臺風作用下高速鐵路系桿拱橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)實測研究

陸滿成 中國鐵路上海局集團有限公司科技和信息化部

1 背景簡介

京滬高鐵錫澄運河橋為先拱后梁鋼管混凝土系桿拱橋，位于江蘇省無錫市，運營里程為K1186+849，為下承式平行系桿拱橋，梁孔長100 m，矢跨比為1/5，拱肋平面內(nèi)矢高19.2 m，2009年10月1日全橋合攏，2011年6月30日通車運營。

2017 年4 月20 日該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試完成并投入使用，全橋在9 個截面布置了80 個測點，分別對結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)變、撓度、吊桿力和振動情況進行監(jiān)測（測點布置見圖1）。

圖1 錫澄運河橋測點布置圖

2019年8月9 日，超強臺風“利奇馬”從浙江登陸，途經(jīng)浙江、江蘇、山東后減弱為熱帶低壓，本文通過該橋附近K1185+002 高鐵防災(zāi)系統(tǒng)風速儀監(jiān)測的臺風數(shù)據(jù)，結(jié)合該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，對臺風作用下高速鐵路系桿拱橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行實測研究。

2 錫澄運河橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)實測及分析

2.1 臺風實測記錄情況

本次“利奇馬”臺風從8月9日至8月12日經(jīng)過該橋，8月10 日17：23 分風速儀監(jiān)測到最大風速為19.2 m/s，風力等級對應(yīng)為 8 級。臺風期間，8 月 9 日 10：50 分至 8 月 10 日 18：12分風力較大且風速較為穩(wěn)定，平均風速9.2 m/s（風速時程見圖2）。

圖2 臺風期間K風速儀監(jiān)測風速時程

2.2 支座位移分析

8 月10 日后橋梁支座位移出現(xiàn)明顯的變化，系桿拱主梁呈現(xiàn)收縮趨勢，8 月11 日12 時后，支座位移變化開始趨于平緩，其中上行側(cè)支座位移變化2.79 mm，下行側(cè)支座位移變化3.11 mm（支座位移變化見圖3）。設(shè)定橋梁伸長方向支座位移為正，臺風經(jīng)過該橋前支座位移為0。

圖3 臺風期間，錫澄運河橋支座位移變化時程

原因分析：臺風期間，受風雨影響，該橋結(jié)構(gòu)溫度持續(xù)下降，以箱室內(nèi)頂板溫度為例，溫度降幅約5.5℃，8月12日臺風經(jīng)過后，溫度開始回升（溫度變化見圖4）。進一步分析發(fā)現(xiàn)支座位移隨結(jié)構(gòu)溫度變化成線性相關(guān)，且相關(guān)性較強，溫度下降，支座位移變小，說明結(jié)構(gòu)溫度變化是支座位移出現(xiàn)明顯變化的主要原因，間接說明臺風對結(jié)構(gòu)溫度的改變影響了該橋的結(jié)構(gòu)變形（支座位移同結(jié)構(gòu)溫度相關(guān)關(guān)系見圖5）。

圖4 錫澄運河橋結(jié)構(gòu)溫度變化時程

圖5 支座位移同結(jié)構(gòu)溫度相關(guān)關(guān)系

2.3 主梁振動分析

風引起的橋梁結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)主要有顫振、馳振、渦振和抖振等，其中前三種振動主要是橋梁自激振動，抖振是一種強迫振動，不可避免。本文主要對臺風引起的主梁跨中抖振進行分析，以8 月10 日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，分析臺風對該橋跨中振動的影響。

8 月10 日監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示主梁跨中振動較為集中，主要集中在 6：40 至 21：30，其中最大豎向振動加速度 1161.12 mm/s2（振動加速度時程見圖6）。考慮此時間段為列車集中時段，列車過橋也是導致橋梁振動的主要原因，通過濾波剔除列車過橋?qū)蛄赫駝拥挠绊懞螅畲筘Q向振動加速度發(fā)生在12：30，數(shù)值為29.7 mm/s（振動加速度時程見圖7）。通過對比可以看出，臺風引起的主梁跨中振動響應(yīng)明顯比列車過橋時引起的主梁跨中振動響應(yīng)小得多，也遠小于《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》“無砟軌道橋梁強振頻率不大于20 Hz的橋面豎向振動加速度不應(yīng)大于5.0 m/s2”的規(guī)定，對橋梁結(jié)構(gòu)和行車影響較小。

以每分鐘主梁跨中豎向振動加速度均方根值代表臺風作用對主梁振動的影響程度，進一步分析振動加速度與風速的相關(guān)性（見圖8），主梁豎向振動加速度均方根值與風速存在一定的線性相關(guān)性，風速增大，結(jié)構(gòu)振動增強。

圖6 主梁跨中豎向振動加速度時程

圖7 剔除過車影響后主梁跨中豎向振動加速度時程

圖8 加速度均方根值與風速相關(guān)性分析

2.4 吊桿力分析

以8 月10 日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，分析臺風分別對最長、最短兩根吊桿力的影響。剔除溫度應(yīng)力影響，8 月10 日監(jiān)測長、短吊桿力變化量較為集中，主要集中在7：20 至24：00，其中短吊桿桿力最大變化20 kN，長吊桿力最大變化80 kN，（吊桿桿力變化時程見圖9）。同樣通過濾波剔除列車過橋?qū)Φ鯒U力的影響（吊桿力變化時程見圖10），通過對比可以看出，臺風引起的吊桿力變化很小，其中短吊桿變化大多位于-2 kN～+2 kN 之間，長吊桿變化大多位于-3 kN～+2 kN 之間，遠小于列車荷載引起的吊桿力變化。

圖9 剔除溫度影響后吊桿力變化量時程

圖10 剔除列車影響后吊桿力變化量時程

以每分鐘吊桿力變化均方根值代表臺風作用對吊桿力的影響程度，進一步分析吊桿力變化與風速的相關(guān)性（見圖11），可以看出，吊桿力變化均方根值與風速存在很小的相關(guān)性，風力對吊桿力的變化影響不大。

圖11 風力對吊桿力變化量相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)束語

臺風天氣下橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)是影響高速列車運營的重要因素，本文受限于臺風監(jiān)測數(shù)據(jù)，僅從支座位移、結(jié)構(gòu)振動、吊桿力變化情況等方面對系桿拱橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行初步分析，得出結(jié)論如下：（1）臺風通過影響環(huán)境溫度間接影響橋梁結(jié)構(gòu)變形；（2）8級及以下風力對主梁豎向振動加速度有一定的影響，但遠小于列車荷載的影響；（3）8 級及以下的風力對吊桿力的變化影響不大。