高架橋30m簡(jiǎn)支混凝土箱梁上晃車原因分析

黃 銘 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部

1 橋梁概況

該處均為高架橋區(qū)段，高架橋累計(jì)長(zhǎng)度16.76 km，采用混凝土連續(xù)梁或簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，連續(xù)梁采用盆式橡膠支座，簡(jiǎn)支梁采用板式橡膠支座。

本次選擇橋梁結(jié)構(gòu)型式基本相同的兩個(gè)區(qū)段進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，均為直線地段，區(qū)段一為晃車最嚴(yán)重區(qū)段（247#墩～249#墩區(qū)段），區(qū)段二為行車正常區(qū)段（139#墩～141#墩區(qū)段），兩區(qū)段上部結(jié)構(gòu)均為2孔30 m簡(jiǎn)支混凝土箱梁，橋墩技術(shù)資料見表1。對(duì)該兩個(gè)區(qū)段橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試。

表1 橋墩技術(shù)資料

2 測(cè)試原因及目的

據(jù)設(shè)備管理單位反映，高架橋區(qū)段車輛行駛過(guò)程中多處晃車，旅客反映晃車劇烈。設(shè)備管理部門利用添乘儀對(duì)車輛晃動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，證實(shí)全線多處存在橫向加速度嚴(yán)重超限的情況。為消除線路晃車病害，設(shè)備管理部門加強(qiáng)線路的養(yǎng)護(hù)力度，但晃車現(xiàn)象依舊未能改觀。為此，設(shè)備管理部門開始從橋梁結(jié)構(gòu)方面探尋可能存在的原因。

為從橋梁結(jié)構(gòu)方面探尋可能引起晃車的原因，提出對(duì)晃車最嚴(yán)重區(qū)段及行車正常區(qū)段的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，對(duì)列車通過(guò)時(shí)可能引起晃車的橋梁結(jié)構(gòu)各部位進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，評(píng)判橋梁結(jié)構(gòu)狀況是否符合相關(guān)規(guī)范的要求，并通過(guò)對(duì)比兩區(qū)段的測(cè)試結(jié)果探尋可能引起晃車的原因。

3 檢定依據(jù)

（1）鐵道部《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》。

（2）鐵道部《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》TB10002.1－2005。

（3）鐵道部《鐵路橋梁檢定規(guī)范》鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)。

（4）鐵道部《鐵路橋隧建筑物大修維修規(guī)則》鐵運(yùn)〔2006〕82號(hào)。

4 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

測(cè)試內(nèi)容包括狀態(tài)檢查和動(dòng)載試驗(yàn)。

4.1 狀態(tài)檢查

橋梁狀態(tài)檢查主要對(duì)簡(jiǎn)支箱梁的外觀、支座狀態(tài)、梁端橫向抗震限位裝置等項(xiàng)目進(jìn)行檢查。

（1）梁體外觀檢查；

（2）板式橡膠支座狀態(tài)；

（3）橫向限位裝置狀態(tài)；

（4）橋墩狀態(tài)檢查；

（5）其他附屬設(shè)施狀態(tài)檢查。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)

本次動(dòng)載試驗(yàn)利用正常運(yùn)行列車作為動(dòng)載試驗(yàn)荷載，對(duì)梁體、橋墩的橫、豎向振動(dòng)和板式橡膠支座的橫向動(dòng)位移及豎向壓縮量進(jìn)行測(cè)試，據(jù)以判斷橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用下的工作狀態(tài)。

4.2.1 測(cè)試內(nèi)容

（1）對(duì)30 m預(yù)應(yīng)力箱梁的橫向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試；

（2）對(duì)30 m預(yù)應(yīng)力箱梁的豎向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試；

（3）對(duì)30 m預(yù)應(yīng)力箱梁的豎、橫向自振特性進(jìn)行測(cè)試；

（4）對(duì)30 m預(yù)應(yīng)力箱梁支座位置梁、墩的橫向相對(duì)動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)試；

（5）對(duì)板式橡膠支座豎向壓縮量進(jìn)行測(cè)試；

（6）對(duì)墩頂橫向振幅進(jìn)行測(cè)試。

4.2.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

5 狀態(tài)檢查結(jié)果

經(jīng)檢查：

（1）兩區(qū)段梁體結(jié)構(gòu)完好，梁體未見明顯裂縫；

（2）晃車嚴(yán)重區(qū)段（247#墩～249#墩）板式橡膠支座及抗震限位裝置鋼板銹蝕嚴(yán)重，行車正常區(qū)段（139#墩～141#墩）支座及抗震限位裝置未見明顯異常；

（3）兩區(qū)段橋墩結(jié)構(gòu)完好，未見明顯結(jié)構(gòu)病害。

圖2 行車正常區(qū)段（139#墩～141#墩）橡膠支座及抗震限位裝置

6 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

動(dòng)載試驗(yàn)利用正常運(yùn)行列車進(jìn)行，晃車嚴(yán)重區(qū)段（247#墩～249#墩）共測(cè)得運(yùn)行列車102趟，行車正常區(qū)段（139#墩～141#墩）共測(cè)得運(yùn)行列車109趟，通過(guò)對(duì)所有測(cè)次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析而得到動(dòng)載試驗(yàn)分析結(jié)果。

6.1 兩區(qū)段橫向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

在正常運(yùn)行列車作用下，對(duì)兩個(gè)區(qū)段梁體和橋墩的橫向振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，由實(shí)測(cè)結(jié)果分析可得：

（1）實(shí)測(cè)兩個(gè)區(qū)段梁體跨中最大橫向振幅分別為0.683 mm（行車正常區(qū)段）、0.870 mm（晃車嚴(yán)重區(qū)段），均滿足《橋檢規(guī)》行車安全限值3.333 mm的要求，實(shí)測(cè)兩個(gè)區(qū)段橋墩墩頂最大橫向振幅分別為0.220 mm（行車正常區(qū)段）、0.298 mm（晃車嚴(yán)重區(qū)段），均滿足《橋檢規(guī)》墩頂橫向振幅通常值的要求，表明該處30 m混凝土箱梁及橋墩的橫向剛度良好，滿足《橋檢規(guī)》要求，能夠保證過(guò)路列車的安全運(yùn)行。

（2）實(shí)測(cè)晃車嚴(yán)重區(qū)段梁體、橋墩的橫向振幅及梁體跨中橫向加速度均普遍大于正常行車區(qū)段，這與設(shè)備管理單位反映的晃車現(xiàn)象相一致。

（3）實(shí)測(cè)兩區(qū)段梁體橫向自振頻率均小于《橋檢規(guī)》橫向最低自振頻率3.0 Hz的要求，這是因?yàn)樵撎帢蛄翰捎冒迨较鹉z支座，梁端橫向約束較弱所致。

6.2 兩區(qū)段豎向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

在正常運(yùn)行列車作用下，對(duì)兩個(gè)區(qū)段梁體跨中豎向振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)行車正常區(qū)段第140、141孔梁梁跨中豎向振幅最大值分別為0.076 mm、0.078 mm，晃車嚴(yán)重區(qū)段第248、249孔梁梁跨中豎向振幅最大值分別為0.079 mm、0.084 mm，兩區(qū)段梁體跨中豎向加速度均為0.092 m/s2。

由實(shí)測(cè)結(jié)果分析可知：

實(shí)測(cè)兩區(qū)段梁體跨中豎向振幅、加速度統(tǒng)計(jì)平均值無(wú)明顯差異，表明兩區(qū)段梁體的豎向剛度基本一致，梁體的豎向振動(dòng)不會(huì)引起晃車。

6.3 兩區(qū)段梁端相對(duì)橋墩橫向位移測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

在正常運(yùn)行列車作用下，對(duì)第140、248孔梁梁端相對(duì)橋墩的橫向位移進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)梁端橫向相對(duì)位移對(duì)比見表2。

表2 實(shí)測(cè)梁端橫向相對(duì)位移匯總表

由實(shí)測(cè)結(jié)果分析可得：

（1）實(shí)測(cè)晃車嚴(yán)重區(qū)段第248孔梁梁端橫向相對(duì)位移均明顯大于行車正常區(qū)段第140孔梁梁端橫向相對(duì)位移，這與梁端橫向振幅測(cè)試結(jié)果相一致；

（2）晃車嚴(yán)重區(qū)段第248孔梁梁端橫向相對(duì)位移呈現(xiàn)上行列車大于下行列車、閔行端大于莘莊端的現(xiàn)象。實(shí)測(cè)上行列車通過(guò)時(shí)第248孔梁閔行端橫向相對(duì)位移統(tǒng)計(jì)平均值為0.31 mm，上下行交會(huì)通過(guò)時(shí)實(shí)測(cè)最大值為0.47 mm，表明該支座的橫向限位較第140孔效果明顯偏弱。

6.4 兩區(qū)段橡膠支座豎向壓縮量測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

在正常運(yùn)行列車作用下，對(duì)第140、248孔梁板式橡膠支座豎向壓縮量進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)橡膠支座豎向平均壓縮量對(duì)比見表3。

觀察表3實(shí)測(cè)橡膠支座豎向平均壓縮量可知：

行車正常區(qū)段第140孔梁各橡膠支座實(shí)測(cè)豎向平均壓縮量較為均衡，上下行列車通過(guò)時(shí)左右側(cè)平均壓縮量和梁端橫向扭轉(zhuǎn)引起的豎向位移基本一致。正常情況下，列車通過(guò)時(shí)，由于左右側(cè)偏載的緣故，左右側(cè)橡膠支座承受的壓力并不相同，導(dǎo)致兩側(cè)支座產(chǎn)生不同的豎向位移量，梁體端部會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。而由于橋上線路的線間距為3.30 m，大于左右側(cè)支座中心距2.4 m，致使列車通過(guò)時(shí)左右側(cè)嚴(yán)重偏心，與恒載作用下相比，列車通過(guò)側(cè)支座中心處梁體下降，而另一側(cè)（左或右）支座中心處梁體上升，呈現(xiàn)“反翹”現(xiàn)象。

晃車嚴(yán)重區(qū)段第248孔梁各橡膠支座實(shí)測(cè)豎向平均壓縮量則存在明顯差異，上下行列車通過(guò)時(shí)左右側(cè)平均壓縮量基本一致，而梁端橫向扭轉(zhuǎn)引起的豎向位移偏差較大。上行列車通過(guò)時(shí)莘莊端下行側(cè)支座、下行列車通過(guò)時(shí)閔行端上行側(cè)支座實(shí)測(cè)平均壓縮量均基本為零，與恒載作用下相比，未加載側(cè)支座未出現(xiàn)“反翹”現(xiàn)象，梁端橫向扭轉(zhuǎn)引起的豎向位移明顯偏小，這是由于該兩處支座位置較低所致（圖3）。這也與梁端橫向相對(duì)位移實(shí)測(cè)結(jié)果分布規(guī)律相一致。

表3 實(shí)測(cè)橡膠支座豎向平均壓縮量匯總表

圖3 第248孔梁支座高低位置示意圖

7 結(jié)論

（1）測(cè)試區(qū)段橋梁結(jié)構(gòu)除晃車嚴(yán)重區(qū)段支座鋼板嚴(yán)重銹蝕外未見明顯結(jié)構(gòu)病害。

（2）實(shí)測(cè)兩個(gè)區(qū)段梁體跨中最大橫向振幅均滿足《橋檢規(guī)》行車安全限值要求，實(shí)測(cè)兩個(gè)區(qū)段橋墩墩頂橫向最大振幅均滿足《橋檢規(guī)》墩頂橫向振幅通常值的要求，表明該處30m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁及橋墩的橫向剛度良好，滿足《橋檢規(guī)》要求，能夠保證過(guò)路列車的安全運(yùn)行。

（3）實(shí)測(cè)兩區(qū)段梁體跨中豎向振幅、加速度統(tǒng)計(jì)平均值無(wú)明顯差異，表明兩區(qū)段梁體的豎向剛度基本一致。

（4）實(shí)測(cè)晃車嚴(yán)重區(qū)段梁體、橋墩的橫向振幅及梁體跨中橫向加速度均普遍大于正常行車區(qū)段，這與設(shè)備管理單位反映的晃車現(xiàn)象相一致。

（5）實(shí)測(cè)晃車嚴(yán)重區(qū)段第248孔梁梁端橫向相對(duì)位移均明顯大于行車正常區(qū)段第140孔梁梁端橫向相對(duì)位移，這與梁端橫向振幅測(cè)試結(jié)果相一致；晃車嚴(yán)重區(qū)段第248孔梁梁端橫向相對(duì)位移呈現(xiàn)上行列車大于下行列車、閔行端大于莘莊端的現(xiàn)象，支座的橫向限位較第140孔梁效果明顯偏弱。

（6）由實(shí)測(cè)橡膠支座豎向平均壓縮量可知：行車正常區(qū)段第140孔梁各橡膠支座實(shí)測(cè)豎向平均壓縮量較為均衡，而晃車嚴(yán)重區(qū)段第248孔梁各橡膠支座實(shí)測(cè)豎向平均壓縮量則存在明顯差異，這是由于該孔梁對(duì)角支座位置較低所致，這也與梁端橫向相對(duì)位移實(shí)測(cè)結(jié)果分布規(guī)律相一致。

（7）由于該處絕大部分為高架橋區(qū)段，上下行線間距大于梁跨結(jié)構(gòu)橡膠支座橫向中心距，列車通過(guò)時(shí)梁體承受較大的偏心荷載，梁端產(chǎn)生橫向扭轉(zhuǎn)。若相鄰兩孔梁的梁端橫向扭轉(zhuǎn)基本相同，則列車可平順通過(guò)；而如果由于部分梁體支座安裝位置略有高低，列車通過(guò)時(shí)橡膠支座受力不均衡，相鄰兩孔梁的梁端橫向扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大變化，則可引起左右軌軌面高低變化，從而影響列車平穩(wěn)運(yùn)行。

（8）鑒于實(shí)測(cè)部分支座的橫向限位效果差異明顯，建議選擇晃車嚴(yán)重區(qū)段梁跨作為試驗(yàn)對(duì)象，利用抗震限位裝置加強(qiáng)梁端橫向限位，觀察其對(duì)減小晃車的實(shí)際效果。