高速鐵路軌道-簡(jiǎn)支梁橋系統(tǒng)橋上行車(chē)性能試驗(yàn)研究

蔣麗忠，聶磊鑫，周旺保，張?jiān)铺?，余建，柴喜?/p>

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，湖南長(zhǎng)沙，410075)

隨著我國(guó)高速鐵路行車(chē)速度和荷載幅度不斷增大，軌道-橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)日益引起重視。行進(jìn)的列車(chē)會(huì)對(duì)軌道系統(tǒng)和橋梁產(chǎn)生動(dòng)力沖擊作用[1]，引起動(dòng)態(tài)變形和共振現(xiàn)象[2-3]。在各國(guó)高速鐵路快速發(fā)展的過(guò)程中，主要采用數(shù)值模擬或與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法來(lái)研究高速列車(chē)-軌道-橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力相互作用關(guān)系。

為了保證列車(chē)在高速鐵路橋上運(yùn)行的安全性及車(chē)輛對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，董亮等[4-6]以實(shí)際工程為背景，采用數(shù)值模擬的方法建立了車(chē)輛-軌道-橋梁的動(dòng)力分析仿真模型，計(jì)算并分析了列車(chē)的安全性和舒適性指標(biāo)以及軌道-橋梁動(dòng)力響應(yīng)的一般規(guī)律。為了增加數(shù)值仿真模型和理論模型的可信度，國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)采用了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法驗(yàn)證模型的正確性。XIA 等[7-9]將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證了所建立的數(shù)值模型，并計(jì)算分析了車(chē)-橋的動(dòng)力響應(yīng)；GARINEI 等[10-11]針對(duì)高速鐵路橋梁、路基進(jìn)行了大量相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn)；孫常新等[12-14]研究了高速列車(chē)對(duì)路基動(dòng)力響應(yīng)的影響，結(jié)果表明模擬和試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性一致；劉鵬輝等[15-17]基于驗(yàn)證后的數(shù)據(jù)模型分析了車(chē)輛-軌道-橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。這些研究為鐵路橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的研究奠定了基礎(chǔ)。然而，對(duì)于行車(chē)條件下高速鐵路橋梁動(dòng)力響應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成本高、組織困難，室內(nèi)試驗(yàn)相比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更簡(jiǎn)單可行。由于國(guó)內(nèi)外缺乏室內(nèi)橋上行車(chē)試驗(yàn)平臺(tái)，目前室內(nèi)試驗(yàn)研究成果仍然較少，因此，有必要開(kāi)展列車(chē)-軌道-橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)及行車(chē)室內(nèi)試驗(yàn)研究，這對(duì)高速鐵路車(chē)橋動(dòng)力理論及設(shè)計(jì)應(yīng)用具有重要意義。

本文根據(jù)高速鐵路橋梁的構(gòu)造特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室縮尺模型試驗(yàn)，縮尺比例為1∶10。通過(guò)縮尺模型試驗(yàn)對(duì)行車(chē)作用下的高速鐵路CRTSII 型無(wú)砟軌道橋梁的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，分析不同車(chē)速情況下橋跨上不同位置不同構(gòu)件的豎向位移時(shí)程，探明不同構(gòu)件和位置受行車(chē)作用的動(dòng)力響應(yīng)差異，揭示行車(chē)速度對(duì)各構(gòu)件動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律，為后續(xù)研究提供試驗(yàn)依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皡?shù)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?1跨CRTSII型無(wú)砟軌道高速鐵路簡(jiǎn)支梁橋一體化縮尺模型，縮尺比為1∶10，在模型兩側(cè)配備行車(chē)系統(tǒng)的加速裝置和減速裝置，如圖1所示。為保證行車(chē)試驗(yàn)的可行性和準(zhǔn)確性，縮尺模型在行車(chē)試驗(yàn)中始終處于彈性工作狀態(tài)，各構(gòu)件截面嚴(yán)格保證幾何相似和材料相似，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨票热绫? 所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，軌?橋梁結(jié)構(gòu)部分由橋墩、支座、主梁和軌道系統(tǒng)組成，軌道系統(tǒng)包括滑動(dòng)層、底座板、CA 砂漿層、軌道板、扣件、鋼軌、剪力齒槽、剪切鋼筋、L型側(cè)向擋塊等。上部結(jié)構(gòu)整體布置示意圖如圖2所示，各構(gòu)件詳細(xì)參數(shù)如下。

圖2 軌道-橋梁結(jié)構(gòu)布置圖Fig.2 Track-bridge structure layout

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)相似比Table 1 Similarity ratio of experimental model parameter

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图把b置Fig.1 Test model and devices

1)橋墩。橋墩選用Q235 鋼材，高度為500 mm，沿橋梁橫向?qū)挾葹?00 mm，縱向?qū)挾葹?00 mm，厚度為10 mm的空心矩形橋墩截面。

2)主梁。主梁選用Q235鋼材，每跨簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度為3 260 mm，梁高為180 mm，截面尺寸如圖2(c)所示，其中，為防止結(jié)構(gòu)發(fā)生局部扭轉(zhuǎn)或屈曲變形，在中間分段布置板厚為8 mm輔助支撐板。

3)底座板。底座板選用Q235鋼材，等效縮尺設(shè)計(jì)后寬度為295 mm，厚度為8.5 mm，縱向連續(xù)鋪設(shè)。

4)軌道板。軌道板選用Q235鋼材，等效縮尺設(shè)計(jì)后長(zhǎng)度為645 mm，寬度為255 mm，厚度為9 mm，軌道板之間作縱向連續(xù)處理。

理解是背誦的基礎(chǔ)。只有在課堂上充分研讀課文，引導(dǎo)學(xué)生品悟語(yǔ)言文字、感悟意境，才能真正讓學(xué)生融入言語(yǔ)情境，體會(huì)內(nèi)容，讀出感情，從而熟讀成誦。以教學(xué)古詩(shī)《送元二使安西》為例，引導(dǎo)學(xué)生讀出故事發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境，學(xué)生腦海中便能呈現(xiàn)出鮮活的畫(huà)面感：渭城初春的清晨，天氣帶著涼意，雨中的客舍和柔柳，讓人感到清新而又親切。然而，好朋友分別，依依不舍之情油然而生，尤其是老師介紹到寫(xiě)作背景——元二要去的，是塞外荒漠，等待他的，將是孤身漂泊，前途渺茫。課行此處，詩(shī)人的情感和詩(shī)的意境互相交融，學(xué)生融情入境，便能讀出留戀，讀出深情，更加深入地理解了文本，從而為背誦打下了基礎(chǔ)。

5)承軌臺(tái)。相似設(shè)計(jì)縮尺后，采用長(zhǎng)度為29 mm、寬度為80 mm、厚度為4 mm的鋼片模擬。承軌臺(tái)與軌道板之間通過(guò)螺栓連接，單塊軌道板上設(shè)置10對(duì)承軌臺(tái)，其中心線縱向間距為65 mm。

6)CA砂漿層。在底座板頂面和軌道板底面之間填充厚度為3 mm、寬度為255 mm 的巴斯夫ConipurM867F聚氨酯膠。

7)滑動(dòng)層。在梁體上方用巴斯夫ConipurM867 F 聚氨酯膠(實(shí)際高鐵橋梁中兩布一膜層中使用的膠黏劑)粘貼寬度為295 mm、厚度為3 mm 的低密度聚乙烯土工膜。

8)剪切鋼筋。剪切鋼筋選用Q420鋼材，采用直徑為2 mm、長(zhǎng)度為20.5 mm 的螺桿。剪切鋼筋布置見(jiàn)圖2(a)，每塊軌道板在梁縫兩側(cè)各設(shè)2排剪切鋼筋，每排2 根，即每塊承軌臺(tái)中心線下各1根。

9)剪力齒槽。剪力齒槽選用Q345鋼材，設(shè)置在固定支座上方。采用直徑為2 mm、長(zhǎng)度為20.5 mm 的螺栓，在每塊軌道板下設(shè)置間距為27 mm 的2 排鋼條，每排各7 根，共14 根，其中，軌道板中心線上2 根，軌道板中心線兩側(cè)各6 根，鋼條沿橋梁橫向的間距為42 mm，2排鋼條的中心線距固定支座梁端188 mm，如圖2(a)所示。

10)側(cè)向擋塊。側(cè)向擋塊選用Q235 鋼材，鋼制L型側(cè)向擋塊長(zhǎng)度為27 mm，底寬為10 mm，頂寬為30 mm，高度為21.5 mm。擋塊與梁底焊接在一起，與底座板和軌道板接觸的3個(gè)面設(shè)置厚度為1 mm的硫化橡膠墊板。從距固定支座處剪力齒槽中心線800 mm 處開(kāi)始設(shè)置側(cè)向擋塊，間隔為800 mm，單跨梁共計(jì)12個(gè)側(cè)向擋塊。

11)鋼軌。采用CHN60 型鋼軌按1:10 進(jìn)行縮尺，選用紫銅澆筑而成。

13)支座。支座布置如圖2(b)所示。在軌道-橋梁結(jié)構(gòu)整體縮尺模型制作中，支座基本原則和需求為：橋梁梁體在行車(chē)試驗(yàn)中需處于彈性工作狀態(tài)，不發(fā)生局部扭轉(zhuǎn)屈曲等變形，具有足夠的剛度。支座內(nèi)的承壓橡膠板提供梁端部轉(zhuǎn)動(dòng)的需要，聚四氟乙烯板提供梁端與橋墩之間相對(duì)滑動(dòng)的位移需要。橡膠板厚度為4 mm，聚四氟乙烯板的厚度為0.5 mm。

14)車(chē)輛。車(chē)輛模型如圖1 所示。車(chē)輛外形采用CRH380AL 型動(dòng)車(chē)組車(chē)頭外形[18]，幾何縮尺比為1∶10，車(chē)輛具有2對(duì)轉(zhuǎn)向架，前后間距為1.75 m，每對(duì)轉(zhuǎn)向架包含2對(duì)車(chē)輪，輪距為0.25 m。車(chē)輛總體質(zhì)量為108 kg。

1.2 試驗(yàn)工況及測(cè)量方案

1.2.1 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)通過(guò)行車(chē)設(shè)備的加速裝置為列車(chē)提速，共設(shè)置5 種車(chē)輛初始速度，分別為4，5，6，7 和8 m/s。車(chē)輛通過(guò)測(cè)試段時(shí)，因行駛距離較短，摩擦力等環(huán)境因素對(duì)速度影響較小，可認(rèn)為其速度均勻變化，最后，通過(guò)位于測(cè)試段的IP67 反射型光纖傳感器測(cè)速系統(tǒng)獲取列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的真實(shí)速度，測(cè)速裝置如圖1所示。

1.2.2 測(cè)點(diǎn)布置

整個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸灿?1 跨簡(jiǎn)支梁，由于測(cè)量設(shè)備有限，選取橋梁中間跨(6號(hào)跨)的軌道-橋梁系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。采用VIC-3D高速系統(tǒng)中的高速攝像機(jī)測(cè)量橋墩及跨內(nèi)的鋼軌、軌道板、底座板和主梁的豎向位移響應(yīng)，在對(duì)中跨區(qū)域測(cè)量后，通過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。為了得到更高的測(cè)量精度和空間分辨率，高速攝像機(jī)的測(cè)量范圍取半跨簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度。

VIC-3D 高速系統(tǒng)分析基于樣品表面的散斑圖案進(jìn)行觀測(cè)，因此，需要在測(cè)量對(duì)象布置適當(dāng)?shù)纳邎D樣，結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。對(duì)于橋墩與主梁，可以直接將整體散斑圖直接布置在結(jié)構(gòu)相應(yīng)區(qū)域內(nèi)，測(cè)量場(chǎng)位移。對(duì)于軌道系統(tǒng)，由于底座板、軌道板和鋼軌的豎向間距太小，因此，采用分段等間距測(cè)量，即等間距在構(gòu)件上布置測(cè)點(diǎn)。

圖3 VIC-3D高速攝像系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 VIC-3D high-speed camera system and layout of structural measuring points

2 試驗(yàn)結(jié)果處理及分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

為提高采集精度，隨著行車(chē)速度提高，采集幀率也應(yīng)適當(dāng)提高，車(chē)速4，5，6，7和8 m/s對(duì)應(yīng)的采集幀率分別為800，1 000，1 200，1 400 和1 600 Hz。以行車(chē)速度4 m/s 時(shí)為例，結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖如圖4所示?？梢?jiàn)：在輪-軌接觸的位置，豎向位移云圖顏色偏深，說(shuō)明輪對(duì)與橋-軌系統(tǒng)接觸位置的局部效應(yīng)顯著。經(jīng)高速攝像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)高分辨率圖像處理后得到原始位移時(shí)程，顯然，原始位移信號(hào)中含有較多噪聲信號(hào)。為準(zhǔn)確分析行車(chē)對(duì)軌道-橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，需對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行降噪處理。相比于傅里葉變換，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)，小波變換對(duì)其中的高頻白噪聲處理優(yōu)勢(shì)更大[19]，因此，本文基于Origin數(shù)據(jù)處理軟件，采用小波變換默認(rèn)閾值法對(duì)位移響應(yīng)時(shí)程進(jìn)行降噪處理。經(jīng)不同參數(shù)下的降噪結(jié)果對(duì)比確定降噪處理最佳參數(shù)為：小波類(lèi)型采用Daubechis10，降噪5次。以車(chē)速4 m/s和8 m/s時(shí)的跨中鋼軌變形時(shí)程信號(hào)為例，降噪前后鋼軌變形時(shí)程曲線對(duì)比如圖5所示。

圖4 高速攝像機(jī)采集的結(jié)構(gòu)豎向變形云圖Fig.4 Vertical deformation nephogram acquired by highspeed camera

2.2 不同速度下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)規(guī)律

為研究行車(chē)對(duì)高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律，分析車(chē)速為4，6 和8 m/s 下鋼軌、軌道板、底座板和主梁的跨中豎向位移時(shí)程變化規(guī)律，如圖6所示。由圖6可知，在同一行車(chē)速度下，不同構(gòu)件層的豎向位移時(shí)程曲線的峰值及其形狀均有顯著差異；底座板、軌道板、鋼軌的豎向位移響應(yīng)峰值依次增大，這是因?yàn)榭奂虲A砂漿層的彈簧阻尼效應(yīng)降低了軌下結(jié)構(gòu)的車(chē)輛動(dòng)力效應(yīng)；主梁和底座板的豎向位移時(shí)程曲線形狀基本一致，這是因?yàn)榛瑒?dòng)層豎向剛度近似剛性，其阻尼效應(yīng)不明顯。各構(gòu)件的豎向位移時(shí)程曲線形狀均有2處突變，其中，鋼軌時(shí)程曲線形狀突變幅值最大，軌道板、底座板和主梁的鋼軌時(shí)程曲線形狀突變幅值依次減弱，說(shuō)明輪對(duì)與橋-軌系統(tǒng)接觸位置的局部效應(yīng)非常顯著，且因?qū)娱g阻尼效應(yīng)的影響，輪對(duì)局部作用對(duì)軌道板、底座板和主梁的動(dòng)力變形的影響依次減弱。對(duì)于不同的行車(chē)速度，同一構(gòu)件層的豎向位移時(shí)程曲線形狀基本一致，但震蕩幅值波動(dòng)較大。以主梁為例，隨行車(chē)速度的增加，主梁豎向位移時(shí)程曲線震蕩波動(dòng)明顯增大，與車(chē)速4 m/s時(shí)相比，車(chē)速8 m/s時(shí)的震蕩幅值增大約75%。

圖6 不同車(chē)速構(gòu)件豎向位移時(shí)程曲線Fig.6 Time-history curves of components vertical displacement at different speeds

不同行車(chē)速度下各構(gòu)件順橋向位置豎向位移峰值如圖7所示。由圖7可知，不同順橋向位置的豎向位移峰值有顯著差異。距跨中位置越近，主梁和底座板的豎向位移峰值越大，其增幅分別為23%～86%和32%～75%，而軌道板和鋼軌的豎向位移峰值增大趨勢(shì)并不明顯；列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)構(gòu)件的豎向位移峰值有一定影響，當(dāng)行車(chē)速度為8 m/s時(shí)，各構(gòu)件層的豎向位移峰值均達(dá)到最大。各構(gòu)件層的豎向位移實(shí)測(cè)最大值與行車(chē)速度的關(guān)系曲線如圖8所示。從圖8可以看出：各構(gòu)件層的豎向位移實(shí)測(cè)最大值隨速度增大呈波動(dòng)增大趨勢(shì)。綜上可知：列車(chē)作用下的CRTSII 型無(wú)砟軌道高速鐵路簡(jiǎn)支梁橋各構(gòu)件的豎向位移響應(yīng)受行車(chē)位置、行車(chē)速度等因素影響顯著，在實(shí)際工程中應(yīng)關(guān)注臨界速度，避免軌道結(jié)構(gòu)過(guò)大變形而造成損傷。

圖7 不同車(chē)速下各構(gòu)件順橋向位置豎向位移峰值Fig.7 Vertical displacement peaks of component position along bridge at different speeds

圖8 車(chē)速與構(gòu)件豎向位移實(shí)測(cè)最大值的關(guān)系Fig.8 Relationship between driving speed and actual maximum vertical displacement of components

2.3 不同速度下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系數(shù)變化

動(dòng)力系數(shù)能夠反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力增大效應(yīng)，基于降噪處理后的位移響應(yīng)時(shí)程曲線，各層動(dòng)力系數(shù)δ可按下式進(jìn)行計(jì)算[20]：

式中，Smax為動(dòng)力荷載作用下實(shí)測(cè)檢測(cè)部位的動(dòng)力變形最大值，Smin為與Smax在同一周期內(nèi)的實(shí)測(cè)動(dòng)力變形極小值。

構(gòu)件豎向位移動(dòng)力系數(shù)與行車(chē)速度的關(guān)系如圖9所示。從圖9可以看出：鋼軌、軌道板、底座板和主梁的動(dòng)力系數(shù)隨行車(chē)速度的增大均出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，且整體上呈現(xiàn)隨行車(chē)速度的增大而增大的趨勢(shì)；主梁與底座板的動(dòng)力系數(shù)相近，在1.1～1.3 范圍內(nèi)波動(dòng)；軌道板及鋼軌動(dòng)力系數(shù)相近，在1.3～1.7范圍內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明CA砂漿層的阻尼效應(yīng)使主梁及底座板的動(dòng)力系數(shù)明顯小于軌道板及鋼軌的動(dòng)力系數(shù)，調(diào)整CA砂漿層的彈簧阻尼參數(shù)能有效控制移動(dòng)列車(chē)作用下橋梁-軌道系統(tǒng)動(dòng)力特性。

圖9 車(chē)速與構(gòu)件豎向位移動(dòng)力系數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between speed and dynamic coefficient of components vertical displacement

3 結(jié)論

1)層間阻尼效應(yīng)使不同構(gòu)件層的豎向位移時(shí)程曲線的峰值和形狀有顯著差異，底座板、軌道板、鋼軌的豎向位移響應(yīng)峰值依次增大，主梁和底座板的豎向位移時(shí)程曲線形狀基本一致。

2)對(duì)于不同的行車(chē)速度，同一構(gòu)件層的豎向位移時(shí)程曲線形狀基本一致；隨行車(chē)速度的增加，各構(gòu)件的豎向位移時(shí)程曲線震蕩波動(dòng)明顯增大。

3)輪對(duì)與橋-軌系統(tǒng)接觸位置的局部效應(yīng)非常顯著，且因?qū)娱g阻尼效應(yīng)的影響，輪對(duì)局部作用對(duì)軌道板、底座板和主梁的動(dòng)力變形的影響依次減弱。

4)隨行車(chē)速度的增大，鋼軌、軌道板、底座板和主梁的動(dòng)力系數(shù)整體上呈波動(dòng)增大的趨勢(shì)；軌道板和鋼軌動(dòng)力系數(shù)比較接近且明顯大于主梁和底座板的動(dòng)力系數(shù)，調(diào)整CA砂漿層阻尼參數(shù)能有效控制移動(dòng)列車(chē)作用下橋梁-軌道系統(tǒng)動(dòng)力特性。