁的應(yīng)力影響約為1%，影響很小，故可以不予考慮。

5? 結(jié)論

以斜拉橋轉(zhuǎn)體工程為背景，建立斜拉橋轉(zhuǎn)體前最大懸臂狀態(tài)實(shí)體模型，分析列車經(jīng)過引起振動(dòng)對(duì)斜拉橋的動(dòng)力穩(wěn)定性，得到結(jié)論如下。

（1）斜拉橋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的主要振型為繞轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，在列車經(jīng)過引起的振動(dòng)作用下可能發(fā)生，轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控有必要考慮。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)列車振動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過建模分析，振動(dòng)引起的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小于該橋梁的摩阻力矩，所以不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象。

（3）對(duì)轉(zhuǎn)體斜拉橋進(jìn)行了振動(dòng)響應(yīng)分析，得到最大懸臂端振幅、加速度和梁體應(yīng)力均小于限值，所以在列車振動(dòng)作用下該橋梁處于安全狀態(tài)。

本文在轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)體監(jiān)控等方面對(duì)斜拉橋轉(zhuǎn)體進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，希望能對(duì)相似工程的質(zhì)量保障提供幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] Bucinskas Paulius，Ntotsios Evangelos，Thompson David J.，Andersen Lars V.. Modelling train-induced vibration of structures using a mixed-frame-of-reference approach[J]. Journal of Sound and Vibration，2021，491.

[2] 徐光政.淺析公鐵交叉轉(zhuǎn)體跨越涉路施工安全技術(shù)評(píng)價(jià)[J].公路，2016（5）：109-115.

[3] 魏龍.地鐵列車運(yùn)行誘發(fā)的振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2016.

[4] 李平，羅信偉.高速列車誘發(fā)橋隧段線路振動(dòng)特性試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2019，59（4）：148-151，156.

[5] Li Yixian，Zhu Ledong，Qian Cheng，Jian Xudong，Sun Limin. The time-varying modal information of a cable-stayed bridge： Some consideration for SHM[J]. Engineering Structures，2021，235.

[6] Wei Biao，Hu Zhangliang，He Xuhui，Jiang Lizhong.System-based probabilistic evaluation of longitudinal seismic control for a cable-stayed bridge with three super-tall towers[J].Engineering Structures，2021，229.