高速鐵路常用跨簡支箱梁運營性能檢定

姚京川

(中國鐵道科學(xué)研究院 北京鐵科工程檢測中心，北京　100081)

高速鐵路是指新建設(shè)計開行250 km·h-1(含預(yù)留)及以上動車組列車，初期運營速度不小于200 km·h-1的客運專線鐵路。我國高速鐵路設(shè)計等級主要為250和350 km·h-1。

為保證線路的高可靠性和旅客乘坐舒適性，同時達到節(jié)約土地、保護環(huán)境等目的，我國高速鐵路大量采用“以橋代路”形式，部分線路橋梁比重達80%以上[1]。我國250 km·h-1等級的高速鐵路橋梁可分為2種類型：一種是兼顧貨車的高速鐵路，設(shè)計活載采用ZK活載和中—活載；另一種是客運專線鐵路，設(shè)計活載采用ZK活載，采用有砟或無砟軌道。350 km·h-1等級的高速鐵路橋梁設(shè)計活載采用ZK活載，一般為無砟軌道，采用有砟軌道的橋梁極少。

從橋梁型式看，預(yù)應(yīng)力混凝土雙線箱梁占大多數(shù)，除特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)外，沿線主要采用標(biāo)準跨徑的簡支箱梁橋，中國鐵路總公司(原鐵道部)組織編制了現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土梁通用圖，簡支箱梁主要有跨度為19.5，23.5，31.5和39.1 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。其中，跨度31.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁作為主型梁被大量采用，以京滬高速鐵路為例，其長度約占橋梁總長的88.4%。

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》規(guī)定：技術(shù)復(fù)雜及重要的橋梁檢定，每10年不少于1次[2]。自2008年8月京津城際鐵路開通以來，至今已8年，開展高速鐵路橋梁檢定迫在眉睫?，F(xiàn)有《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運函〔2004〕120號)適用于客貨共線鐵路，旅客列車最高行車速度為160 km·h-1的既有橋梁檢定；旅客列車最高行車速度在200 km·h-1時，可參照執(zhí)行[3]。但缺乏針對高速鐵路列車運行和橋梁結(jié)構(gòu)特點的橋梁運營性能測試評定相關(guān)規(guī)定。

本文結(jié)合我國普速鐵路橋梁檢定工作的實踐和高速鐵路橋梁的特點，基于近年來我國高速鐵路橋梁動力性能測試的數(shù)據(jù)和相關(guān)理論研究[4-5]，進行高速鐵路常用跨度簡支箱梁運營性能評定的研究。

1　運營性能檢定任務(wù)

我國鐵路部門于1978年頒布了《鐵路橋梁檢定規(guī)范》，隨后基于檢定工作實踐總結(jié)和試驗數(shù)據(jù)的分析，于2004年對規(guī)范進行了修訂，給出了既有鐵路橋梁檢定應(yīng)重點關(guān)注的對象，包括列車提速或超載需要確定運營性能的橋梁、出現(xiàn)損傷等的橋梁[3]。既有鐵路橋梁運營性能檢定為綜合判斷橋梁結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)和確定橋梁運用條件提供了重要手段。高速鐵路橋梁運營性能檢定的任務(wù)應(yīng)結(jié)合具體的鐵路運營需求，以綜合判斷橋梁結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)為目的，大致可以分為以下3類。

(1)抽樣橋梁的周期性檢定。如前所述，31.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁占高速鐵路橋梁的比例較高，抽樣選取一定數(shù)量的31.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁對其開展周期性檢定，確定橋梁的實際工作狀態(tài)，既可保障正常運營，也可積累橋梁運營狀態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)動車組列車運營速度提高時橋梁(最高運營速度不超過設(shè)計速度)的檢定。目前，我國設(shè)計時速250和350 km等級高速鐵路在開通運營初期的最高運營速度分別為210和310 km·h-1。當(dāng)動車組列車運營速度提高但未超過設(shè)計速度時，應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)缺陷、病害情況，并結(jié)合日常運營情況選取代表性橋梁進行運營性能檢定，以確定橋梁滿足運營要求。

(3)運營狀態(tài)存在異常、出現(xiàn)重大缺陷、出現(xiàn)損傷等橋梁的檢定。橋梁運營狀態(tài)異常、出現(xiàn)重大缺陷或損傷，直接影響動車組列車運營安全，對于這些橋梁開展運營性能檢定，為后續(xù)運營措施的制定提供依據(jù)。

2　運營性能評定參數(shù)

在列車高速運行條件下，高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)加劇。列車在其上運行的穩(wěn)定性和旅客乘坐的舒適度顯得更為重要。高速鐵路橋梁運營性能評定參數(shù)的選取可以借鑒設(shè)計規(guī)范，相應(yīng)的豎向和橫向評定參數(shù)應(yīng)能確保橋上軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進而保證列車過橋的行車穩(wěn)定性和乘坐舒適性[6]。

2.1　橋梁豎向評定參數(shù)

研究表明，梁體自振頻率過低將導(dǎo)致動車組高速通過時產(chǎn)生過大振動或共振，不僅影響橋上列車運行的穩(wěn)定性和乘坐舒適性，還會對橋梁結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生損傷；梁體豎向剛度(撓度和梁端轉(zhuǎn)角)是影響橋上軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和旅客乘坐舒適性的主要靜力指標(biāo)[4-7]。對于采用有砟軌道的簡支箱梁，梁體豎向振動加速度過大會導(dǎo)致橋上道砟粉化，影響橋上道床的穩(wěn)定性；對于采用無砟軌道的簡支箱梁，梁體豎向振動加速度過大會影響橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，高速鐵路常用跨度簡支箱梁的豎向評價參數(shù)應(yīng)涵蓋梁體的自振特性、豎向剛度(撓度和梁端轉(zhuǎn)角)和豎向動力響應(yīng)，其主要目的見表1。

表1　高速鐵路常用跨度簡支箱梁運營性能評定參數(shù)和目的

2.2　橋梁橫向評定參數(shù)

高速鐵路常用跨度簡支箱梁的橫向剛度和抗扭剛度明顯大于普速鐵路常用的簡支T型梁，以往的研究表明，梁體的橫向和扭轉(zhuǎn)限值并不控制橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計[4-12]，但梁體水平位移過大，會產(chǎn)生明顯的軌道方向不平順，進而影響車輛運行的穩(wěn)定性和乘坐舒適性。一般情況下，梁體橫向位移的測試比較困難，通常采用測試梁體和橋墩橫向振動的方法評定橋梁的橫向狀態(tài)。針對無砟軌道還要評定相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點橫向相對位移，其主要目的見表1。

3　運營性能評定通常值

《鐵路橋梁檢定規(guī)范》采用行車安全限值和通常值2種不同意義的指標(biāo)評價鐵路橋跨結(jié)構(gòu)的運營性能[2]。通常值是橋梁在正常使用條件下，實測(或?qū)崪y換算)撓度、梁端豎向轉(zhuǎn)角、位移、振幅、振動加速度和動力系數(shù)的上限，自振頻率的下限以及阻尼比的范圍[7]。

本文基于高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試得到的橋梁動力性能實測樣本，按可信度97.5%計算最大推斷值，給出常用跨度雙線簡支箱梁運營性能參數(shù)評定的建議通常值。

3.1　梁體豎向自振特性

梁高和軌道結(jié)構(gòu)類型對簡支箱梁實測豎向自振頻率的影響較大，因此，本文考慮橋梁的設(shè)計速度、梁高和軌道結(jié)構(gòu)類型，對25條高速鐵路總計80余孔常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁的實測豎向自振頻率進行統(tǒng)計分析，將得到的推斷下限值作為建議通常值，結(jié)果見表2。

在測試中，通常按照黏滯阻尼假定分析梁體的豎向阻尼比。對25條高速鐵路總計80余孔常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁實測一階豎向阻尼比進行統(tǒng)計分析，將得到的推斷下限值和上限值范圍作為建議通常值，結(jié)果見表3。

表2　常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁一階豎向自振頻率統(tǒng)計表

表3　常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁一階豎向阻尼比統(tǒng)計表

3.2　梁體豎向撓跨比和梁端豎向轉(zhuǎn)角

與梁體豎向自振頻率類似，梁高和軌道結(jié)構(gòu)類型對簡支箱梁梁體的豎向撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角也影響較大，因此，梁體的豎向撓跨比和梁端豎向轉(zhuǎn)角同樣根據(jù)橋梁的設(shè)計速度、梁高和軌道結(jié)構(gòu)類型進行分類統(tǒng)計分析。

對25條高速鐵路總計50余孔常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁的實測豎向撓跨比和梁端豎向轉(zhuǎn)角進行統(tǒng)計分析，得到的推斷下限值及建議通常值見表4和表5。

3.3　動力響應(yīng)

3.3.1豎向動力響應(yīng)

1)運營動力系數(shù)

國內(nèi)外的大量理論和試驗研究表明[4]：高速鐵路列車的豎向動力作用主要包括移動荷載的速度效應(yīng)、軌道不平順引起的列車附加外力。因此，相應(yīng)橋梁的動力系數(shù)也由兩部分組成，即由移動荷載速度效應(yīng)產(chǎn)生的動力系數(shù)和軌道不平順引起車輛附加外力產(chǎn)生的動力系數(shù)。Eurocode 1 EN 1991—2:2003《歐盟標(biāo)準1：對結(jié)構(gòu)的作用——第2部分：橋梁的交通載荷》給出了對應(yīng)不同軌道維護標(biāo)準的橋梁運營動力系數(shù)計算公式。由于我國高速鐵路的活載圖式采用UIC體系，并且我國高速鐵路軌道維護標(biāo)準要求相對較高，因此常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁動力系數(shù)通常值可參考采用歐盟標(biāo)準中對應(yīng)軌道精細維護條件下的運營動力系數(shù)，即

表4　常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁豎向撓跨比統(tǒng)計表(換算至ZK靜活載)

表5　常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁梁端豎向轉(zhuǎn)角統(tǒng)計表(換算至ZK靜活載)

1+μ=1+μ′+0.5μ″

(1)

其中，

式中：μ為沖擊系數(shù)；v為動車組列車運行速度，km·h-1；f0為實測簡支箱梁一階豎向自振頻率，Hz；L為簡支箱梁跨度，m。

簡支箱梁動力系數(shù)可從動撓度、動應(yīng)變實測波形的分析計算獲得。從梁體控制截面豎向動撓度得到的動力系數(shù)為結(jié)構(gòu)的整體動力系數(shù)；從梁體控制截面動應(yīng)變得到的動力系數(shù)為該應(yīng)變點所在部位的動力系數(shù)。圖1給出了某高速鐵路32 m簡支箱梁跨中撓度動力系數(shù)與行車速度的關(guān)系。從圖1可以看出，實測動力系數(shù)均小于運營動力系數(shù)。

2)梁體豎向振幅

圖1　32 m簡支箱梁動力系數(shù)與行車速度的關(guān)系

研究表明，橋梁跨中豎向振幅受列車速度、軸重、線路狀況等影響[5]?？紤]軌道結(jié)構(gòu)類型和線路設(shè)計速度，對250和350 km·h-1高速鐵路常用跨度橋梁簡支箱梁在不同軸重列車作用下的測試結(jié)果最大值進行統(tǒng)計分析，得到的動車組列車單線運行時簡支箱梁跨中豎向振幅的建議通常值見表6。

3)梁體豎向振動加速度

與梁體跨中豎向振幅類似，對豎向振動加速度實測最大值進行統(tǒng)計分析，得到的動車組列車單線運行時簡支箱梁跨中豎向振動加速度的建議通常值見表7。

表6　常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁梁體跨中豎向振幅統(tǒng)計表

注：由于我國高速鐵路存在線路設(shè)計速度與橋梁設(shè)計速度不同的現(xiàn)象，故動力響應(yīng)按線路設(shè)計速度進行統(tǒng)計。

表7　常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁梁體跨中豎向振動加速度統(tǒng)計表

3.3.2橫向動力響應(yīng)

動車組列車作用下橋梁的橫向動力響應(yīng)既含有橋墩的橫向振動又包含了梁體的橫向彎曲振動，橋梁的橫向振動特性與橋墩和梁體的橫向剛度或自振頻率直接相關(guān)。我國高速鐵路大部分采用常用跨度箱梁，其橫向剛度很大，但當(dāng)梁體與一些橋墩組成梁墩耦合體系后，墩梁一體的橫向自振頻率小于梁體橫向自振頻率，墩的剛度影響整個橋梁體系的振動特性。實測動車組列車以200～360 km·h-1速度通過時的橫向卓越強振頻率約為1.5～5.3 Hz，可能會與部分高墩橋梁的墩梁一體橫向自振頻率接近，導(dǎo)致梁體橫向振幅和墩頂橫向振幅出現(xiàn)峰值，對于這種情況，一般將通常值適當(dāng)放大。

1)梁體橫向振幅

由于我國高速鐵路常用跨度橋梁的橫向剛度和抗扭剛度很大，實測梁體橫向振幅均較小，且實測橫向振幅存在一定的離散性，通過對梁體跨中橫向振幅的統(tǒng)計，得到動車組列車單線運行時簡支箱梁跨中橫向振幅的建議通常值見表8。

表8　常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁梁體跨中橫向振幅統(tǒng)計表

注：當(dāng)橫向強振頻率與墩梁一體橫向自振頻率接近時，梁體跨中橫向振幅最大值不宜大于通常值的2倍。

2)橋墩橫向振幅

我國高速鐵路橋墩設(shè)計多采用圓端型實體墩，部分采用雙柱式、矩形、圓形墩。橋墩墩頂橫向振幅的影響因素主要包括墩高和墩身橫向?qū)挾?。墩高越高，振幅越大；墩身橫向?qū)挾仍酱?，振幅越小。因此考慮墩全高與墩身橫向?qū)挾鹊挠绊懀瑢Χ枕敊M向振幅進行統(tǒng)計，得到的動車組列車單線運行時橋墩墩頂橫向振幅通常值見表9。

3)無砟軌道相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點橫向相對位移

對350 km·h-1高速鐵路無砟軌道橋梁相鄰梁端或橋臺與梁端兩側(cè)鋼軌支點橫向相對動位移在動車組列車單線運行時的實測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到的建議通常值見表10。

表9　橋墩墩頂橫向振幅通常值

注：1.Hp為墩全高(自擴大基礎(chǔ)基底或樁基礎(chǔ)承臺底至墩頂)，

m；B為墩身橫向平均寬度，m；

2.當(dāng)橫向強振頻率與墩梁一體橫向自振頻率接近時，墩頂橫

向振幅最大值不宜大于通常值的2倍。

表10無砟軌道相鄰梁端兩側(cè)鋼軌支點橫向相對位移統(tǒng)計表

線路設(shè)計速度/(km·h-1)軌道結(jié)構(gòu)類型無砟軌道相鄰梁端兩側(cè)鋼軌支點橫向相對位移平均值/mm方差/mm2推斷上限值/mm建議通常值/mm350無砟軌道0230013045050

4　運營性能參數(shù)測試方法

4.1　梁體豎向自振特性

橋梁自振特性測試一般可采用環(huán)境微振動法(脈動法)、余振法、強迫振動法等。環(huán)境微振動法測試中不需要外部激勵設(shè)備，余振法可以利用試驗列車作為外部激勵設(shè)備，強迫振動法通常需要較為龐大的激振設(shè)備，運輸和安裝不方便。因此，對于高速鐵路簡支箱梁，自振特性宜采用環(huán)境微振動法(脈動法)或余振法測試。測試時，振動傳感器應(yīng)布置在梁體跨中橫截面中心處箱梁頂板的頂面。為提高頻率分辨率，環(huán)境微振動法(脈動法)的采樣頻率建議取(4～6)fmax(fmax為關(guān)注信號頻率的上限)，采樣時間不宜少于30 min，困難情況下不宜少于15 min。余振法采樣頻率建議取(6～8)fmax。梁體豎向自振頻率和豎向阻尼比可采用頻譜分析法或余振波形分析法得到。測試結(jié)果宜取多次測試、不同分析方法所得的均值。

4.2　梁體豎向撓跨比和梁端豎向轉(zhuǎn)角

簡支箱梁豎向撓度測試可根據(jù)現(xiàn)場的實際情況選用位移計法或傾角儀法。

位移計法屬于接觸式測量方法，適用于測試各種梁型的梁體豎向靜態(tài)(準靜態(tài))撓度、動撓度，測試橋梁高度不宜大于20 m，對跨線橋、跨越峽谷和江河等的橋梁無法測量。

采用傾角儀法測量梁體豎向撓度時不需要靜止的參考點，可適應(yīng)不同地理條件的橋梁，但傾角儀的現(xiàn)場安裝與調(diào)試較繁瑣。

采用位移計法時，撓度測點應(yīng)布置在梁體跨中截面；采用傾角儀法時，可沿簡支箱梁順橋向等間距布置5個傾角儀[13]。

梁端豎向轉(zhuǎn)角可采用傾角儀直接測量，也可通過梁體豎向撓度換算得到。采用簡支箱梁梁體跨中豎向撓度換算得到梁端豎向轉(zhuǎn)角時，其梁端豎向轉(zhuǎn)角θ與豎向撓跨比的關(guān)系為

(2)

式中：δ為跨中豎向撓度，mm。

4.3　動力響應(yīng)

4.3.1動力系數(shù)

梁體撓度動力系數(shù)測試通常采用位移計法測試，測試時，應(yīng)在梁體跨中截面布置位移計。梁體應(yīng)變動力系數(shù)測試通常采用應(yīng)變片測試，測試時，應(yīng)在梁體跨中布置應(yīng)變片，并做好應(yīng)變片的防水、防潮、防塵，值得注意的是，由于橋上50 Hz工頻干擾較大，應(yīng)變測試設(shè)備應(yīng)正確可靠接地。動撓度、動應(yīng)變測試時，采樣頻率不宜低于100 Hz。

4.3.2振幅和振動加速度

振幅和振動加速度通常采用振動傳感器進行測量，被測試參數(shù)的頻率范圍是影響傳感器選擇的重要參數(shù)，圖2給出了不同傳感器的使用頻率范圍。

圖2　各類傳感器測量系統(tǒng)的使用頻率范圍

高速鐵路常用橋梁振動測試中所關(guān)注的頻率范圍約為1～50 Hz，從圖2可以看出，擺式速度傳感器和壓電式加速度傳感器可用于橋梁振動測試。

橋梁結(jié)構(gòu)的振幅測試可選用位移型或速度型傳感器，加速度測試宜選用加速度型傳感器。當(dāng)沒有專用傳感器時，理論上可對間接物理量進行積分或微分得到所需參數(shù)，但需特別注意排除可能由此引起的誤差。測試梁體豎向、橫向振幅和豎向振動加速度時，應(yīng)在梁體跨中橫截面中心處箱梁頂板的頂面布置振動傳感器測點。對于橋墩，宜在橋墩墩頂截面中心位置布置振動傳感器測點，采樣頻率不宜低于300 Hz。

4.3.3無砟軌道橋梁相鄰梁端或橋臺與梁端兩側(cè)鋼軌支點橫向相對動位移

無砟軌道橋梁相鄰梁端或橋臺與梁端兩側(cè)鋼軌支點橫向相對動位移可采用位移計測試。測試時，動位移測點應(yīng)布置在梁縫兩側(cè)鋼軌支點處，采樣頻率不宜低于100 Hz。

5　結(jié)　語

本文基于近年來我國高速鐵路橋梁動力性能測試數(shù)據(jù)和相關(guān)理論研究，對高速鐵路常用跨度簡支箱梁運營性能檢定進行研究，確定高速鐵路常用跨度簡支箱梁運營性能檢定的任務(wù)和簡支箱梁運營性能評定的主要技術(shù)參數(shù)。考慮設(shè)計速度、跨度、梁高、軌道結(jié)構(gòu)形式等因素給出了常用跨度簡支箱梁梁體的豎向自振特性、豎向撓跨比和梁端豎向轉(zhuǎn)角評定的建議通常值。結(jié)合線路設(shè)計速度，對常用跨度簡支箱梁在動車組列車作用下的動力響應(yīng)進行了統(tǒng)計分析，給出了常用跨度簡支箱梁動力響應(yīng)評定的建議通常值。針對檢定參數(shù)的特點，分別給出了相應(yīng)的建議測試方法。研究成果為專業(yè)人員開展高速鐵路常用跨度簡支箱梁運營性能檢定工作提供了技術(shù)支撐。但我國高速鐵路運營時間不長，這些建議通常值需要更多的實際運營驗證，并適時作出修訂，以便更好地指導(dǎo)高速鐵路橋梁運營狀態(tài)的維護。

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