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    縱連板式無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支梁橋動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究

    2016-11-19 18:57戴公連龍綠軍劉文碩
    關(guān)鍵詞:高速鐵路

    戴公連 龍綠軍 劉文碩

    摘要:開(kāi)展了行車(chē)條件下高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試CRH380A001型列車(chē)以285~350 km/h時(shí)速通過(guò)時(shí)無(wú)砟軌道-32 m標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的動(dòng)力響應(yīng).通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集與數(shù)據(jù)分析,得到了鋼軌、軌道板、底座板、橋面板的豎橫向加速度幅值,橋墩頂縱橫向絕對(duì)位移.結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)各層加速度在列車(chē)時(shí)速達(dá)到295 km/h左右時(shí),急劇增大,之后順?biāo)俳档停霈F(xiàn)陡波峰;車(chē)致振動(dòng)加速度響應(yīng)自鋼軌軌道板底座板橋面板,自上至下呈明顯的遞減趨勢(shì),振動(dòng)衰減較為明顯.此外,基于實(shí)測(cè)的梁體自振頻率與阻尼比,分析了梁體動(dòng)撓度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)梁體動(dòng)撓度較接近.實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為改進(jìn)數(shù)值分析模型、驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果提供依據(jù).

    關(guān)鍵詞:高速鐵路;CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道;動(dòng)力響應(yīng);簡(jiǎn)支箱梁橋;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

    中圖分類(lèi)號(hào):U211.3; U441.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道具有重量輕、維修養(yǎng)護(hù)工作量少、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)京津城際、京滬、京廣、滬杭、杭長(zhǎng)等客運(yùn)專(zhuān)線得到廣泛應(yīng)用,截止至2014年10月,國(guó)內(nèi)鋪設(shè)里程單線已超過(guò)10 000 km.

    車(chē)致橋梁振動(dòng)問(wèn)題,國(guó)外早在20世紀(jì)70~80年代便已進(jìn)行較廣泛的研究[1-2],取得了比較大的成果.對(duì)于鋪設(shè)無(wú)砟軌道的高速鐵路橋梁來(lái)說(shuō),梁軌系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是其重要研究課題之一.夏禾等在法國(guó)的Antoing大橋及我國(guó)秦沈客運(yùn)專(zhuān)線上進(jìn)行了高速列車(chē)作用下的動(dòng)力試驗(yàn),得到了梁體、橋墩及車(chē)輛的一些動(dòng)力指標(biāo)[3-4].翟婉明院士根據(jù)秦沈客運(yùn)專(zhuān)線行車(chē)實(shí)驗(yàn),分析了車(chē)軌道橋梁系統(tǒng)的相互作用機(jī)制,認(rèn)為高速列車(chē)/橋梁振動(dòng)分析中需充分考慮軌道結(jié)構(gòu)參振并引入精確的動(dòng)態(tài)輪軌作用關(guān)系[5].中國(guó)鐵道科學(xué)研究院開(kāi)展時(shí)速200~250 km及300~350 km高速鐵路橋梁動(dòng)力試驗(yàn),對(duì)常用跨度簡(jiǎn)支梁橋以及連續(xù)梁橋的自振特性、剛度參數(shù)、梁體動(dòng)力響應(yīng)以及動(dòng)車(chē)組通過(guò)橋梁時(shí)的安全性和平穩(wěn)性進(jìn)行了分析[6-7].

    然而,已有軌道橋梁系統(tǒng)動(dòng)力特性的研究多為理論分析[8-12],實(shí)驗(yàn)較少,且試驗(yàn)多為短期試驗(yàn),此次試驗(yàn)對(duì)不同車(chē)型、不同時(shí)速下梁軌系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月的測(cè)試.可為改進(jìn)數(shù)值分析模型、驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果提供依據(jù),對(duì)提高高速鐵路橋梁的動(dòng)力設(shè)計(jì)水平、保證行車(chē)安全,具有重要意義.

    1測(cè)試試驗(yàn)方案

    1.1橋梁及CRH380A001型列車(chē)介紹

    選擇一座12孔32 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑簡(jiǎn)支箱梁橋的其中3孔為試驗(yàn)對(duì)象.橋面凈寬12 m,防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬為8.8 m;線路中心梁高3.05 m,兩側(cè)梁高3.078 m;梁長(zhǎng)32.6 m,計(jì)算跨度31.5 m.橫橋向支座中心距4.5 m.橋墩采用圓端形低墩,基本約為3.5~5 m,橋臺(tái)采用矩形空心臺(tái),基礎(chǔ)采用直徑Φ1.0 m的鉆孔樁,樁長(zhǎng)約為21.5~24 m.橋上采用CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道.

    試驗(yàn)測(cè)得50趟CRH380A001型列車(chē)在不同時(shí)速激勵(lì)下軌道橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng).CRH380A001型列車(chē)為8節(jié)編組、4軸,軸距為2.5 m,鉤到鉤距離為L(zhǎng)v,約25 m.定員最大軸重為16 t,空車(chē)質(zhì)量35.9 t,轉(zhuǎn)向架質(zhì)量7.3 t,其簧下質(zhì)量2 t[13].實(shí)測(cè)列車(chē)速度分布情況見(jiàn)表1.列車(chē)通過(guò)橋梁時(shí)的車(chē)梁墩基礎(chǔ)系統(tǒng)見(jiàn)圖1.

    1.2測(cè)點(diǎn)布置

    選擇與橋臺(tái)相接的1,12號(hào)兩孔簡(jiǎn)支梁及中間6號(hào)孔簡(jiǎn)支梁為測(cè)試對(duì)象,在選定橋跨的梁端、1/4跨、1/2跨等關(guān)鍵斷面布置測(cè)點(diǎn),鋼軌、軌道板、底座板、橋面板、墩臺(tái)、路基、地面等處均設(shè)有加速度傳感器,總共設(shè)置了120個(gè)加速度、59個(gè)位移計(jì)、9個(gè)應(yīng)變.測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2,圖中,橋上結(jié)構(gòu)布置的儀器,“中”表示布置在線路中心線,“右線”表示布置在小里程至大里程方向的右線外側(cè),未經(jīng)說(shuō)明部分均布置在小里程至大里程方向的左線外側(cè).

    1.3測(cè)試儀器

    采用ICP、941B型拾振器、SMWWYDC25D型位移計(jì)等傳感器采樣,并用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)便攜式動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)自動(dòng)采集存儲(chǔ)上傳數(shù)據(jù).ICP由磁座吸附在鋼軌上,橋上位移計(jì)用鋼腳架固定,墩頂相對(duì)位移計(jì)用磁性表座固定,為得到列車(chē)運(yùn)行速度,在鋼軌上粘貼了應(yīng)變花,儀器安裝情況見(jiàn)圖3.

    2梁體自振頻率及阻尼比

    橋梁橫向、豎向自振頻率及阻尼比,是表征橋梁動(dòng)力特性、檢驗(yàn)橋梁動(dòng)力性能的重要指標(biāo).

    參考文獻(xiàn)[14],計(jì)算梁體的一階豎向自振頻率公式為:ω2=π4EI/l4μ,其中l(wèi)為梁體長(zhǎng)度,μ為每延米質(zhì)量,取24 540 kg/m.用此公式算得裸梁的自振頻率為5.95 Hz.

    參考文獻(xiàn)[7],實(shí)測(cè)32 m簡(jiǎn)支箱梁的豎向基頻為6.8 Hz.

    目前,常見(jiàn)的測(cè)試與分析梁體自振頻率的方法有脈動(dòng)法、車(chē)輛余振法、跳梁法及力錘敲擊法等.文中采用車(chē)輛余振法,選取6#跨,通過(guò)對(duì)車(chē)輛通過(guò)后的余波進(jìn)行自譜分析,得到梁體(在上部軌道系統(tǒng)作用下)的一階豎向、橫向自振頻率,見(jiàn)表2.

    由表中數(shù)據(jù)可知,實(shí)測(cè)梁體一階豎向自振頻率為6.875~7.5 Hz,梁體一階橫向自振頻率為9.9~10.45 Hz.在上部軌道系統(tǒng)作用下的梁體豎向自振頻率比裸梁的自振頻率大.雖然軌道結(jié)構(gòu)加大了橋梁的荷載,但CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道是縱向連續(xù)的,橋跨通過(guò)剪力齒槽與底座板固結(jié)在一起,增大了梁端的約束,不同橋跨通過(guò)上部軌道結(jié)構(gòu)相互影響,其總體剛度增大.根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào),得到梁體一階豎向自振的阻尼比為0.06.

    加速度的大小可反映軌道橋梁各層結(jié)構(gòu)振動(dòng)的強(qiáng)弱.為研究車(chē)致橋梁振動(dòng)響應(yīng)在無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)各層(鋼軌、軌道板、底座板)以及與橋梁之間的傳遞規(guī)律,在各層結(jié)構(gòu)均布置了加速度傳感器進(jìn)行測(cè)試.

    3.1無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支梁橋系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)豎向加速度

    以6#跨為例,分析無(wú)砟軌道各層及橋面板的豎向加速度響應(yīng).對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析,得到列車(chē)不同時(shí)速運(yùn)行下結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)幅值,見(jiàn)圖4.所取值為列車(chē)運(yùn)行時(shí),有載側(cè)加速度響應(yīng)幅值,另外,線路中心跨中截面橋面板的加速度響應(yīng)也對(duì)應(yīng)給出.

    從圖中可知:

    1)當(dāng)列車(chē)行駛速度為285~350 km/h時(shí),各層結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)的加速度幅值隨速度變化在一定范圍內(nèi)波動(dòng),呈現(xiàn)一定的隨機(jī)規(guī)律性.這是由于車(chē)輪與軌道的接觸狀態(tài)不同[15](即車(chē)輛作用在軌道橋梁系統(tǒng)上力的大小、方向、作用點(diǎn)不同)導(dǎo)致的.另外,橋梁結(jié)構(gòu)頻率特性、車(chē)輛頻率特性、車(chē)軌道橋梁的阻尼、車(chē)輛運(yùn)行速度、軌道不平順等都會(huì)影響軌道橋梁系統(tǒng)的加速度響應(yīng),故結(jié)構(gòu)豎向加速度幅值并不受列車(chē)運(yùn)行速度單一影響.

    2)分析各截面的車(chē)致振動(dòng)加速度響應(yīng),梁端截面處軌道板、底座板、橋面板豎向加速度幅值相比跨中、1/4跨截面較大;而鋼軌豎向加速度幅值在1/4跨截面最小,在梁端截面與跨中相差不大.

    3)結(jié)構(gòu)各層豎向加速度幅值速度曲線均在列車(chē)速度為295 km/h左右時(shí),急劇增大,之后順?biāo)俳档?,出現(xiàn)陡波峰.同一截面處不同層結(jié)構(gòu)豎向加速度隨速度變化的曲線變化趨勢(shì)相近.

    列車(chē)以一定時(shí)速通過(guò)橋跨,對(duì)軌道橋梁系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)荷載,使結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng).參考文獻(xiàn)[16],其豎向激勵(lì)頻率主要取決于列車(chē)速度v(km/h)和車(chē)長(zhǎng)d(m),激勵(lì)頻率f激勵(lì)=v/(3.6d)=0.011 1 v.當(dāng)激勵(lì)頻率為結(jié)構(gòu)自振頻率的1/i(i=1,2,3,…)時(shí),將產(chǎn)生共振或超諧共振,使結(jié)構(gòu)的加速度幅值急劇變大.

    由第2節(jié)可知,實(shí)測(cè)的梁體(在上部軌道系統(tǒng)作用下)的一階豎向自振頻率為6.875~7.5Hz,則其共振速度為619.4~675.7 km/h,二階超諧共振速度為309.7~337.8 km/h.在實(shí)測(cè)的列車(chē)運(yùn)行速度285~350 km/h范圍內(nèi),存在二階超諧共振速度.

    圖4中實(shí)測(cè)的各層結(jié)構(gòu)豎向加速度幅值速度曲線,在列車(chē)速度為295 km/h左右時(shí),出現(xiàn)二階超諧共振的現(xiàn)象.出現(xiàn)波峰的速度與理論計(jì)算的梁體二階超諧共振速度有一點(diǎn)出入,相差不是很大.引起這種差別的原因有:測(cè)試數(shù)據(jù)本身存在誤差,包括加速度幅值、列車(chē)速度、橋梁自振頻率等;理論計(jì)算方法為近似計(jì)算,和實(shí)際情況有區(qū)別.

    4)在CRH380A001列車(chē)動(dòng)荷載作用下,車(chē)致振動(dòng)豎向加速度響應(yīng)自鋼軌軌道板底座板橋面板,呈明顯的遞減趨勢(shì),振動(dòng)衰減較為明顯.如表3所示.

    5)橋面板的振動(dòng)是研究軌道橋梁系統(tǒng)動(dòng)力特性的重要指標(biāo).

    根據(jù)測(cè)試得到的數(shù)據(jù),線路中心橋面板的豎向加速度相對(duì)兩側(cè)較大,最大幅值為4.1 m/s2,接近《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621-2014)限值0.5 g[17].箱梁的橋面板相當(dāng)于一塊薄板固結(jié)在兩塊腹板上面,由圖2可知,橋面板有載側(cè)的測(cè)點(diǎn)在箱梁腹板附近,其振動(dòng)為梁體的整體振動(dòng),而線路中心線處橋面板的振動(dòng)除了梁體的整體振動(dòng),還有橋面板的局部振動(dòng).UIC規(guī)范中規(guī)定的橋面板加速度為沿線路橋面的加速度,規(guī)范中橋梁豎向加速度限值需說(shuō)明具體的部位.

    3.2無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支梁橋系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)橫向加速度

    為研究無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支梁橋系統(tǒng)的橫向振動(dòng)特性,同樣在跨中和梁端等位置布置了橫向加速度傳感器,以6#跨為例,相應(yīng)截面有載側(cè)各層結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)加速度幅值見(jiàn)圖5.

    行車(chē)速度/(km·h-1)

    從圖中可以看出:

    1)當(dāng)列車(chē)行駛速度為285~350 km/h時(shí),各層結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)的加速度幅值隨速度變化在一定范圍內(nèi)波動(dòng).其值在列車(chē)速度為295 km/h左右時(shí),出現(xiàn)波峰.

    參考文獻(xiàn)[18],車(chē)橋第一種橫向共振速度vbr=3.6fbnd/i(n=1,2,…;i=1,2,…),其中fbn為橋梁的n階橫向自振頻率.

    由第2節(jié)可知,實(shí)測(cè)的梁體(在上部軌道系統(tǒng)作用下)的一階橫向自振頻率為9.9~10.45 Hz,則其共振速度為891.9~941.4 km/h,二階超諧共振速度為445.95~470.7 km/h,三階超諧共振速度為297.3~313.8 km/h.在實(shí)測(cè)的列車(chē)運(yùn)行速度285~350 km/h范圍內(nèi),存在三階超諧共振速度.

    圖5中實(shí)測(cè)的各層結(jié)構(gòu)橫向加速度幅值速度曲線,在列車(chē)速度為295 km/h左右時(shí),出現(xiàn)三階超諧共振的現(xiàn)象.同豎向加速度,出現(xiàn)波峰的速度與理論計(jì)算的梁體三階超諧共振速度相差不大.

    2)對(duì)比分析各截面的車(chē)致振動(dòng)加速度響應(yīng)幅值可知,鋼軌、軌道板跨中截面橫向加速度幅值相對(duì)梁端截面較大,橋面板跨中截面橫向加速度幅值相對(duì)梁端截面較小.

    3)在CRH380A001列車(chē)動(dòng)荷載作用下,車(chē)致振動(dòng)橫向加速度響應(yīng)由上至下同樣呈明顯的遞減趨勢(shì),振動(dòng)衰減較為明顯.如表4所示.

    01運(yùn)行下位移動(dòng)力響應(yīng)

    高速鐵路運(yùn)行速度高,對(duì)線路的平順性提出了更高的要求.由于橋梁在高速鐵路中占的比重相當(dāng)大,嚴(yán)格控制橋梁的變形十分必要.試驗(yàn)對(duì)梁底及橋墩的絕對(duì)位移進(jìn)行了測(cè)試.列車(chē)以299 km/h速度通過(guò)時(shí),6#跨梁底跨中撓度時(shí)程曲線見(jiàn)圖6.

    時(shí)間/s

    4.1豎向動(dòng)撓度簡(jiǎn)化計(jì)算

    4.1.1列車(chē)荷載簡(jiǎn)化

    一個(gè)集中荷載P0以速度v通過(guò)橋跨,當(dāng)其到達(dá)跨中時(shí),跨中撓度最大,根據(jù)位移互等定理,P0作用在其他截面時(shí),跨中的位移,與車(chē)輪作用在跨中時(shí),該截面的位移相等,見(jiàn)圖7.

    5結(jié)語(yǔ)

    1)當(dāng)列車(chē)行駛速度為285~350 km/h時(shí),各層結(jié)構(gòu)加速度幅值隨速度變化在一定范圍內(nèi)波動(dòng),加速度幅值行車(chē)速度曲線均在列車(chē)速度為295 km/h左右時(shí),急劇增大,之后順?biāo)俳档停霈F(xiàn)陡波峰.

    2)在CRH380A001列車(chē)荷載作用下,車(chē)致振動(dòng)加速度響應(yīng)自鋼軌→軌道板→底座板→橋面板,呈明顯的遞減趨勢(shì),振動(dòng)衰減較為明顯.

    3)橋面板線路中心處豎向加速度相比線路兩側(cè)較大,最大幅值為4.1 m/s2,接近《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621-2014)限值0.5 g.

    4)實(shí)測(cè)列車(chē)以不同速度通過(guò)時(shí),梁體的最大動(dòng)撓度為0.566 mm,與簡(jiǎn)化計(jì)算方法得到的最大動(dòng)撓度值比較接近,在工程允許的誤差范圍內(nèi),簡(jiǎn)化計(jì)算方法可行.橋墩墩頂橫向動(dòng)位移最大值為0.082 mm,墩頂縱向最大位移為0.160 mm.

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