夏季高溫下千米級跨度懸索橋動力性能試驗研究

程若廳 董振升 馮仲偉

1.中國鐵路上海局集團有限公司 科技和信息化部，上海 200071；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081

高速鐵路荷載大，列車運行速度高，軌道平順性要求高，而懸索橋?qū)儆谌嵝越Y構體系，結構變形大，受溫度、風等環(huán)境因素影響大［1-2］，故在高速鐵路上很少采用懸索橋。隨著建橋技術的發(fā)展，為滿足跨江越海工程的建設需要，懸索橋作為跨越能力最大的結構體系，逐步在鐵路建設中得到應用［3-7］。五峰山長江大橋是我國目前建成并投入運營的首座公鐵兩用懸索橋，在開通前進行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試，雖然橋梁動力性能滿足動車組以250 km/h 及以下速度運行的相關標準要求，但測試數(shù)據(jù)是在當時環(huán)境條件下（氣溫20～34 ℃、最大瞬時風速12.5 m/s、公路和預留線未通車）檢測的［8］，環(huán)境條件變化時橋梁動力性能會隨之改變，故在掌握極端環(huán)境條件下橋梁動力性能前，對主橋進行了限速運行。為保證達速后列車運營的安全性和平穩(wěn)性，在一年中平均氣溫最高的七月份對五峰山長江大橋進行了專項試驗。

1 試驗工況及測試內(nèi)容

該橋上公路和鐵路均已開通運營，本次試驗在公路橋面隨機過車的情況下進行。鐵路橋面測試工況分為三種：①上下行線單列動車組通過，速度從160 km/h 提升至275 km/h；②動車組跨中交會，速度200、250 km/h；③不同時間段（白天12：00 —15：00，晚上00：00 —04：00）單列動車組逐級提速。

測試內(nèi)容包括：①上下游跨中和3L/4 處（L為中跨跨度）橫向和豎向振幅、豎向和橫向振動加速度；②下游側跨中和3L/4 處的橫向、豎向加速度；③下游側邊桁支座橫向和縱向位移、中桁支座縱向位移和鎮(zhèn)江側相鄰混凝土簡支梁下游側支座的橫向位移。測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置示意

2 試驗結果分析

2.1 橋梁線形

分別為7 月18 日晚上（環(huán)境溫度28.0 ℃）和7 月25日白天（環(huán)境溫度37.4 ℃），采用電子水準儀對上下游橋梁線形進行了測量。不同溫度下實測下游側橋梁線形見圖2。可知：①兩次實測橋梁線形變化趨勢一致，邊跨與次邊跨橋梁線形受溫度變化影響較小，中跨受溫度變化影響較大。②梁體高程隨溫度增高而降低。7 月25日白天梁體跨中高程比7月18日晚上下降76.4 mm。

圖2 不同溫度下實測橋梁線形

2.2 自振頻率和阻尼比

專項試驗和聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間實測的梁體自振頻率、阻尼比對比見表1?？芍簩ｍ椩囼灪吐?lián)調(diào)聯(lián)試期間實測的自振頻率差異在1%以內(nèi)；兩次測試的振動阻尼比有一定差異，但不同振型模態(tài)下阻尼比變化趨勢基本一致。溫度變化會引起結構支座摩擦阻力、材料阻尼變化，風速和交通狀況會引起結構振幅變化，這些均能導致阻尼變化，故阻尼比總是在一定范圍內(nèi)變化，并非一個定值。

表1 兩次實測的梁體自振頻率和阻尼比對比

2.3 振動響應

1）梁體橫向振幅

梁體跨中和3L/4 處橫向振幅典型時域波形見圖3?？芍孩賱榆嚱M通過時梁體橫向振幅出現(xiàn)振動峰值，梁體跨中和3L/4 處橫向振幅最大值分別為2.88、2.41 mm。②無列車通過時梁體橫向振動也較明顯，梁體跨中和3L/4處橫向振幅最大值分別為0.99、1.18 mm。無列車通過時梁體橫向振動主要由風荷載引起。無列車通過時梁體橫向振幅最大能達到列車通過時的50%左右，說明外部風荷載是引起橋梁橫向振動的主要原因。

圖3 橋梁梁體橫向振幅典型時域波形

2）梁體豎向振幅

梁體跨中和3L/4 處豎向振幅典型時域波形見圖4?？芍簞榆嚱M通過時梁體豎向振動較明顯，實測梁體跨中和3L/4 處豎向振幅最大值分別為29.6、33.7 mm。雖然豎向振幅較大，但振幅對應的頻率極低，在0.1 Hz 左右。實測動車組車體垂向平穩(wěn)性指標最大值為2.06，達到優(yōu)級，說明梁體出現(xiàn)頻率較低、振幅較大的豎向振動依然不影響列車平穩(wěn)性。

圖4 梁體豎向振幅典型時域波形

3）梁體振動加速度

梁體跨中、3L/4 處橫向和豎向振動加速度典型時域波形見圖5?？芍鸿F路橋面上下行線通過動車組、公路橋面無汽車重車通過時梁體跨中和3L/4 處橫向和豎向振動加速度均較??；與鐵路橋面無動車組通過、公路橋面通過汽車重車時振動加速度量級相當，說明鐵路橋面通過動車組與公路橋面通過汽車重車時梁體振動加速度相當。

圖5 梁體橫向和豎向振動加速度典型時域波形

動車組通過時實測梁體橫向振動加速度最大值為0.04 m/s2，遠小于鐵運函〔2004〕120 號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中1.40 m/s2的限值要求。梁體豎向振動加速度最大值為0.21 m/s2，遠小于TB 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術規(guī)范》中3.50 m/s2的限值要求。因千米級的懸索橋跨度大，梁體質(zhì)量較大，動車組通過時橋梁的激勵能量變化不大，但梁體參振質(zhì)量更大，因此梁體振動加速度變小。從實測數(shù)據(jù)看，梁體振動加速度與規(guī)范限值相差較遠，不是大跨度橋梁振動響應的控制性指標。

4）對比分析

下行線動車組通過時上游側和下游側梁體橫向振幅對比見圖6。可知：下行線過車時梁體跨中上游側和下游側橫向振幅相當；梁體3L/4 處下游側橫向振幅大于上游側，說明下行線過車偏載作用下，下游側橫向存在局部振動現(xiàn)象。

圖6 上游側和下游側梁體橫向振幅對比

梁體豎向振幅與橫向振幅有相似的特征。因此下行線過車時橫向和豎向振幅測點布置在下游側，可監(jiān)測橋梁振動響應的最不利情況。

不同時段梁體下游側跨中橫向振幅對比見圖7。可知：相同速度級下白天和晚上梁體下游側跨中橫向振幅相當。

圖7 不同時段梁體下游側跨中橫向振幅對比

梁體下游側跨中豎向振幅、橫向和豎向振動加速度在白天和晚上無明顯差異。這說明在夏季日夜溫度變化范圍內(nèi)橋梁線形變化對動車組通過時橋梁振動響應無明顯影響。

設計的線路縱斷面在梁體跨中處對稱，梁體跨中位于變坡點的坡頂。夏季梁體跨中高程處于相對低位，反而使線路更平順；冬季梁體跨中高程會隨溫度降低而抬升，使線路產(chǎn)生不平順，故需研究冬季橋梁的振動響應。

上下行線動車組通過時梁體下游側跨中振幅對比見圖8。可知：①梁體跨中橫向振幅與行車速度無明顯關系；下行線過車時梁體跨中橫向振幅比上行線過車時大，說明下行線過車時存在偏載效應，比上行線過車時激勵起梁體的橫向振動更大。②梁體跨中豎向振幅隨行車速度提高而增大；下行線過車時梁體跨中豎向振幅和上行線過車時相當。

圖8 上下行線動車組通過時梁體下游側跨中振幅對比

梁體3L/4 處橫向、豎向振幅變化規(guī)律與跨中處相似。

實測200、250 km/h 速度級時下行線動車組單列通過和交會時梁體下游側跨中振動響應見表2。因橫向振幅和橫向振動加速度與行車速度關系不明顯，取200、250 km/h 兩個速度級所有測試數(shù)據(jù)的平均值；豎向振幅和豎向振動加速度隨行車速度提高而增大，取每一個速度級測試數(shù)據(jù)的平均值。可知：①下行線動車組單列通過時梁體下游側跨中橫向振幅平均值約為交會時的86%，動車組交會時梁體下游側跨中橫向振動加速度與單列通過時相當。②速度相同、下行線動車組單列通過時豎向振幅平均值約為交會時的53%～71%，豎向振動加速度平均值約為交會時的72%～85%。因此，動車組交會對梁體橫向振動響應影響較小，對梁體豎向振動響應影響相對較大。

表2 下行線動車組單列通過和交會時梁體下游側跨中振動響應

2.4 梁端變位

動車組通過時5#墩頂相鄰混凝土簡支梁下游側支座和懸索橋下游側邊桁支座橫向位移最大值分別為0.02、0.03 mm；動車組通過后支座橫向位移基本能恢復至原位，支座橫向位移不會累積。動車組通過時5#墩頂懸索橋下游側邊桁和中桁支座最大縱向位移分別為1.76、1.84 mm，邊桁和中桁支座縱向位移同步，大小相當，但動車組通過后支座縱向位移并沒有恢復至原位，支座縱向位移會累積。

為了分析梁端變位隨溫度的變化規(guī)律，連續(xù)采集18：00至次日23：00共29 h 5#墩頂支座位移時域波形，見圖9。可知：①29 h 測試周期內(nèi)懸索橋相鄰混凝土簡支梁下游側支座橫向位移最大變化量為0.05 mm，這與動車組通過時的最大位移0.02 mm 量級相當，因此在一天測試周期內(nèi)懸索橋相鄰混凝土簡支梁由溫度變化和動車組通過產(chǎn)生的支座橫向位移相當；5#墩頂懸索橋下游側邊桁支座橫向位移最大變化量為0.40 mm，而動車組通過時的最大位移為0.03 mm，因此在一天測試周期內(nèi)，溫度是引起懸索橋支座橫向位移的主要因素。②29 h測試周期內(nèi)懸索橋鋼梁5#墩頂下游側邊桁和中桁支座縱向位移最大變化量分別為72.02、72.50 mm，此位移對應的懸索橋鋼梁結構溫度在31.7～36.1℃，支座位移隨溫度的變化率為8 mm/℃左右［9］，因此溫度引起的支座位移為（36.1-31.7）×8=35.2 mm。動車組通過引起的邊桁和中桁支座累積縱向位移分別為36.8、37.3 mm，可見在一天測試周期內(nèi)，懸索橋鋼梁支座縱向位移是溫度荷載和列車荷載共同作用的結果。

圖9 5#墩頂支座位移時域波形

3 結論

1）夏季梁體橫向和豎向振動加速度等動力學性能指標均滿足250 km/h及以下速度列車運營要求。

2）梁體高程隨環(huán)境溫度升高而降低。環(huán)境溫度對邊跨和次邊跨的線形影響較小，對中跨線形影響較大。在夏季日夜溫度變化范圍內(nèi)，橋梁線形的變化對列車通過時橋梁振動響應的影響不明顯。

3）動車組交會對梁體橫向振動響應影響較小，對梁體豎向振動響應影響相對較大。

4）在一天測試周期內(nèi)，溫度是引起懸索橋鋼梁支座橫向位移的主要因素，支座縱向位移由溫度荷載和列車荷載共同作用引起。

本文僅對夏季橋梁的動力性能進行試驗和分析。冬季溫度變化劇烈，可能引起橋梁線形更大變化，從而影響橋梁動力性能，后續(xù)有必要在冬季對橋梁動力性能進行試驗和評估。