新菏線跨京廣特大橋振動異常的檢定

魏樹林，許光宏，羅錦章

(鄭州鐵路局 工務檢測所，鄭州 450052)

1 橋梁及初步測試概況

新菏線上行跨京廣特大橋，單線，全長3 016.1 m，由326孔8 m普通鋼筋混凝土梁、9孔16 m、1孔24 m以及1孔32 m預應力混凝土梁組成。8 m梁設(shè)橡膠支座，16 m梁設(shè)弧形支座，32 m梁設(shè)搖軸支座。8 m梁下部結(jié)構(gòu)為雙柱式鋼筋混凝土拼裝式橋墩，擴大基礎(chǔ)，地基經(jīng)強夯加固;16 m梁下為雙柱式鋼筋混凝土橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ);24 m、32 m梁下部為板式鋼筋混凝土橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)。橋址處屬黃河沖積平原，基礎(chǔ)置于砂黏土或粉砂中。橋上為無縫線路，其中西段位于曲線。于1985年建成開通運營。通過列車為全列煤炭。

2009年5 月發(fā)現(xiàn)列車通過時該橋梁振動顯著。振動試驗發(fā)現(xiàn)梁跨中橫向振幅達8.49 mm，超出行車安全限值(0.89 mm)[1]854%。墩頂橫向振幅達7.96 mm(《鐵路橋梁檢定規(guī)范》對輕型橋墩振動沒有規(guī)定，相似外觀的橋墩通常值為0.39 mm)。擴大基礎(chǔ)頂最大橫向橫向振幅為0.30 mm。由于實測梁跨、墩頂、基頂橫向振幅巨大，超乎以往的實測經(jīng)驗，試驗后立即對橋梁采取了限速運營等措施。

2 試驗布置

為探求橋梁橫向振幅過大的原因，擬進一步通過測振儀、測撓儀取得該橋梁體、橋墩以及基礎(chǔ)的振動、位移數(shù)據(jù)，分析列車作用下的橋梁結(jié)構(gòu)振動、位移狀態(tài)信息。

試驗中重點測試了振動顯著的257#墩、基礎(chǔ)以及左右梁體，測點布置示意如圖1、圖2。

撓度儀靶標位于墩頂，將同時測取墩頂橫向、豎向位移，以期能探測到諸如基低承載力不均、軟弱地基、墩身與基礎(chǔ)連接缺陷等橋梁下部結(jié)構(gòu)病害，同時復核測振儀測得的墩頂橫向、豎向振動。

圖1 試驗測點布置示意

圖2 257#墩墩頂及基頂測點布置

3 試驗成果分析

3.1 橋梁振幅、頻率及位移

由于列車限速，本試驗列車通過時速度為26～38 km/h，實測梁跨中橫向振幅達6.78 mm，超出行車安全限值662%;加速度滿足運營性能檢驗值。墩頂橫向振幅達5.57 mm、豎向0.58 mm?；敊M向振幅達0.29 mm、豎向0.18 mm。列車通過時梁跨、墩頂振動頻率1.2～1.6 Hz。脈動試驗數(shù)據(jù)顯示梁墩體系自振頻率為1.81 Hz。

測撓儀實測列車通過時墩頂豎向下沉0.33～0.50 mm，向南橫向偏移0.36～1.60 mm，豎向振幅0.46～0.87 mm(測振儀所得約為0.25 mm)，橫向振幅4.54～5.69 mm(與測振儀所得相當)。

3.2 典型的振動時域圖

1)實測自由狀態(tài)下、列車作用下的數(shù)據(jù)表明:梁跨、墩頂橫向振動大小接近;基頂、基礎(chǔ)旁地面振動大小接近;各振動波形較一致?；斔膫€豎向振動，在自由狀態(tài)下豎向振動基本一致，列車作用下豎向振動相位基本接近，北側(cè)的2個測點(①、④)與南側(cè)的2個測點(②、③)分別位于基線兩側(cè)。

2)墩頂豎向測點顯示，自由狀態(tài)下4個豎向振動基本一致(圖3);列車作用下振動相位南北基本相對，也可見同一時刻④測點與其它測點分別位于基線兩邊的峰或谷(圖4)。

圖3 在自由狀態(tài)下墩頂豎向振動

3)墩頂、基頂縱向振動。

自由狀態(tài)及列車作用下的墩頂、基頂縱向振動，見圖5、圖6，圖中較大幅值者為墩頂之。

3.3 墩頂橫向振動組成分析

根據(jù)彈性結(jié)構(gòu)小變位疊加原理，墩頂橫向振動的幅值(Δ)，包含有雙柱墩身在橫向水平力作用下的彈性變位(δ1)、基礎(chǔ)橫向振動變位(δ2)以及基礎(chǔ)豎向轉(zhuǎn)動引起的墩頂橫向幾何變位(δ3)，即 Δ =δ1+δ2+δ3，其中δ1為墩身橫向剛度的表征，δ2、δ3為基礎(chǔ)穩(wěn)定度的表征。結(jié)構(gòu)變位示意圖7所示。

上述Δ、δ2直接測得，δ3通過布置于基礎(chǔ)頂部的4個豎向測振儀實測數(shù)據(jù)求出基礎(chǔ)的豎向轉(zhuǎn)動軸及其轉(zhuǎn)動角度，即可得到墩頂處的橫向幾何變位。最后由:δ1= Δ － δ2－ δ3確定 δ1。通過分析比較 δ1、δ2和 δ3在墩頂橫向總變位中所占的比重，以作為墩身橫向剛度大小及基礎(chǔ)穩(wěn)定度的重要判據(jù)。

圖4 在列車通過下墩頂豎向振動

經(jīng)對實測數(shù)據(jù)分析，基礎(chǔ)南側(cè)的豎向振動明顯大于北側(cè)。墩頂振幅以墩身在橫向水平力作用下的彈性變位δ1為主，約占85%，基礎(chǔ)橫向振動變位 δ2約占5%，基礎(chǔ)豎向轉(zhuǎn)動引起的墩頂橫向幾何變位 δ3約占10%。即墩頂橫向振幅中基礎(chǔ)的影響約占到15%。

4 引起墩頂橫向振動異常的原因分析

4.1 地基不良對梁跨、墩頂橫向振動的影響

實測位移數(shù)據(jù)顯示貨車通過257#墩頂豎向下沉及向南橫向偏移，且南側(cè)偏弱;基礎(chǔ)豎向振動中南側(cè)振動大于北側(cè)，且基礎(chǔ)導致的墩頂橫向振動達15%。實測顯示存在地基壓縮量較大或地基不良的可能。

圖5 在自由狀態(tài)下墩頂、基頂縱向振動

圖6 在貨車通過下墩頂、基頂縱向振動

圖7 墩頂橫向變位示意

該墩南側(cè)為積水洼地，北側(cè)為鄉(xiāng)村公路的地形、地物上的缺陷，與偏大的實測值相吻合。另外273#基礎(chǔ)地基所處環(huán)境優(yōu)于257#基礎(chǔ)地基，273#基礎(chǔ)振動明顯小于257#基礎(chǔ)。

竣工資料顯示該橋擴大基礎(chǔ)中有189個地基進行了強夯處理，以使其砂黏土地基承載力達到150 kPa以上的設(shè)計要求。根據(jù)該橋?qū)嵤┑膹姾还に?，其單擊夯擊能較小，地基有效加固深度分別為4～5 m、3 m兩種，夯擊有效加固深度較淺[2];竣工資料顯示其竣工檢測的范圍與數(shù)量略小，因此該橋基礎(chǔ)存在強夯后不滿足設(shè)計的可能。另外在運營后該處地貌發(fā)生了較大變遷，存在由于排水條件變化造成的地基浸水，形成性能不良的地基(如256#、257#間的坑洼)。

地基、基礎(chǔ)、橋墩、梁跨在列車通過時振動將相互影響，在列車通過形成的聯(lián)合動力反應機構(gòu)中，地基與基礎(chǔ)的相互作用取決于地基和基礎(chǔ)的相對質(zhì)量和相對剛度。該拼裝式雙柱型橋墩截面較小，在墩頂有較大振幅的狀態(tài)下，易開裂，開裂后的橋墩、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系，橫向動力性能極差(由歐拉公式，結(jié)構(gòu)由一端固結(jié)、一端鉸接結(jié)構(gòu)變?yōu)閮啥司q接，臨界荷載將縮小1/2)。地基不良可以造成地基上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及動力響應異常。該橋多處墩身底部出現(xiàn)環(huán)狀裂縫，這些橋墩往往埋置較差，基頂外露，也存在排水較差的地形等可導致不良地基的條件。

4.2 特有的橋式及橋梁體系自振頻率等原因

C62貨車以30～60 km/h速度通過，將對該8 m跨度梁形成1.24～2.48 Hz(由 v/l車長×2得到)的強振頻率，而脈動試驗顯示自由狀態(tài)下橋梁體系(8 m梁跨、橡膠支座、雙柱型墩)以1.81 Hz頻率自由振動，另外根據(jù)該橋地基地質(zhì)，地基自由振動頻率為1.5～2.5 Hz[3]。當結(jié)構(gòu)自身頻率與外界作用力頻率接近，容易形成準共振，可見橋梁的地基動力響應對整個橋梁體系極為不利。1.81 Hz的作用頻率，相應的貨車速度為43.8 km/h，所以40 km/h左右的貨車速度是造成該橋梁結(jié)構(gòu)較大動力響應的最不利速度，30 km/h～60 km/h的貨車速度對于該橋亦較不利，與實測較一致。另外該多跨長橋還存在以下不利的因素:一是容易造成不良車況車輛形成的振動持續(xù)，再是易發(fā)生車橋體系準共振，實測振動時域圖中可見較大振幅在列車通過中持續(xù)的現(xiàn)象。

4.3 橋墩的原因

該橋墩長細比大。由于墩身截面較小，橫向薄弱，不利于抵抗列車橫向動荷載作用。墩身靠近底部的裂縫表明墩身截面不足。

由于以上所述的墩身截面不足、擴大基礎(chǔ)埋深較淺、地基狀態(tài)不良、特有的橋跨結(jié)構(gòu)形式等缺陷，造成該橋梁部分橋墩及梁跨振動巨大。

5 主要結(jié)論

1)在當前貨車限速條件下(實測26～38 km/h)梁體跨中橫向振幅仍嚴重超出行車安全限值，梁體振幅不能滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》運營性能檢驗。

2)綜合梁跨、橋墩和基礎(chǔ)振動分析，梁跨的橫向振幅超限主要是由于墩頂有較大橫向振幅所致。墩頂?shù)臋M向振動主要來自橋墩自身的彈性變位，基礎(chǔ)的變位影響墩頂變位約為15%。實測值顯示橋墩振動劇烈的基礎(chǔ)振動明顯較大。

3)列車作用下強夯地基上墩頂下沉量較大，且有基底承載不均的現(xiàn)象。

4)貨車速度40 km/h是造成該橋梁動力響應的最不利速度，30～60 km/h的速度亦較不利。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

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