既有鐵路上承式鋼桁梁動(dòng)力性能對(duì)比研究

劉 楠,許建平,孫軍平

(1.西安鐵路局工務(wù)檢測(cè)所,西安 710054;2.西安鐵路局工務(wù)處,西安 710054)

既有鐵路上承式鋼桁梁動(dòng)力性能對(duì)比研究

劉 楠1,許建平2,孫軍平1

(1.西安鐵路局工務(wù)檢測(cè)所,西安 710054;2.西安鐵路局工務(wù)處,西安 710054)

通過(guò)對(duì)西安鐵路局管內(nèi)2座采用相同圖號(hào)的1-64m簡(jiǎn)支上承式鋼桁梁的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn),分別從橋梁動(dòng)力學(xué)、鋼梁孔跨、墩梁耦合及有限元模擬計(jì)算等方面開(kāi)展深入的研究,比較確定鋼桁梁在不同工作環(huán)境下的橫豎向剛度、自振頻率、阻尼比、強(qiáng)振頻率、縱橫向位移、多階振型和墩梁耦合工作等橋梁健康指標(biāo)參數(shù),謹(jǐn)為科學(xué)合理的整治橋梁病害提供客觀(guān)真實(shí)的技術(shù)建議。

既有鐵路;上承式鋼梁;試驗(yàn)研究

上承式鐵路鋼桁梁的動(dòng)力性能分析和加固改造一直以來(lái)都是事關(guān)既有鐵路線(xiàn)提速改造的一項(xiàng)重點(diǎn)課題,上承式鋼桁梁存在的諸如跨度大、活載重心高、桿件薄弱、主桁中心距小等特征,對(duì)車(chē)輛安全通過(guò)橋梁造成了一定影響,因而大大提高了提速列車(chē)安全過(guò)橋的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)2座采用相同圖號(hào)的既有鐵路鋼桁梁的研究分析,對(duì)比它們?cè)诓煌r條件下的運(yùn)營(yíng)動(dòng)力性能,以此為科學(xué)合理診治該類(lèi)橋梁病害提供技術(shù)參考依據(jù)。

1 橋梁概況

襄渝下行線(xiàn)K453+455后河4號(hào)特大橋位于襄渝下行線(xiàn)巴山—官渡區(qū)間,孔跨式樣為12-31.7m(預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁)+5-64m(上承式鋼桁梁),橋梁全長(zhǎng)737.6m。橋上線(xiàn)路1號(hào)臺(tái)～4號(hào)墩位于R=1 000m、L=140m的圓曲線(xiàn)和緩和曲線(xiàn)上,其余各墩均置于直線(xiàn)上。1號(hào)臺(tái)～9號(hào)墩位于-11.5‰的縱坡上、9號(hào)墩～18號(hào)臺(tái)位于-4‰的縱坡上。襄渝下行線(xiàn)K458+ 227后河7號(hào)大橋位于官渡—萬(wàn)源區(qū)間,孔跨樣式為2-31.7m(鋼筋混凝土梁)+1-64m(下承式鋼桁梁)+ 1-31.7m(鋼筋混凝土梁),橋梁全長(zhǎng)168.6 m。全橋位于直線(xiàn)上,線(xiàn)路縱坡-11.5‰。鋼桁梁設(shè)計(jì)圖號(hào)為“焊12-1”,橋跨長(zhǎng)度65.25m、計(jì)算跨度64m、主桁高8m、節(jié)間長(zhǎng)8 m、主桁中心距5.75 m、縱梁中心距1.95m,鋼桿件材質(zhì)為16Mn。橋梁全景如圖1所示。

圖1 橋梁全景

2 試驗(yàn)分析

2.1 后河4號(hào)橋

后河4號(hào)橋自2002年4月至今共計(jì)經(jīng)歷4次試驗(yàn)檢測(cè),2002年4月的試驗(yàn)檢定結(jié)論為該橋第16、17孔跨中橫向振幅在其實(shí)測(cè)趟次中分別有3趟次、2趟次超《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(工電字[1977]1279號(hào))的參考限值[1],桁梁跨中實(shí)測(cè)最大橫向水平振幅6.60mm,上、下弦跨中橫向振幅不一致,跨中上、下游的垂直振幅差值較大。實(shí)測(cè)到第16孔鋼梁自振頻率為2.34 Hz,強(qiáng)振頻率為2.25 Hz。2006年12月的試驗(yàn)檢定結(jié)論為該橋第13孔梁共有2趟次超《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運(yùn)函[2004]120號(hào))(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《檢規(guī)》)安全限值[2],實(shí)測(cè)跨中最大橫向振幅8.81 mm,上、下弦跨中橫向振幅差值最大達(dá)14.22mm,且上、下弦橫向振動(dòng)時(shí)域波形相位基本相反,說(shuō)明桁梁上、下弦平面存在扭振振型,實(shí)測(cè)到13號(hào)～16號(hào)墩技術(shù)狀態(tài)良好,未見(jiàn)明顯超限現(xiàn)象。2011年的2次試驗(yàn)因均在貨物列車(chē)限速45 km/h條件下完成,故測(cè)試到的墩梁動(dòng)力參數(shù)都滿(mǎn)足規(guī)范要求。歷次試驗(yàn)梁、墩參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1、表2。

表1 鋼桁梁振動(dòng)幅值、自振頻率統(tǒng)計(jì)

表2 橋墩振動(dòng)幅值、自振頻率統(tǒng)計(jì)

根據(jù)以上的分析,初步判斷認(rèn)為:一是從自振頻率來(lái)看,后河4號(hào)橋各孔1-64 m上承式鋼桁梁的橫向1階自振頻率約為1.562 Hz,各墩墩頂?shù)淖哉耦l率多介于1.56～1.76 Hz,桁梁、橋墩兩類(lèi)結(jié)構(gòu)的橫向1階自振頻率較為接近,故判斷墩梁組合結(jié)構(gòu)在車(chē)輛活載作用下協(xié)同工作時(shí)產(chǎn)生拍振或共振的可能性大;二是從墩頂及桁梁跨中的振動(dòng)幅值來(lái)看,當(dāng)貨物列車(chē)速度介于69 km/h≥v≥45 km/h時(shí),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可得,在同趟次列車(chē)通過(guò)條件下,實(shí)測(cè)到的墩頂幅值為跨中幅值的39.1%～54.1%,當(dāng)速度v＜45 km/h時(shí),該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)則為14.2%～45.4%。

2.2 后河7號(hào)橋

針對(duì)后河7號(hào)橋的試驗(yàn)檢定結(jié)論為:實(shí)測(cè)該橋第3孔(上承式鋼桁梁)跨中上弦桿上、下游側(cè)最大橫向振幅分別為4.13 mm和3.86 mm,均滿(mǎn)足《檢規(guī)》7.71mm的行車(chē)安全值要求;實(shí)測(cè)梁體橫向1階自振頻率介于1.91 Hz(車(chē)輛余振法)～1.95 Hz(大地脈動(dòng)法)之間,滿(mǎn)足《檢規(guī)》1.41 Hz的限值要求;實(shí)測(cè)梁體跨中縱梁最大橫向振動(dòng)加速度為0.88 m/s2,滿(mǎn)足《檢規(guī)》荷載平面橫向振動(dòng)加速度1.40m/s2的限值要求;實(shí)測(cè)梁體在活載作用下的豎向最大動(dòng)力系數(shù)為貨車(chē)1.247、客車(chē) 1.104,小于《檢規(guī)》計(jì)算動(dòng)力系數(shù)1.269的要求;實(shí)測(cè)梁體1/2截面處最大動(dòng)撓度(均值)為43.95mm,梁體1/4截面處最大動(dòng)撓度(均值)為18.82 mm,換算得到梁端轉(zhuǎn)角介于2.04×10-5～2.39×10-5rad。檢測(cè)得到各墩技術(shù)狀態(tài)良好。

3 梁、墩構(gòu)件分析

3.1 上承式鋼桁梁

3.1.1 自振頻率及振型

由于上承式鋼桁梁構(gòu)造的特殊性,在荷載平面內(nèi)的振動(dòng)是多重響應(yīng)的疊加,其中包括桁梁的橫向平動(dòng)、桁梁上平面繞支座的轉(zhuǎn)動(dòng)和桁梁的扭轉(zhuǎn)變形的耦合作用[3],由于振型構(gòu)成復(fù)雜,這亦是該類(lèi)橋型橫向振動(dòng)幅值難以控制,加固改造難度大的主因所在[4]。建立的鋼桁梁有限元模型如圖2所示,計(jì)算得到上承式鋼桁梁的多階振型和自振頻率如表3所示。

圖2 上承式鋼桁梁模型

表3 鋼桁梁自振頻率計(jì)算值

3.1.2 迫振頻率

迫振頻率又稱(chēng)強(qiáng)振頻率,現(xiàn)行《檢規(guī)》規(guī)定,強(qiáng)振頻率是機(jī)車(chē)和車(chē)輛對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率,該頻率的大小與橋梁跨度、活載質(zhì)量、剛度、車(chē)輛過(guò)橋速度有關(guān),一般出現(xiàn)在活載過(guò)橋時(shí)最大振幅的波形區(qū)段。利用3種方法(參數(shù)關(guān)系法、最大熵法及人工計(jì)算法)得到的梁橋的迫振頻率見(jiàn)表4。

表4 實(shí)測(cè)不同孔跨鋼桁梁迫振頻率表征(橫彎振型)

3.1.3 阻尼比

上承式鋼桁梁的阻尼特性是通過(guò)車(chē)輛余振法測(cè)得,實(shí)測(cè)梁體1階橫向振動(dòng)阻尼比為0.017,1階豎向振動(dòng)阻尼比為0.021,2項(xiàng)參數(shù)的實(shí)測(cè)值接近鋼梁阻尼比經(jīng)驗(yàn)值 0.02,小于歐洲規(guī)范鋼梁阻尼比建議值0.05。

3.2 橋墩

3.2.1 計(jì)算剛度

2座橋涉及與鋼桁梁的共同工作的有7個(gè)橋墩,竣工資料顯示,墩身材料由不同級(jí)混凝土組成,其中后河7號(hào)橋的3號(hào)墩身主材為漿砌片石,根據(jù)結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成及截面形式,計(jì)算得到各墩的墩頂抗彎剛度如表5所示。由表5中數(shù)據(jù)可知橋墩墩頂抗彎剛度與墩身高度成反比,與截面慣性矩及材料彈性模量成正比。

表5 橋墩剛度計(jì)算值

3.2.2 動(dòng)力特征

對(duì)于既有鐵路橋墩的振動(dòng)特性而言,墩頂?shù)恼穹饕蚨绽@基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)、墩身橫彎和基礎(chǔ)的滑移3部分位移疊加而成[5]。表6列出了裸墩的2種計(jì)算值和橋跨結(jié)構(gòu)墩體實(shí)測(cè)值,基于實(shí)測(cè)值中梁體的振動(dòng)參與影響,所列頻率值亦存在一定差異。

表6 各墩橫向彎曲自振頻率對(duì)比 H z

3.3 梁-墩耦合作用

3.3.1 后河4號(hào)橋

對(duì)于后河4號(hào)特大橋連續(xù)簡(jiǎn)支、大跨、高墩、上承鋼梁的復(fù)雜運(yùn)營(yíng)工況,依次建立不同跨結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行模擬,通過(guò)對(duì)不同孔跨下橋梁工作的自振特性分析,初步判斷該橋橫向振幅超限及時(shí)域波形產(chǎn)生共振的原因所在。不同工況的有限元模型見(jiàn)圖3。

通過(guò)計(jì)算分析,由表7可知,對(duì)比后河4號(hào)橋在不同孔跨鋼梁聯(lián)合工作條件下的梁、墩自振特性,其差異性很大,橫彎振型的表現(xiàn)形式也存在較大差異[6],隨著鋼梁孔跨的增多,在一定頻率帶寬范圍內(nèi)的橫彎振型分布越顯著,在1階橫彎條件下,5孔跨上承式鋼桁梁聯(lián)合工作時(shí)的自振頻率僅為1.497 Hz。

圖3 不同工況橋梁有限元模型

表7 不同孔跨鋼梁橫彎頻率對(duì)比H z

3.3.2 后河7號(hào)橋

對(duì)于后河7號(hào)橋,采用類(lèi)似方法進(jìn)行有限元模擬,通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)工況條件下的研究分析,由表8可知,后河7號(hào)橋第3孔上承式鋼桁梁的橫彎振型表現(xiàn)為1、3階模態(tài),第2、4階模態(tài)即表現(xiàn)為豎向彎曲,與后河4號(hào)橋的多孔鋼梁工況相比較,單孔鋼梁在一定頻率帶寬范圍內(nèi)的橫彎振型分布不顯著。后河7號(hào)橋模型如圖4所示。

圖4 后河7號(hào)橋有限元模型

表8 鋼桁梁自振特性統(tǒng)計(jì) H z

3.3.3 比較分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并由表4可知:當(dāng)車(chē)輛活載在限速條件下通過(guò)橋梁時(shí),利用不同算法得到后河4號(hào)橋部分孔跨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)振頻率分布范圍介于1.57～1.94 Hz,實(shí)測(cè)其拍振頻率范圍介于1.86～1.94 Hz;當(dāng)車(chē)輛活載在常速條件下通過(guò)橋梁時(shí),利用不同算法得到后河4號(hào)橋部分孔跨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)振頻率分布范圍介于0.88～1.67 Hz,實(shí)測(cè)其拍振頻率范圍介于 2.81～2.86 Hz。故初步判斷,當(dāng)車(chē)輛活載通過(guò)5孔跨結(jié)構(gòu)橋梁時(shí),實(shí)測(cè)到的強(qiáng)振頻率、拍振頻率和自振頻率值域范圍接近,頻帶響應(yīng)范圍覆蓋橋跨結(jié)構(gòu)1階～6階振型。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后河7號(hào)橋在車(chē)輛活載常速通過(guò)橋梁時(shí),其強(qiáng)振頻率分布范圍介于1.53～2.42 Hz,該頻帶范圍接近其結(jié)構(gòu)的1階橫彎自振頻率,且遠(yuǎn)離2階及以上自振頻率,雖存在與1階振型共振的可能,當(dāng)相比后河4號(hào)橋,其多階振型參與車(chē)-橋共振現(xiàn)象表現(xiàn)不顯著,這亦是具有相同圖號(hào)鋼桁梁在不同墩梁組合工況下表現(xiàn)出不同動(dòng)力響應(yīng)的原因之一[7]。

4 結(jié)論

(1)從襄渝下行線(xiàn)后河4號(hào)橋近10年間經(jīng)歷的4次試驗(yàn)檢測(cè)來(lái)看,在常速通行的2次試驗(yàn)檢測(cè)中,通過(guò)對(duì)該橋第12孔鋼梁實(shí)測(cè)數(shù)值的分析計(jì)算得到,其跨中橫向振幅超安全限值(對(duì)照《檢規(guī)》)共計(jì)2趟次、超限概率為8%;超規(guī)范通常值共計(jì)14趟次、超限概率為56%。由此判斷,在活載條件未發(fā)生顯著變化的條件下,該橋其他孔跨鋼梁在常速運(yùn)行條件下的振幅超限概率亦在樣本測(cè)試孔跨實(shí)測(cè)值左右分布。

(2)通過(guò)對(duì)車(chē)-橋動(dòng)力響應(yīng)分析得到,鑒于后河4號(hào)橋梁-墩結(jié)構(gòu)的特殊性,車(chē)輛在變加速通過(guò)橋梁時(shí)會(huì)激勵(lì)起帶寬響應(yīng)范圍較大的激振頻率,使得測(cè)試到的強(qiáng)振頻率、拍振頻率和自振頻率等參數(shù)出現(xiàn)頻帶重合的概率加大,從而大大提升墩、梁聯(lián)合結(jié)構(gòu)各階振型的參與質(zhì)量和發(fā)生共振的概率。

(3)通過(guò)模擬計(jì)算后河4號(hào)橋不同孔跨形式的自振特性,當(dāng)5孔梁共同工作時(shí),在一定頻率帶寬范圍內(nèi)的橫向彎曲振型較后河7號(hào)橋的一孔梁工況表現(xiàn)顯著[8]。

(4)軌道工況也是影響車(chē)-橋耦合響應(yīng)的一個(gè)重要因素[9],從實(shí)測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)荷載平面的橫向振動(dòng)加速度參數(shù)來(lái)看,雖未出現(xiàn)超規(guī)范限值要求,但從現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)檢查來(lái)看,明橋面軌道設(shè)備狀態(tài)不良現(xiàn)象依存,這也是導(dǎo)致輪軌約束和橫向激振不良的主因[10]。

[1] 鐵工電字[1977]1279號(hào),鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京:人民鐵道出版社,1978.

[2] 鐵運(yùn)函[2004]120號(hào),鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004.

[3] 柯在田,楊宜謙,等.九江長(zhǎng)江大橋橫向振動(dòng)測(cè)試分析[J].鐵道建筑,2008(7):1 -6.

[4] 孫穎,顧萍.既有鐵路鋼桁橋梁動(dòng)力特征及橫向剛度加固研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2007(3):10 -13.

[5] 李國(guó)豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2003. [6] 曹雪琴.鋼桁梁橋橫向振動(dòng)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1991.

[7] 董振升,楊宜謙,等.64 m下承式鋼桁結(jié)合梁的動(dòng)力試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2009(5):36 -40.

[8] 劉楠,孫軍平.襄渝線(xiàn)后河4號(hào)橋檢定評(píng)估報(bào)告[R].西安:西安鐵路局工務(wù)檢測(cè)所,2011.

[9] Ladislav Fryba.鐵路橋梁動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2007: 10 -13.

[10]任劍瑩,李文平,蘇木標(biāo).鐵路雙線(xiàn)連續(xù)鋼桁梁橋豎向有載自振頻率研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011(4):36 -37.

[11]劉漢夫,黎國(guó)清,等.輪軌潤(rùn)滑對(duì)40m半穿式鋼桁梁橫向拍振抑制效果的的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2001(8):58 -62.

Com parative Study on Dynam ic Performances of Existing Railway Deck Truss Steel Girder

LIU Nan1,XU Jian-ping2,SUN Jun-ping1
(1.Engineering Inspection Institute of Xi'an Railway Bureau,Xi'an 710054,China; 2.Track Maintenance Department of Xi'an Railway Bureau,Xi'an 710054,China)

This paper,through the field dynamic test of two same type of simply supported 1-64m deck truss steel girders under the administration of Xi'an Railway Bureau,researches the bridge dynamics, steel girder span arrangement,pier and girder coupling,finite element simulation calculation and other aspects separately and deeply.This paper also compares differentworking conditions and then determines the bridge health parameters such as the transverse and vertical stiffness,natural frequency,damping ratio,strong vibration frequency,longitudinal and vertical displacement,multi-order vibration mode, pier–girder coupling,etc.The purpose of this paper is to provide the objective and authentic technical advice with scientific and reasonable attitude for the treatment of the bridge diseases.

existing railway;deck truss steel girder;experimental study

U446

A

1004 -2954(2012)10 -0046 -04

2012-02-20

劉 楠(1982—),男,工程師,2004年畢業(yè)于西安科技大學(xué),工程碩士,E-mail:qjdln@163.com。