支座病害對大跨度鋼桁梁橋的振動影響研究

陳樹禮， 劉永前， 張彥兵

(1. 石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊 050043;2. 河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室，石家莊 050043)

支座病害對大跨度鋼桁梁橋的振動影響研究

陳樹禮1，2， 劉永前1,2， 張彥兵1,2

(1. 石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊 050043;2. 河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室，石家莊 050043)

支座是橋梁結構的重要構件，其技術狀況優劣直接影響到橋梁整體和列車的運營安全。針對朔黃鐵路64 m單線下承式鋼桁梁中出現的固定支座上座板與桁梁連接角鋼斷裂病害，采用數值模擬分析和現場試驗相結合的方法，開展支座病害對大跨度鋼桁梁橋振動特性影響研究，分析支座病害成因并設計整治措施，通過現場試驗完成病害整治效果驗證。研究結果表明：重載運輸快速發展導致支座發生連接角鋼斷裂病害，支座病害改變了約束狀況和橋梁結構受力特點，列車過橋時橋跨結構橫向振動和豎向振動明顯加劇，數值模擬結果和現場試驗數據均驗證了這一規律；通過拆除并更換原有連接角鋼、抬高病害支座高程并保證支座水平等措施能完成病害整治，整治完成后橋跨振動顯著降低，減振效果最大達到30%，效果顯著。

支座病害；鋼桁梁橋；振動；影響；整治

支座是將橋梁上部結構承受的荷重傳遞到下部結構并具有適應橋跨變位功能的重要結構，其中鋼支座則是大、中跨度鐵路鋼橋中常用的的支座形式。隨著重載運輸不斷發展，大軸重、大運量的運輸模式導致列車荷載對橋跨結構的沖擊明顯增大，進而引起支座受力、沖擊增大，伴隨而來的則是支座銹蝕、脫空、傾斜、聯接板開裂、螺栓斷裂等一系列支座病害。支座出現病害損傷后將直接引起橋梁上部結構受力發生變化，特別是對于跨度較大的鋼桁梁橋，支座病害將引起主桁桿件和縱橫梁受力發生變化、橋梁振動加劇、疲勞損傷破壞，情況嚴重者會危及橋梁結構的運營安全，必須引起足夠重視。

針對橋梁支座病害問題，蘭振波等[1-10]進行了深入研究并取得豐富成果，相關研究大都集中在不同類型支座病害的原因分析、失效判別、處理加固、力學試驗和更換等方面，也提出了一些支座病害檢查方法，但有關大跨度鋼桁梁橋固定支座的連接構件斷裂病害的相關研究很少，針對鋼支座病害對橋梁的振動特性影響研究幾乎空白。

對于鐵路橋梁而言，支座病害出現后必然會對列車運行產生影響，而橋梁的運營性能指標則是判別列車正常運營的主要參數，支座病害引起哪些性能指標的變化都是值得深入研究的問題。據此，本文以朔黃鐵路243#橋為工程實例，針對出現的固定支座上座板與桁梁連接角鋼斷裂病害，開展原因分析及加固設計，并就支座病害對大跨度下承式鋼桁梁橋的振動特性影響，開展數值模擬分析和現場試驗研究。

1 橋梁概況及支座病害

朔黃鐵路243#橋(上行線)第30孔為64 m跨度栓焊下承式鋼桁梁橋，單線，橋面系全長65.24 m，H形截面主桁，縱橫梁橋面系結構，下部結構為鉆孔樁基礎，圓端形板式橋墩，鋼支座，其中小里程側為活動支座(輥軸支座)，大里程側為固定支座。朔黃鐵路機車類型主要是和諧型和韶山型機車，主要運營C64型和C70通用敞車以及C80型、KM98型鋁合金運煤敞車，滿載列車軸重為21～30 t，目前已經大面積運營1萬 t、2萬 t 重載列車。

病害發生在上行線外側固定支座(圖1所示，2013年5月22日發現)處，支座上座板與桁梁的連接角鋼縱向貫通斷裂破壞。橋上無車時支座上座板與主桁脫空，連接角鋼翹起，翹起高度約2 mm；橋上過車時，連接角鋼向下壓死，與支座上座板緊密貼合。另外，在支座正上方，橋門架斜桿下方與支座聯接位置處，橫向聯接節點板綴板豎向螺栓處和拐點處連接角鋼也出現了豎向裂縫[11-12]。圖1為橋梁實景，圖2為支座病害具體情況。

圖1 橋梁實景

圖2 支座病害

發現固定支座病害后，第一時間完成了鋼桁梁橋支座高程測量、全橋線形測量。測量結果表明：出現病害的支座在全橋4個支座中高程最低，且與鄰近支座高差相差較大(達到10.6 mm)，假設固定支座高程為0，則臨近固定支座高程為10.6 mm，橋跨另一側對應活動支座高程分別為22.7 mm和27.3 mm。病害支座上表面也存在較大高低不平，4個角最大相對高差為2.2 mm；鋼桁梁橋縱向整體上表現為西高東低，內高外低，東西高差約20 mm，內外高差在6～13 mm之間，西側高差大而東側高差小，整個橋梁存在一定程度的扭曲變形。

2 數值模擬分析

支座病害發生后不可避免會對橋梁結構受力、動力響應產生影響，故采用仿真分析的手段完成支座病害對橋梁振動性能影響規律研究。

2.1 模型建立

采用MIDAS/Civil建立64 m單線鐵路下承式鋼桁梁橋計算模型進行計算，不考慮節點板剛度不足的影響，根據設計圖紙尺寸采用自定義截面的方法輸入截面特性。

所有桿件均采用梁單元建模，單元間連接全部為剛接，全橋共劃分為426個單元，節點數量為276個；圖3為鋼桁梁有限元模型。

圖3 鋼桁梁橋模型

2.2 數值分析結果

采用移動荷載法進行仿真分析，計算時采用移動荷載和移動質量模擬車輛過橋，共考慮4種不同的計算工況：

(1) 考慮支座處于理想水平狀態，四個支座均處于同一水平面上，支座連接角鋼未斷裂，約束x、y、z方向的平動自由度；

(2) 考慮支座處于理想水平狀態，四個支座均處于同一水平面上，支座上座板與桁梁連接角鋼斷裂，解除部分支座約束。

(3) 考慮支座實際高程，支座正常，支座連接角鋼未斷裂，約束x、y、z方向的平動自由度；

(4) 考慮支座實際高程，模擬支座實際發生病害，支座連接角鋼斷裂，解除部分支座約束。

計算時，模擬C80貨車以60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h速度過橋，貨車自重20 t，載重80 t，每軸重25 t，計算在移動荷載作用下橋梁的動力響應。表1為不同速度下參數最大值計算表。

表1 不同速度下部分參數(最大值)計算值

由表1可知：4種工況下，隨列車速度增加，橋跨跨中橫向振幅、豎向振幅和橫向加速度基本上呈增大趨勢，連接角鋼斷裂情況下，支座具有初始高低不平狀態下橋跨橫向和豎向振動數值略大于支座正常狀態下數值，支座高度不平導致橋跨受力更為不利。

支座高程理想水平狀態下，連接角鋼斷裂引起橋跨橫向振動和豎向振動加劇，其中跨中橫向振幅、橫向加速度、豎向振幅最大增幅分別為24.0%(60 km/h)、30.4%(75 km/h)和6.9%(65 km/h)；當支座處于實際高程狀態，連接角鋼斷裂導致橋跨振動遠大于支座理想水平狀態下數值，其中跨中橫向振幅、橫向加速度、豎向振幅最大增幅分別為25.0%(60 km/h)、29.1%(75 km/h)和16.6%(65 km/h)。

對比橋跨橫向振動和豎向振動數據，支座角鋼斷裂對橋跨橫向振動的影響更為明顯，而支座高低不平則影響橋梁豎向振動更多。角鋼斷裂后改變了支座約束狀態，固定變活動，約束大大降低，列車過橋時蛇形運動導致橫向振動加劇。而在模擬支座角鋼斷裂時，工況2、4兩種狀況下鋼桁梁仍然與支座連接密切，未發生連接角鋼翹起狀況，導致計算得到的豎向振動數據偏小。

數值模擬結果表明：支座與桁架連接角鋼斷裂，將導致橋跨跨中橫向振幅、豎向振幅和橫向加速度明顯增大，大于角鋼未斷裂時數值，支座高低不平也導致橋跨振動加劇，隨速度增加，橋跨振動逐漸增大，已經對列車運營安全造成一定影響，需加以重視。

3 現場試驗

3.1 試驗內容

支座病害出現后，針對鋼桁梁橋(2013年6月16日)進行了現場試驗，與病害發生前的歷史運營性能試驗數據(2012年6月測試、2008年7月測試)進行對比，分析支座病害發生與否對橋跨結構的振動影響規律。

運營性能試驗主要測試在正常運營列車作用下橋跨跨中結構的跨中橫向振幅、跨中橫向加速度、跨中豎向振幅等參數[13]。

試驗時以實際通過該橋的運營車輛作為試驗荷載，列車正常運營。2008年運行列車主要為C64K、C70A兩種車型，2012年以后運行列車主要為C64K、C70A、C80車型。振動測試選用中國地震局哈爾濱工程力學研究所生產的941型拾振器，配套放大器，數據采集、記錄和分析由NV306智能信號數據采集與處理系統完成，圖4為試驗測點布置圖。

圖4 現場試驗測點布置圖

3.2 結果分析

實測243#橋實際運營速度主要在65～75 km/h之間變化，2008～2013年共完成三次現場測試，支座病害發生前后橋梁振動參數統計值見表2，實測參數和速度關系圖見圖5。

表2 支座病害發生前后實測參數統計

(a)

(b)

由表2和圖5可知：

(1) 支座病害發生后，運營列車通過時，橋跨跨中橫向振幅變化不明顯，但橋跨跨中橫向振動加速度和豎向振幅明顯增大，對比2008年測試數據，其中橫向加速度最大值增加27.4%、平均值增加26.3%，豎向振幅最大值增加61.0%，平均值增加34.3%。

(2) 病害發生前后短期時間內，實測橋跨跨中橫向加速度均有部分測次超過《鐵路橋梁檢定規范》所規定的≤1.4 m/s2的要求。從2008年～2013年，橋跨跨中橫向加速度和豎向振幅隨時間推移逐漸增大，可以判斷出支座病害的發生是一個損傷累積變化的過程，隨著軸重和運量不斷增加，疲勞不斷加劇，最終導致角鋼疲勞斷裂破壞。

(3) 支座病害出現后，實測阻尼比有增大趨勢，2013年數值比2008年增幅約37.4%。

(4) 支座病害對橋梁結構振動影響很大，固定支座處連接角鋼斷裂導致橋梁上部結構完全自由，列車過橋時在x、y、z三個方向均可能出現變形和位移，病害的出現導致橋梁橫向振動和豎向振動急劇增大，危及行車安全。

(5) 多次現場實測數據均遠大于理論計算值，但支座病害引起的橋跨振動規律基本一致。橋梁已經建成投入使用近20年，出現了包括支座病害、鋼結構銹蝕等多種病害，結構耐久性和承載能力較設計均有所降低，各種因素均會對橋梁振動特性產生影響，而理論計算時均按照設計圖紙進行建模計算，導致理論計算數據會小于現場實測數據。

多次橋跨運營性能試驗表明：支座連接角鋼斷裂導致橋跨跨中豎向振幅和橫向加速度顯著增大，部分數據已經超限，對行車安全造成很大不利影響。

4 病害原因分析及處理

4.1 病害原因分析

固定支座傳的作用是傳遞豎向力和水平力，其中包括可能產生的制動力、風力、活動支座的摩阻力、主梁彈性撓曲對支座的拉力等，允許上部結構在支座處能自由轉動但不能水平移動。當支座連接角鋼斷裂后，梁體自由，橋梁約束狀態發生根本性改變，全橋只剩余1個固定支座，其余三個支座均成為活動支座，整個橋梁受力狀態完全發生改變，列車通過時，豎向力和橫向力疊加導致橋梁受力復雜。數值模擬和現場試驗結果表明，支座病害對橋梁橫向振動造成很大影響，引起橋跨結構橫向振動和豎向振動加劇， 2008年～2013年現場試驗中部分實測橋跨橫向加速度已經超過《鐵路橋梁檢定規范》相關限值要求，嚴重情況下將會危及行車安全。

根據理論分析結果和測量結果，分析固定支座出現病害的原因。首先，從結構受力方面考慮，正常狀態下支座與桁梁連接角鋼處于受壓狀態，壓應力不會引起疲勞開裂，而角鋼的面外變形受到約束會引起次應力，這可能是導致連接角鋼疲勞斷裂的直接原因；其次，支座正常狀態下應處于同一平面上，但實際上鋼桁梁4個支座存在較大的高低不平和脫空情況，且梁體結構存在扭轉變形，導致鋼桁梁受力狀態發生改變，連接角鋼受扭轉作用，荷載循環往復，引起連接角鋼疲勞拉裂；最后，列車軸重和運量的急劇增加導致支座受力和沖擊明顯增大，在重載列車的不斷沖擊及反復作用下，構件疲勞加劇，導致支座上座板與桁梁的連接角鋼發生疲勞斷裂破壞。

4.2 處理措施

針對支座病害的具體情況，經過多方論證，制定了病害整治措施，并在243#橋上進行實施，支座病害整治工作在天窗時間內完成，不影響線路和列車的正常運營。

具體的病害整治措施是：拆除原有已經斷裂的支座上座板與桁梁的連接角鋼，更換成更大尺寸的角鋼，在連接角鋼的下方墊2 mm厚鋼板，抬高病害支座高程與下游側固定支座基本一致；更換橋門架斜桿下方與支座聯接位置綴板；更換支座上座板與桁梁連接的所有螺栓，所有構件安裝完畢后涂刷油漆進行防護。圖6為整治后的支座。

(a)(b)

圖6 整治后的支座

Fig.6 The bearing after the renovation

4.3 整治效果驗證

整治完成后進行了現場試驗，與整治前試驗數據進行對比，驗證整治效果。實測支座病害整治前后橋梁振動參數統計值見表3，實測振動參數和速度關系圖見圖7～圖8。

表3 支座病害整治前后橋梁跨中實測參數統計

圖7 橫向加速度和速度關系圖

從表3和圖7～圖8可知：

(1) 支座病害整治后，橋跨跨中橫向振幅平均值變化不明顯，最大值降低，且橋跨跨中橫向振動加速度和豎向振幅明顯減小，對比整治前數據，其中橫向加速度最大值減小27.5%、平均值減小30.4%，豎向振幅最大值減小13.8%，平均值減小18.4%。

圖8 豎向振幅和速度關系圖

(2) 支座病害整治后，實測橋跨跨中橫向加速度最大值已經滿足《鐵路橋梁檢定規范》所規定的限值要求；實測阻尼比明顯減小，減小幅度為35.2%，低于2008年數值。

(3) 病害整治后，支座約束達到設計狀態，橋梁結構受力正常，實測橋跨運營性能指標明顯減小，實測各項參數均已滿足規范相關要求，整治效果顯著。

5 結 論

針對大跨度單線下承式鋼桁梁橋出現的支座連接角鋼斷裂病害，通過數值模擬分析，分析研究了支座病害對橋跨結構的振動特性影響，研究了支座病害發生的原因、對結構的振動影響，針對支座病害設計了整治方案并具體實施，在病害整治前后進行運營性能試驗，與既往現場試驗進行對比，研究振動參數變化規律，驗證整治效果，研究結果表明：

(1) 理論分析和現場試驗結果表明：支座與桁架連接角鋼斷裂，將導致橋跨跨中橫向振幅、豎向振幅和橫向加速度明顯增大，影響列車安全運營，必須加以重視并及時處理。

(2) 支座高低不平、面外變形、梁體扭轉、列車軸重和運量的急劇增加是導致鋼支座與桁梁連接角鋼斷裂的主要原因。支座破壞改變了橋梁受力狀態，荷載作用下的橋跨結構振動特性更加復雜，支座病害出現導致跨中橫向振動加速度和豎向振幅明顯增大，數值模擬分析和現場試驗均驗證了這一規律，現場實測部分參數數值偏大，已經危及行車安全，必須對支座病害問題加以重視，同時采取相關措施進行整治。

(3) 通過采取拆除并加大原有連接角鋼、在支座上座板上方墊鋼板，更換綴板和所有連接螺栓，以及重新涂刷油漆的措施，能夠達到科學整治支座病害的目的，病害處理完成后能大幅降低列車過橋時橋跨結構的動力響應，整治效果顯著。

(4) 隨著重載運輸的不斷發展，C80、KM98等大軸重貨運列車在朔黃鐵路相繼大面積運行，2015年運量已經達到2.4億t，大軸重、大運量對橋梁結構的運營性能和受力都帶來了很多不利影響。支座作為橋梁中一個重要構件，反力增加、疲勞加劇，病害出現和發展變化迅速，在橋梁日常檢查中，必須將支座檢查和養護作為重點，密切觀察，及時維護，保證支座始終處于良好的工作狀態。

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Effects of bearing damage on vibration characteristics of a large span steel truss bridge

CHEN Shuli1,2, LIU Yongqian1,2, ZHANG Yanbing1,2

(1. Structure Health Monitoring and Control Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2. The Key Laboratory for Health Monitoring and Control of Large Structures Hebei Provincial, Shijiazhuang 050043, China)

Bearings are important components of a bridge structure and their technical status directly affects the whole bridge and train running’s operation safety. Here, aiming at the broken angle steel connecting between bearing and truss girder of a 64 m single-line steel truss bridge of Shuo-huang railway, the method of field tests combined with numerical simulation was adopted to study the influences of bearing damage on the vibration characteristics of the large span steel truss bridge, to analyze damage causes, to design renovation measures, and to verify the damage control effect with on-site tests. The results of numerical simulation and field tests showed that heavy-haul transportation development causes the connecting angle steel fracture damage of a bearing; the bearing damage changes constraint conditions and stress characteristics of the bridge structure, train’s passing through the bridge causes transverse vibration and vertical one of the bridge to significantly go up; the bearing damage can be eliminated by replacing the original connection angle steel, improving the elevation of the bearing, and ensuring the bearing to be horizontal, then the bridge vibration can be decreased by 30% after renovations are completed.

bearing damage; steel truss bridge; vibration; influence; renovation

國家高技術研究發展計劃863計劃(2009AA11Z102)；鐵道部科技研究開發計劃(2012G011-A)；河北省大型基礎設施防災減災協同創新中心；河北省高等學校科學技術研究(QN2015258)

2016-03-03 修改稿收到日期：2016-05-25

陳樹禮 男，碩士，副教授，1978年生

劉永前 男，博士，教授，1969年生

U24；U443.36+2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.13.031