夏季高溫下千米級跨度懸索橋動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

程若廳 董振升 馮仲偉

1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 科技和信息化部，上海 200071；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081

高速鐵路荷載大，列車運(yùn)行速度高，軌道平順性要求高，而懸索橋?qū)儆谌嵝越Y(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)變形大，受溫度、風(fēng)等環(huán)境因素影響大［1-2］，故在高速鐵路上很少采用懸索橋。隨著建橋技術(shù)的發(fā)展，為滿足跨江越海工程的建設(shè)需要，懸索橋作為跨越能力最大的結(jié)構(gòu)體系，逐步在鐵路建設(shè)中得到應(yīng)用［3-7］。五峰山長江大橋是我國目前建成并投入運(yùn)營的首座公鐵兩用懸索橋，在開通前進(jìn)行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試，雖然橋梁動(dòng)力性能滿足動(dòng)車組以250 km/h 及以下速度運(yùn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但測試數(shù)據(jù)是在當(dāng)時(shí)環(huán)境條件下（氣溫20～34 ℃、最大瞬時(shí)風(fēng)速12.5 m/s、公路和預(yù)留線未通車）檢測的［8］，環(huán)境條件變化時(shí)橋梁動(dòng)力性能會(huì)隨之改變，故在掌握極端環(huán)境條件下橋梁動(dòng)力性能前，對主橋進(jìn)行了限速運(yùn)行。為保證達(dá)速后列車運(yùn)營的安全性和平穩(wěn)性，在一年中平均氣溫最高的七月份對五峰山長江大橋進(jìn)行了專項(xiàng)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)工況及測試內(nèi)容

該橋上公路和鐵路均已開通運(yùn)營，本次試驗(yàn)在公路橋面隨機(jī)過車的情況下進(jìn)行。鐵路橋面測試工況分為三種：①上下行線單列動(dòng)車組通過，速度從160 km/h 提升至275 km/h；②動(dòng)車組跨中交會(huì)，速度200、250 km/h；③不同時(shí)間段（白天12：00 —15：00，晚上00：00 —04：00）單列動(dòng)車組逐級提速。

測試內(nèi)容包括：①上下游跨中和3L/4 處（L為中跨跨度）橫向和豎向振幅、豎向和橫向振動(dòng)加速度；②下游側(cè)跨中和3L/4 處的橫向、豎向加速度；③下游側(cè)邊桁支座橫向和縱向位移、中桁支座縱向位移和鎮(zhèn)江側(cè)相鄰混凝土簡支梁下游側(cè)支座的橫向位移。測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測點(diǎn)布置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 橋梁線形

分別為7 月18 日晚上（環(huán)境溫度28.0 ℃）和7 月25日白天（環(huán)境溫度37.4 ℃），采用電子水準(zhǔn)儀對上下游橋梁線形進(jìn)行了測量。不同溫度下實(shí)測下游側(cè)橋梁線形見圖2?？芍孩賰纱螌?shí)測橋梁線形變化趨勢一致，邊跨與次邊跨橋梁線形受溫度變化影響較小，中跨受溫度變化影響較大。②梁體高程隨溫度增高而降低。7 月25日白天梁體跨中高程比7月18日晚上下降76.4 mm。

圖2 不同溫度下實(shí)測橋梁線形

2.2 自振頻率和阻尼比

專項(xiàng)試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間實(shí)測的梁體自振頻率、阻尼比對比見表1?？芍簩ｍ?xiàng)試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間實(shí)測的自振頻率差異在1%以內(nèi)；兩次測試的振動(dòng)阻尼比有一定差異，但不同振型模態(tài)下阻尼比變化趨勢基本一致。溫度變化會(huì)引起結(jié)構(gòu)支座摩擦阻力、材料阻尼變化，風(fēng)速和交通狀況會(huì)引起結(jié)構(gòu)振幅變化，這些均能導(dǎo)致阻尼變化，故阻尼比總是在一定范圍內(nèi)變化，并非一個(gè)定值。

表1 兩次實(shí)測的梁體自振頻率和阻尼比對比

2.3 振動(dòng)響應(yīng)

1）梁體橫向振幅

梁體跨中和3L/4 處橫向振幅典型時(shí)域波形見圖3?？芍孩賱?dòng)車組通過時(shí)梁體橫向振幅出現(xiàn)振動(dòng)峰值，梁體跨中和3L/4 處橫向振幅最大值分別為2.88、2.41 mm。②無列車通過時(shí)梁體橫向振動(dòng)也較明顯，梁體跨中和3L/4處橫向振幅最大值分別為0.99、1.18 mm。無列車通過時(shí)梁體橫向振動(dòng)主要由風(fēng)荷載引起。無列車通過時(shí)梁體橫向振幅最大能達(dá)到列車通過時(shí)的50%左右，說明外部風(fēng)荷載是引起橋梁橫向振動(dòng)的主要原因。

圖3 橋梁梁體橫向振幅典型時(shí)域波形

2）梁體豎向振幅

梁體跨中和3L/4 處豎向振幅典型時(shí)域波形見圖4。可知：動(dòng)車組通過時(shí)梁體豎向振動(dòng)較明顯，實(shí)測梁體跨中和3L/4 處豎向振幅最大值分別為29.6、33.7 mm。雖然豎向振幅較大，但振幅對應(yīng)的頻率極低，在0.1 Hz 左右。實(shí)測動(dòng)車組車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為2.06，達(dá)到優(yōu)級，說明梁體出現(xiàn)頻率較低、振幅較大的豎向振動(dòng)依然不影響列車平穩(wěn)性。

圖4 梁體豎向振幅典型時(shí)域波形

3）梁體振動(dòng)加速度

梁體跨中、3L/4 處橫向和豎向振動(dòng)加速度典型時(shí)域波形見圖5。可知：鐵路橋面上下行線通過動(dòng)車組、公路橋面無汽車重車通過時(shí)梁體跨中和3L/4 處橫向和豎向振動(dòng)加速度均較?。慌c鐵路橋面無動(dòng)車組通過、公路橋面通過汽車重車時(shí)振動(dòng)加速度量級相當(dāng)，說明鐵路橋面通過動(dòng)車組與公路橋面通過汽車重車時(shí)梁體振動(dòng)加速度相當(dāng)。

圖5 梁體橫向和豎向振動(dòng)加速度典型時(shí)域波形

動(dòng)車組通過時(shí)實(shí)測梁體橫向振動(dòng)加速度最大值為0.04 m/s2，遠(yuǎn)小于鐵運(yùn)函〔2004〕120 號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中1.40 m/s2的限值要求。梁體豎向振動(dòng)加速度最大值為0.21 m/s2，遠(yuǎn)小于TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》中3.50 m/s2的限值要求。因千米級的懸索橋跨度大，梁體質(zhì)量較大，動(dòng)車組通過時(shí)橋梁的激勵(lì)能量變化不大，但梁體參振質(zhì)量更大，因此梁體振動(dòng)加速度變小。從實(shí)測數(shù)據(jù)看，梁體振動(dòng)加速度與規(guī)范限值相差較遠(yuǎn)，不是大跨度橋梁振動(dòng)響應(yīng)的控制性指標(biāo)。

4）對比分析

下行線動(dòng)車組通過時(shí)上游側(cè)和下游側(cè)梁體橫向振幅對比見圖6?？芍合滦芯€過車時(shí)梁體跨中上游側(cè)和下游側(cè)橫向振幅相當(dāng)；梁體3L/4 處下游側(cè)橫向振幅大于上游側(cè)，說明下行線過車偏載作用下，下游側(cè)橫向存在局部振動(dòng)現(xiàn)象。

圖6 上游側(cè)和下游側(cè)梁體橫向振幅對比

梁體豎向振幅與橫向振幅有相似的特征。因此下行線過車時(shí)橫向和豎向振幅測點(diǎn)布置在下游側(cè)，可監(jiān)測橋梁振動(dòng)響應(yīng)的最不利情況。

不同時(shí)段梁體下游側(cè)跨中橫向振幅對比見圖7。可知：相同速度級下白天和晚上梁體下游側(cè)跨中橫向振幅相當(dāng)。

圖7 不同時(shí)段梁體下游側(cè)跨中橫向振幅對比

梁體下游側(cè)跨中豎向振幅、橫向和豎向振動(dòng)加速度在白天和晚上無明顯差異。這說明在夏季日夜溫度變化范圍內(nèi)橋梁線形變化對動(dòng)車組通過時(shí)橋梁振動(dòng)響應(yīng)無明顯影響。

設(shè)計(jì)的線路縱斷面在梁體跨中處對稱，梁體跨中位于變坡點(diǎn)的坡頂。夏季梁體跨中高程處于相對低位，反而使線路更平順；冬季梁體跨中高程會(huì)隨溫度降低而抬升，使線路產(chǎn)生不平順，故需研究冬季橋梁的振動(dòng)響應(yīng)。

上下行線動(dòng)車組通過時(shí)梁體下游側(cè)跨中振幅對比見圖8。可知：①梁體跨中橫向振幅與行車速度無明顯關(guān)系；下行線過車時(shí)梁體跨中橫向振幅比上行線過車時(shí)大，說明下行線過車時(shí)存在偏載效應(yīng)，比上行線過車時(shí)激勵(lì)起梁體的橫向振動(dòng)更大。②梁體跨中豎向振幅隨行車速度提高而增大；下行線過車時(shí)梁體跨中豎向振幅和上行線過車時(shí)相當(dāng)。

圖8 上下行線動(dòng)車組通過時(shí)梁體下游側(cè)跨中振幅對比

梁體3L/4 處橫向、豎向振幅變化規(guī)律與跨中處相似。

實(shí)測200、250 km/h 速度級時(shí)下行線動(dòng)車組單列通過和交會(huì)時(shí)梁體下游側(cè)跨中振動(dòng)響應(yīng)見表2。因橫向振幅和橫向振動(dòng)加速度與行車速度關(guān)系不明顯，取200、250 km/h 兩個(gè)速度級所有測試數(shù)據(jù)的平均值；豎向振幅和豎向振動(dòng)加速度隨行車速度提高而增大，取每一個(gè)速度級測試數(shù)據(jù)的平均值?？芍孩傧滦芯€動(dòng)車組單列通過時(shí)梁體下游側(cè)跨中橫向振幅平均值約為交會(huì)時(shí)的86%，動(dòng)車組交會(huì)時(shí)梁體下游側(cè)跨中橫向振動(dòng)加速度與單列通過時(shí)相當(dāng)。②速度相同、下行線動(dòng)車組單列通過時(shí)豎向振幅平均值約為交會(huì)時(shí)的53%～71%，豎向振動(dòng)加速度平均值約為交會(huì)時(shí)的72%～85%。因此，動(dòng)車組交會(huì)對梁體橫向振動(dòng)響應(yīng)影響較小，對梁體豎向振動(dòng)響應(yīng)影響相對較大。

表2 下行線動(dòng)車組單列通過和交會(huì)時(shí)梁體下游側(cè)跨中振動(dòng)響應(yīng)

2.4 梁端變位

動(dòng)車組通過時(shí)5#墩頂相鄰混凝土簡支梁下游側(cè)支座和懸索橋下游側(cè)邊桁支座橫向位移最大值分別為0.02、0.03 mm；動(dòng)車組通過后支座橫向位移基本能恢復(fù)至原位，支座橫向位移不會(huì)累積。動(dòng)車組通過時(shí)5#墩頂懸索橋下游側(cè)邊桁和中桁支座最大縱向位移分別為1.76、1.84 mm，邊桁和中桁支座縱向位移同步，大小相當(dāng)，但動(dòng)車組通過后支座縱向位移并沒有恢復(fù)至原位，支座縱向位移會(huì)累積。

為了分析梁端變位隨溫度的變化規(guī)律，連續(xù)采集18：00至次日23：00共29 h 5#墩頂支座位移時(shí)域波形，見圖9。可知：①29 h 測試周期內(nèi)懸索橋相鄰混凝土簡支梁下游側(cè)支座橫向位移最大變化量為0.05 mm，這與動(dòng)車組通過時(shí)的最大位移0.02 mm 量級相當(dāng)，因此在一天測試周期內(nèi)懸索橋相鄰混凝土簡支梁由溫度變化和動(dòng)車組通過產(chǎn)生的支座橫向位移相當(dāng)；5#墩頂懸索橋下游側(cè)邊桁支座橫向位移最大變化量為0.40 mm，而動(dòng)車組通過時(shí)的最大位移為0.03 mm，因此在一天測試周期內(nèi)，溫度是引起懸索橋支座橫向位移的主要因素。②29 h測試周期內(nèi)懸索橋鋼梁5#墩頂下游側(cè)邊桁和中桁支座縱向位移最大變化量分別為72.02、72.50 mm，此位移對應(yīng)的懸索橋鋼梁結(jié)構(gòu)溫度在31.7～36.1℃，支座位移隨溫度的變化率為8 mm/℃左右［9］，因此溫度引起的支座位移為（36.1-31.7）×8=35.2 mm。動(dòng)車組通過引起的邊桁和中桁支座累積縱向位移分別為36.8、37.3 mm，可見在一天測試周期內(nèi)，懸索橋鋼梁支座縱向位移是溫度荷載和列車荷載共同作用的結(jié)果。

圖9 5#墩頂支座位移時(shí)域波形

3 結(jié)論

1）夏季梁體橫向和豎向振動(dòng)加速度等動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足250 km/h及以下速度列車運(yùn)營要求。

2）梁體高程隨環(huán)境溫度升高而降低。環(huán)境溫度對邊跨和次邊跨的線形影響較小，對中跨線形影響較大。在夏季日夜溫度變化范圍內(nèi)，橋梁線形的變化對列車通過時(shí)橋梁振動(dòng)響應(yīng)的影響不明顯。

3）動(dòng)車組交會(huì)對梁體橫向振動(dòng)響應(yīng)影響較小，對梁體豎向振動(dòng)響應(yīng)影響相對較大。

4）在一天測試周期內(nèi)，溫度是引起懸索橋鋼梁支座橫向位移的主要因素，支座縱向位移由溫度荷載和列車荷載共同作用引起。

本文僅對夏季橋梁的動(dòng)力性能進(jìn)行試驗(yàn)和分析。冬季溫度變化劇烈，可能引起橋梁線形更大變化，從而影響橋梁動(dòng)力性能，后續(xù)有必要在冬季對橋梁動(dòng)力性能進(jìn)行試驗(yàn)和評估。