大準(zhǔn)鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋橫向動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

蘭曉峰，劉鵬輝，尹 京，董振升

(1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 大準(zhǔn)鐵路公司工務(wù)段，內(nèi)蒙古 010300;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

大(同)準(zhǔn)(格爾)鐵路1997年全線建成通車，是一條煤炭專用線，正線全長(zhǎng)264 km，線路等級(jí)為Ⅰ級(jí)單線電氣化鐵路，全線各類橋梁共計(jì)141座，其中梁式橋102座556孔。自開通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，對(duì)大準(zhǔn)鐵路不同跨度的橋梁進(jìn)行過(guò)檢定，出現(xiàn)問(wèn)題最多的是橫向振幅超限，尤其是32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋橫向振動(dòng)過(guò)大。

本文對(duì)大準(zhǔn)鐵路8座橋的21孔32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁(梁圖號(hào)專橋－2040、專橋2059，專橋2039)、60個(gè)橋墩(墩高從3.67～33.36 m，墩類型有圓形墩，圓端形墩，矩形墩，柔性墩)進(jìn)行了橋梁橫向振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試車輛類型有 C62、C64、C70、C80、C80H、C80BH、K18AK 以及 C62、C64、C70的混編列車，車輛編組分5 000 t和萬(wàn)噸列車，空、重車最高行車速度80 km/h，檢測(cè)主要以運(yùn)營(yíng)貨列為主。本文根據(jù)上述橫向振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，綜合分析32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁的橫向動(dòng)力性能。

我國(guó)鐵路橋梁檢測(cè)主要是按照2004年《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(后面簡(jiǎn)稱為《橋檢規(guī)》)來(lái)實(shí)施和評(píng)價(jià)的?！稑驒z規(guī)》中指出鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢驗(yàn)有行車安全限值和通常值兩種判別值，行車安全限值是保證列車以規(guī)定的速度安全通過(guò)，橋梁結(jié)構(gòu)必須滿足的限值，超過(guò)此值，應(yīng)立即采取必要的措施。通常值是合格橋梁在正常運(yùn)營(yíng)中實(shí)測(cè)值的上限(撓度、振幅)、下限(頻率)。鐵路橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，如超過(guò)此值，應(yīng)仔細(xì)檢查橋梁結(jié)構(gòu)是否存在隱藏的病害，同時(shí)調(diào)查列車曾否產(chǎn)生異常激勵(lì)。

1 梁體橫向自振頻率

梁體橫向自振頻率可綜合反映梁跨結(jié)構(gòu)橫向剛度的大小，通過(guò)環(huán)境微振動(dòng)法測(cè)得的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行譜分析，得到橋梁的橫向自振頻率。實(shí)測(cè)大準(zhǔn)線32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁的橫向自振頻率在4.10～4.40 Hz之間。

2 梁體跨中橫向振動(dòng)

圖1、圖2分別為貨列重車和貨列空車作用下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁體跨中橫向振幅與速度的關(guān)系。由于運(yùn)營(yíng)貨列速度低，范圍窄，車輛類型多，32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中橫向振幅離散性大，與速度的關(guān)系不明顯。從整體趨勢(shì)來(lái)看，貨列重車作用下梁體跨中橫向振幅大于貨列空車作用下橫向振幅(表1)，且與列車編組有關(guān)。對(duì)于大部分橋梁，運(yùn)營(yíng)貨列空車作用下，C62、C64或 C62+C64+C70明顯比 C80、K18AK 作用下梁體跨中橫向振幅大;C62+C64+C70重車、C80重車、K18AK重車作用下跨中橫向振幅相差不大，但比C80空車、K18AK空車作用下跨中橫向振幅大。貨列空車作用下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁的跨中橫向振幅均滿足《橋檢規(guī)》行車安全限值90/L=3.56 mm的要求;貨列重車作用下墩高在20 m以上的32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁的跨中橫向振幅不滿足《橋檢規(guī)》行車安全限值3.56 mm的要求，其中下腦亥東溝大橋第3孔32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁在C80重車速度34.6 km/h時(shí)跨中橫向振幅達(dá)到了6.54 mm，接近《橋檢規(guī)》行車安全限值的2倍。

圖1 貨列空車跨中橫向振幅與速度的關(guān)系

圖2 貨列重車跨中橫向振幅與速度的關(guān)系

表1 32 m梁實(shí)測(cè)跨中橫向振幅 mm

3 墩梁耦合振動(dòng)分析

車輛—梁體—橋墩橫向振動(dòng)是一種耦合的隨機(jī)振動(dòng)，列車作用下橋梁的橫向動(dòng)力響應(yīng)包含橋墩和梁體的橫向彎曲振動(dòng)。為分析橋墩和梁體彎曲振動(dòng)的耦合特性，將下腦亥東溝大橋第4孔32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中橫向振動(dòng)波形與扣除兩端橋墩的橫向振動(dòng)進(jìn)行聯(lián)合分析如圖3所示，兩端橋墩橫向振動(dòng)在梁體跨中橫向振動(dòng)中占有較大比例。圖4為貨列重車作用下扣除兩端橋墩橫向振幅后32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中橫向振幅與速度的關(guān)系，從圖4中可以看出，下腦亥東溝大橋扣除兩端橋墩橫向振幅后的跨中橫向振幅最大值僅為1.86 mm，滿足《橋檢規(guī)》行車安全限值3.56 mm的要求。

圖3 梁體跨中橫向振幅與扣除兩端橋墩橫向振幅

圖4 貨列重車作用下扣除兩端橋墩后的跨中橫向振幅與速度的關(guān)系

為分析橋墩和梁體彎曲振動(dòng)的耦合特性，將大準(zhǔn)鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中橫向振幅較大的3孔梁跨中橫向振幅最大值及出現(xiàn)最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的兩邊橋墩橫向振幅、扣除兩端橋墩橫向振幅后的跨中橫向振幅進(jìn)行綜合分析。下腦亥東溝大橋第2孔32 m梁位于墩高分別為25.36 m、28.38 m，橫向自振頻率分別為1.67 Hz、1.34 Hz的橋墩上，在 C80重車速度為40.1 km/h時(shí)激振頻率0.92～1.07 Hz下，橋墩橫向振動(dòng)幅值分別為1.77 mm、4.49 mm，梁體最大橫向振幅為4.53 mm，扣除兩端墩頂橫向振幅后為1.40 mm。下腦亥東溝大橋第3孔32 m梁位于墩高分別為28.38 m、33.38 m，橫向自振頻率分別為1.34 Hz、1.30 Hz的橋墩上，在C80重車速度為34.6 km/h時(shí)激振頻率0.84～0.93 Hz下，橋墩橫向振動(dòng)幅值分別為4.87 mm、4.44 mm，梁體最大橫向振幅為6.54 mm，扣除兩端墩頂橫向振幅后為2.26 mm;下腦亥東溝大橋第4孔32m梁位于墩高分別為33.38 m、16.28 m，橫向自振頻率為1.30 Hz、2.17 Hz的橋墩上，在 C80重車速度為34.6 km/h時(shí)激振頻率0.84～0.93Hz下，橋墩橫向振動(dòng)幅值分別為4.30 mm、1.17 mm，梁體橫向振幅為4.45 mm，扣除兩端墩頂橫向振幅后為1.68 mm。從試驗(yàn)結(jié)果可見，目前，大準(zhǔn)線32 m梁橋的橫向振動(dòng)過(guò)大的主要原因并非32 m梁自身的橫向彎曲振動(dòng)，而是橋墩引起的，所以在大準(zhǔn)線上32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的橫向振動(dòng)控制中應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)橋墩進(jìn)行治理。

4 墩頂橫向振動(dòng)

由于大準(zhǔn)鐵路32m預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的橫向振動(dòng)在很大程度上是由于橋墩的橫向振動(dòng)過(guò)大引起的，橋墩橫向振動(dòng)與貨列的激勵(lì)頻率、橋墩的自振特性有關(guān)，而貨列的激勵(lì)頻率因貨列的類型、編組、速度的不同而變化。橋墩橫向振幅與橋墩橫向自振頻率的關(guān)系見圖5。從墩頂橫向振幅和自振頻率的關(guān)系來(lái)看，貨列重車和貨列空車作用下墩頂橫向振幅隨橋墩橫向自振頻率的增大而減小，墩橫向自振頻率在1.0～2.5 Hz時(shí)，墩頂橫向振幅最大，這與貨車橫向激勵(lì)頻率有關(guān)(圖6)，實(shí)測(cè)貨車在速度80 km/h范圍內(nèi)橫向激勵(lì)頻率為0.5～1.8 Hz，與中高墩的有載自振頻率可能接近，尤其是墩高>20 m的高墩，由于其有載自振頻率低，在貨列重車速度較低時(shí)就可能導(dǎo)致橫向共振現(xiàn)象。

圖5 橋墩橫向振幅與橋墩橫向自振頻率的關(guān)系

圖6 橋墩橫向強(qiáng)振頻率與速度的關(guān)系

橋墩橫向振幅與墩高的關(guān)系見圖7。從圖7可以看出，貨列空車作用下橋墩橫向振幅隨墩高的增長(zhǎng)規(guī)律與貨列重車有所不同，貨列重車作用下橋墩橫向振幅隨著墩高的增加基本呈線性增大趨勢(shì)，貨列空車作用下橋墩橫向振幅在墩高<20 m時(shí)隨墩高的增加基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但在墩高>20m時(shí)隨墩高的增加橋墩橫向振幅增長(zhǎng)緩慢。這主要是隨著墩高的增大，橋墩質(zhì)量較大，橋墩質(zhì)量與活載質(zhì)量之比較大，而貨列空車作用下激勵(lì)能量有限，橋墩橫向振幅增長(zhǎng)緩慢。實(shí)測(cè)貨列重車作用下橋墩橫向振動(dòng)過(guò)大，實(shí)測(cè)橋墩橫向振幅大部分不在《橋檢規(guī)》墩頂橫向振幅通常值范圍內(nèi);貨列空車作用下墩高>20 m的橋墩橫向振幅大部分在《橋檢規(guī)》通常值范圍內(nèi)。

圖7 橋墩橫向振幅與墩高的關(guān)系

5 結(jié)論

貨列重車作用下梁體跨中橫向振幅大于貨列空車作用下橫向振幅，且與列車編組有關(guān)。貨列空車作用下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的跨中橫向振幅均滿足《橋檢規(guī)》)行車安全限值的要求;貨列重車作用下墩高>20 m的32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的跨中橫向振幅不滿足《橋檢規(guī)》)行車安全限值的要求。

目前大準(zhǔn)線32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的橫向振動(dòng)過(guò)大的主要原因并非32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁自身的橫向彎曲振動(dòng)引起的，而是橋墩引起的，橋墩橫向振動(dòng)與貨列的激勵(lì)頻率、橋墩的自振特性有關(guān)。所以在大準(zhǔn)線上32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的橫向振動(dòng)控制中應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)橋墩進(jìn)行治理，尤其是墩高>20 m的高墩，由于其有載自振頻率低，在貨列重車速度較低時(shí)就可能導(dǎo)致橫向共振現(xiàn)象。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)函［2004］120號(hào) 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［2］王福天.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1994.

［3］李谷.轉(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架橫向擺振問(wèn)題探討［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，1996，17(1):32 －42.

［4］李谷.再論貨車轉(zhuǎn)向架的擺振問(wèn)題［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，1998，19(1):49-60.