京滬高速鐵路淮河特大橋96 m系桿拱動力性能試驗研究

2013-09-05 03:47:44董振升劉鵬輝

鐵道建筑 2013年9期

董振升，劉鵬輝，王巍

(1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2．高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

董振升1，2，劉鵬輝1，2，王巍1，2

(1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2．高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

系桿拱橋是一種集拱與梁的優點于一身的橋型，它將拱與梁兩種基本結構形式組合在一起，共同承受荷載。為評估京滬高速鐵路淮河特大橋96 m系桿拱的動力性能，檢驗列車通過時的平穩性，對96 m系桿拱的自振特性和動車組以各種速度通過橋梁時的動力響應進行測試。試驗數據表明，該結構形式具有足夠的豎向和橫向剛度，動力性能良好，能夠滿足動車組最高350 km/h運行平穩性要求。

高速鐵路系桿拱動力性能試驗研究

《高速鐵路設計規范(試行)》中規定，高速鐵路橋梁上部結構形式應根據橋梁的使用功能、河流水文條件、工程地質情況、軌道類型以及施工設備等因素綜合考慮［1］。系桿拱橋是一種集拱與梁的優點于一身的橋型，它將拱與梁兩種基本結構形式組合在一起，共同承受荷載，充分發揮梁受彎、拱受壓的結構性能和組合作用，拱端的水平推力由系桿承受，使拱端支座不承受水平推力。橋梁動載試驗是研究橋梁動力性能的重要方法之一，目前主要是為相應理論分析提供依據、驗證理論模型的正確性。許多學者采用現場測試的方法，對常用跨度簡支梁進行了研究，并取得了一定的成果［2-5］，但對高速鐵路中系桿拱橋動力性能試驗研究較少，設計上也缺乏相關的數據支持。為評估96 m系桿拱動力性能，檢驗列車通過時的平穩性，本文對系桿拱進行系統的現場動力性能試驗研究。

1 淮河特大橋主橋試驗概況

京滬高鐵淮河特大橋主橋結構形式為96 m系桿拱，矢跨比為1/5，拱肋平面內矢高19.2 m，系梁采用單箱三室預應力混凝土箱形截面，橋面箱寬17.1 m，梁高2.5 m。底板厚30 cm，頂板厚30 cm，邊腹板厚35 cm，中腹板厚30 cm;吊桿布置采用尼爾森體系，吊桿間距為8 m。主梁采用GTQZ型支座，由兩個單向活動支座和兩個多向活動支座組成，設橫向限位裝置，支座中心距14.70 m。橋上線路為CRTSⅡ型無砟軌道［6］。

試驗列車包括:CRH2-C動車組(8輛編組)38趟，速度197.8～363.3 km/h;CRH380AL(16輛編組)動車組52趟，速度295.1～383.0 km/h;CRH380BL(16輛編組)動車組34趟，速度255.3～383.0 km/h。

2 測試內容及方法

試驗主要測試內容如下:①梁體跨中橫向振動(含振幅、強振頻率、自振頻率、阻尼比);②梁體跨中、L/4和3L/4處豎向振動(含振幅、強振頻率、自振頻率、阻尼比，L為跨度);③跨中和L/4處豎向振動加速度;④梁體豎向撓跨比;⑤橋墩墩頂橫向振動(含振幅、強振頻率);⑥梁體跨中和L/4處應變及動力系數。

圖1為96 m系桿拱的測點布置，由于該橋橫跨河流、跨度大，試驗采用網絡組橋方式，實現無人值守智能化采集。測試系統包括遠程控制系統、自動采集系統、無線傳輸系統和供電系統，同時對設備狀態及直流供電模塊的剩余電量進行遠程控制和監控。數據采集具有GPS同步功能，以滿足車—橋以及不同測點之間的數據同步。

圖1 96 m系桿拱測點布置

3 試驗結果及分析

3.1 梁體自振特性、撓跨比和梁端轉角

梁體自振頻率是反映橋梁動力特性的基本參數，梁體自振頻率過低將導致高速列車通過時產生過大振動或共振;同時為了滿足高速行車條件下的行車安全和乘坐舒適的要求，各國規范以靜活載作用下的撓跨比和梁端轉角作為限值指標。表1、表2給出了96 m系桿拱自振頻率、豎向撓跨比和梁端轉角的試驗值、設計計算值。由表1、表2可以看出，實測豎向和橫向自振頻率均比設計計算值大，豎向撓跨比和梁端轉角均比設計計算值小，表明梁體實際剛度比設計的剛度大。

表1 96 m系桿拱梁體自振特性

表2 96 m系桿拱撓跨比和梁端轉角(換算至ZK活載)

根據國內外許多原型橋梁試驗的結果統計，預應力鋼筋混凝土梁的阻尼比為2% ～5%［7］。實測96 m系桿拱豎向振動阻尼比為0.98%，橫向振動阻尼比為1.22%，說明96 m系桿拱比預應力混凝土梁的振動阻尼比小。

3.2 梁體豎向動力響應

動車組v=250.0 km/h時，96 m系桿拱豎向振幅典型三維譜圖見圖2，表示動車組對96 m系桿拱的豎向強振頻率及振動幅值隨時間的變化。動車組作用下，梁體豎向強振頻率與行車速度關系見圖3。從整體趨勢來看，梁體豎向強振頻率與速度呈線性關系。可以看出，與常用跨度簡支梁相比，高速列車速度效應引起的激振規律是一致的，主要與列車速度v和車長有關，相應的強振頻率為v/(3.6d)。

圖2 96 m系桿拱跨中豎向振幅三維譜圖(v=250.0 km/h)

圖3 豎向強振頻率與行車速度關系

圖4～圖8給出了豎向振幅、應變動力系數與行車速度的關系圖。當試驗列車速度為250 km/h左右時，梁體豎向強振頻率接近梁體1階豎向自振頻率，而梁體1階振型為對稱豎彎，所以梁體跨中豎向振幅和應變動力系數出現峰值效應;當試驗列車速度為295 km/h左右時，梁體豎向強振頻率接近梁體2階豎向自振頻率，而梁體的2階振型為反對稱豎彎振型，所以梁體L/4和3L/4處豎向振幅和L/4處應變動力系數出現峰值效應，梁體跨中豎向振幅未出現明顯峰值效應。動車組作用下96 m系桿拱梁體豎向振動加速度也有相同規律。試驗動車組車長為25 m，峰值效應對應的列車速度計算如下。

圖4 跨中豎向振幅與行車速度關系

圖5 L/4處豎向振幅與行車速度關系

圖6 3L/4處豎向振幅與行車速度關系

圖7 跨中應變動力系數與行車速度關系

圖8 L/4處應變動力系數與行車速度關系

圖9和圖10為96 m系桿拱出現峰值效應時和未出現峰值效應時梁體跨中和L/4跨處豎向振幅比較圖。從圖中可以看出，梁體出現峰值時梁體的動力響應明顯大于未出現峰值時的動力響應，約為未共振時的2～3倍。在實際運營中，動車組應盡量避免以共振速度通過橋梁。

圖9 v=255 km/h和v=302 km/h時跨中豎向振幅比較

圖10 v=295 km/h和v=360 km/h時L/4豎向振幅比較

表3為動車組作用下96 m系桿拱豎向振幅、豎向加速度、動力系數的最大值。實測96 m系桿拱豎向加速度遠小于《高速鐵路設計規范(試行)》規定無砟橋面強振頻率不大于20 Hz的豎向振動加速度的限值5.0 m/s2。動車組作用下，系桿拱橋有明顯的動力作用，實測動力增量約為ZK活載的5% ～8%。

表3 96 m系桿拱橋豎向動力響應最大值

3.3 跨中橫向振幅和梁體橫向強振頻率

試驗動車組作用下96 m系桿拱跨中橫向振幅見表4，梁體最大橫向振幅均遠小于《鐵路橋梁檢定規范》［8］的通常值(0.44 mm)，《鐵路橋梁檢定規范》的通常值約為最大值的9倍，由此可見，《鐵路橋梁檢定規范》不太適宜評判高速鐵路大跨度橋梁結構。

表4 跨中橫向振幅匯總

梁體跨中橫向振幅和梁體橫向強振頻率與行車速度的關系見圖11和圖12，梁體的橫向強振頻率與行車速度基本呈線性關系;動車組在385 km/h速度范圍內，橫向強振頻率在2.20～4.39 Hz。當動車組速度為240 km/h左右時，動車組的蛇行運動［9］的頻率與墩梁一體橫向自振頻率相近，梁體跨中橫向振幅出現振動峰值，但橋上同時存在很多節車輛，各節車輛之間的振動相位不同而被相互抵消，實測梁體跨中橫向振幅還是很小;當動車組速度＞300 km/h時，隨著車速的提高，試驗動車組和橋梁之間的相互作用加劇，跨中橫向振幅隨行車速度的提高而增大。

3.4 動車組通過時的平穩性評價

圖11 跨中橫向振幅與行車速度關系

圖12 梁體橫向強振頻率與行車速度關系

動車組通過96 m系桿拱時的輪重減載率、脫軌系數、輪軸橫向力遠小于規范限值，說明在現有橋梁橫向和豎向剛度條件下，能夠滿足動車組通過的安全性。

實測動車組通過96 m系桿拱時輪重減載率、脫軌系數見圖13和圖14;從散點圖上數據規律看，動車組在通過96 m系桿拱特殊結構時，動車組輪重減載率、脫軌系數與相鄰的32 m簡支箱梁相差不大;橋梁跨度和結構形式的變化未對車輛形成過大的動力激發，輪軸橫向力和車體垂向加速度指標也有同樣的規律［10］。CRH380A-L通過96 m系桿拱時的輪重減載率、脫軌系數和輪軸橫向力如表5所示。