趙德寬

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350）

朔黃重載鐵路子牙新河特大橋技術(shù)狀態(tài)評估

趙德寬

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350）

為了評估重載鐵路橋梁的技術(shù)狀態(tài)，對朔黃鐵路子牙新河特大橋進(jìn)行了動力試驗(yàn)。利用沖擊振動試驗(yàn)法識別橋墩橫向自振頻率以及梁體橫向和豎向自振頻率。動力試驗(yàn)中，通過測試運(yùn)營列車作用下梁體控制截面的梁體振幅和加速度的響應(yīng)，并將實(shí)測結(jié)果與《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的限值比較。結(jié)果表明，梁體各項(xiàng)動力參數(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，這說明梁體結(jié)構(gòu)的運(yùn)營性能良好。該橋部分橋墩之前進(jìn)行過加固，為了評估加固前和加固后橋墩結(jié)構(gòu)的動力性能，試驗(yàn)選取典型橋墩進(jìn)行動力測試分析。比較加固前后橋墩振動參數(shù)的變化情況。評估結(jié)論可驗(yàn)證橋墩加固效果，為其余橋墩是否需要加固提供數(shù)據(jù)支持。

重載鐵路；動力響應(yīng)；自振頻率；沖擊振動試驗(yàn)法；技術(shù)狀態(tài)

0　引言

重載鐵路輸送能力大、效率高、運(yùn)輸成本低、經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著，因此發(fā)展重載鐵路運(yùn)輸受到世界各國鐵路的廣泛重視。近年來，隨著重載鐵路運(yùn)輸軸重的加大、牽引質(zhì)量的不斷提高以及行車密度的不斷增加，部分鐵路橋梁出現(xiàn)振幅超限、剛度下降、承載力不足等病害，嚴(yán)重危及行車安全。

作為我國西煤東運(yùn)的第二大通道——朔黃鐵路，是西起山西省神池站，東至河北省黃驊市黃驊港站的一條重載鐵路，全長585 km。經(jīng)過十多年的運(yùn)營，朔黃鐵路沿線橋梁已經(jīng)產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的病害。其上部結(jié)構(gòu)面臨的主要病害是梁體裂紋、梁體振動過大、橫向或豎向剛度不足等。下部結(jié)構(gòu)的病害將導(dǎo)致橋墩出現(xiàn)地基破壞、剛度下降、耐久性和承載力不足等方面的問題。這些問題嚴(yán)重影響了鐵路運(yùn)營安全性。當(dāng)橋梁下部結(jié)構(gòu)發(fā)生病害時(shí)，其自振頻率會隨剛度的減小而降低，振型也會發(fā)生改變，這些模態(tài)參數(shù)能直接反映下部結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，因此國內(nèi)外都十分重視模態(tài)參數(shù)的測試和計(jì)算分析，并將其確定為下部結(jié)構(gòu)病害診斷和狀態(tài)評定的關(guān)鍵性指標(biāo)［1-3］。

本文以朔黃重載鐵路子牙新河特大橋?yàn)檠芯繉ο?，對橋梁上部結(jié)構(gòu)的橫豎向自振頻率、振幅和加速度等動力指標(biāo)進(jìn)行了測試；對該橋典型橋墩進(jìn)行了橫向振幅測試和沖擊振動試驗(yàn)，比較了橋墩加固前后振動參數(shù)的變化情況，評估了橋梁的運(yùn)營性能。

1　橋梁概況

子牙新河特大橋（219#橋），中心里程為K462+335.09，橋梁全長3466.79m。上部結(jié)構(gòu)為106孔32m跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支雙片式T梁，圖號為專橋2059。T梁已經(jīng)采用施加橫向預(yù)應(yīng)力的方式進(jìn)行了加固。梁體支座采用盆式橡膠支座，圖號為專橋8156。上行重車線為有縫線路。橋梁概貌見圖1。

圖1　子牙新河特大橋概貌

2　測試內(nèi)容和測點(diǎn)布置

為了評估橋梁在運(yùn)營重載列車作用下的工作性能，比較橋墩加固前后振動參數(shù)的變化情況。對子牙新河特大橋的重車上行線第15、16孔梁，14號～18號墩和下行線14號墩進(jìn)行了動力測試。測試參數(shù)包括梁體橫豎振幅、加速度、自振頻率以及橋墩自振頻率和橫向振幅。具體的測點(diǎn)布置如下：在15、16孔梁跨中和梁端布置橫豎向測點(diǎn)。在各墩頂和墩身布置橫向測點(diǎn)。測點(diǎn)布置圖見圖2。

3　橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營性能評估標(biāo)準(zhǔn)

橋梁運(yùn)營性能檢定評估主要依據(jù)是《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函［2004］120號）［4］，32m跨度T梁橋所采用的評估標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）列車通過時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面處跨中橫向振幅行車安全限值［Amax］5%≤L/9000；

（2）客車列車正常運(yùn)行時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面處跨中最大橫向振幅［Amax］5%≤L/7B；

（3）客車列車正常運(yùn)行時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)最小自振頻率f≥90/L；

（4）當(dāng)列車通過時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動加速度最大值不應(yīng)超過1.4m/s2；

（5）鐵路橋梁橋墩墩頂橫向振幅通常值［Amax］5%≤（H+Δh）2/100B+0.2，最小橫向自振頻率為≥24a1/H，其中：B為鋼梁為主梁中心距，預(yù)應(yīng)力混凝土梁為支座中心距，m；H為墩全高（自基底或樁承臺底至墩頂），m；Δh和a1為與地基土特征相關(guān)的參數(shù)。

圖2　橋梁測點(diǎn)布置圖

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

朔黃鐵路運(yùn)營的重載列車車型主要為軸重21 t的C64K，軸重為23 t的C70A ，軸重為25 t的C80等三種運(yùn)煤列車。其編組形式有5 000 t為10 000t兩種。

測試了該橋上行重車線在重載列車下的振幅、加速度等動力響應(yīng)，并利用沖擊振動試驗(yàn)法測試了橋梁的自振頻率，與規(guī)范值進(jìn)行了比較。

4.1梁體及橋墩自振頻率識別

自振頻率是橋梁的固有特性。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生病害時(shí)，其自振頻率會隨剛度的減小而降低，振型也會發(fā)生改變。這些模態(tài)參數(shù)能直接反映結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，因此國內(nèi)外都十分重視模態(tài)參數(shù)的測試和計(jì)算分析，并將其確定為結(jié)構(gòu)病害診斷和狀態(tài)評定的關(guān)鍵性指標(biāo)。目前國內(nèi)外常用的測試自振頻率的方法主要有脈動法、余振法和模態(tài)法等。這些方法有的適用性較差，有的準(zhǔn)確性欠佳，因此，需要一種既可以準(zhǔn)確得到橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率，又便于實(shí)施的試驗(yàn)方法。近年來，北京交通大學(xué)系統(tǒng)研究了沖擊振動試驗(yàn)法，解決了長期以來鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率難識別的問題［5，6］。

沖擊振動試驗(yàn)方法的基本原理是用重錘沖擊橋墩，通過測試橋墩的振動響應(yīng)并對其進(jìn)行分析求得其自振頻率。沖擊振動試驗(yàn)的操作順序如圖3所示。

圖3　沖擊振動試驗(yàn)操作程序

本次試驗(yàn)中，利用沖擊振動試驗(yàn)法識別橋墩橫向自振頻率以及梁體橫向和豎向自振頻率。依據(jù)沖擊振動試驗(yàn)法的基本原理，橋梁的自振頻率分析結(jié)果如下：

（1）如圖4所示，沖擊15#墩時(shí)，15#梁的豎向頻譜響應(yīng)圖中只有6.5 Hz一個(gè)峰值，由此可判斷15#梁的豎向自振頻率為6.5 Hz。同理得16#梁的豎向自振頻率為6.5 Hz。

圖4　沖擊15#墩頂時(shí)15#梁豎向頻譜圖

（2）如圖5所示，當(dāng)沖擊14#墩時(shí)，14#墩頻譜響應(yīng)中有2.25 Hz、3 Hz和3.38 Hz滿足峰值和相位要求，而15#梁的橫向自振頻率為3 Hz，15#墩的橫向自振頻率為2.25 Hz，因此可以推斷，14#墩橫向自振頻率為3.38 Hz。

圖5　沖擊14#墩頂時(shí)14#墩頂橫向頻譜圖

（3）如圖6、圖7所示，當(dāng)沖擊14#墩時(shí)，15#梁的橫向頻譜響應(yīng)中有2.25 Hz和3 Hz滿足峰值和相位要求，而此時(shí)15#墩的頻譜中只有2.25 Hz一個(gè)峰值，說明15#梁的橫向自振頻率為3 Hz，15#墩的橫向自振頻率為2.25 Hz。

圖6　沖擊14#墩頂時(shí)15#梁跨中橫向頻譜圖

圖7　沖擊14#墩頂時(shí)15#墩頂橫向頻譜圖

（4）同理，可得16#梁的橫向自振頻率為3 Hz，16#墩的橫向自振頻率為4.25 Hz，17#墩的橫向自振頻率為4.25 Hz，18#墩的橫向自振頻率為2.13 Hz，下行線14#墩的橫向自振頻率為2 Hz。

（5）子牙新河特大橋下部結(jié)構(gòu)及梁體的自振頻率識別結(jié)果匯總?cè)绫?所示?？梢钥闯?，梁體結(jié)構(gòu)的自振頻率結(jié)果均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定的限值。上行線14#、16#和17#橋墩橫向自振頻率也滿足規(guī)范的規(guī)定，而上行15#、18#墩和下行14#墩的橫向自振頻率則不滿足規(guī)范要求。

（6）上行線15#墩和16#墩結(jié)構(gòu)尺寸相同，17#墩和18#墩結(jié)構(gòu)尺寸相同。進(jìn)行加固后，16#墩和17#墩自振頻率分別比未加固的15#墩和18#墩提高89%和99.5%。加固后橋墩自振頻率滿足規(guī)范規(guī)定的最小限值，說明墩身進(jìn)行加固后其剛度得到明顯提高。

4.2梁體豎向振幅及加速度

在運(yùn)營列車作用下，第15孔梁跨中豎向振幅統(tǒng)計(jì)圖見圖8，加速度統(tǒng)計(jì)圖見圖9。

圖8　15孔梁跨中豎向振幅統(tǒng)計(jì)圖

圖9　15孔梁跨中豎向加速度統(tǒng)計(jì)圖

實(shí)測結(jié)果表明：

（1）由圖中可以看出，第15孔梁跨中最大豎向振幅為1.085mm，出現(xiàn)在C70A貨車通過時(shí)；同理，第16孔梁跨中最大豎向振幅為0.572mm，出現(xiàn)在C70A貨車通過時(shí)。跨中豎向加速度均不超過《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中限值3.5m/s2。

（2）試驗(yàn)測試車速范圍較小，梁體跨中豎向振幅與速度關(guān)系不明顯。梁體強(qiáng)振頻率與列車速度/車長呈線性關(guān)系，與強(qiáng)振頻率理論計(jì)算（f=車速/車長）吻合。

4.3梁體橫向振幅及加速度

在運(yùn)營列車作用下，上行線第15、16孔梁實(shí)測橫向振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。第15、16孔梁實(shí)測橫向加速度幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖10和圖11。

表1　橋梁自振頻率識別結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2　梁體橫向振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖10　不同軸重列車作用下第15孔梁跨中橫向加速度振幅統(tǒng)計(jì)圖

圖11　不同軸重列車作用下第16孔梁跨中橫向加速度振幅統(tǒng)計(jì)圖

實(shí)測結(jié)果表明：第15孔梁跨中最大橫向振幅為1.671mm，出現(xiàn)在C64K貨車通過時(shí)。第16孔梁跨中最大橫向振幅為2.084mm，出現(xiàn)在C80貨車通過時(shí)；實(shí)測梁體跨中橫向振幅均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中跨中橫向振幅通常值2.54mm。實(shí)測梁跨中橫向加速度幅值均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中跨中橫向加速度限值1.4m/s2。這表明梁體結(jié)構(gòu)具有良好的橫向動力性能。

4.4墩頂橫向振幅

在運(yùn)營列車作用下，14#～18#墩墩頂實(shí)測橫向振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

實(shí)測結(jié)果表明：

（1）14#墩墩頂最大橫向振幅為0.493mm，出現(xiàn)在C70A貨車通過時(shí)；15#墩墩頂最大橫向振幅為0.519mm，出現(xiàn)在C80貨車通過時(shí)；16#墩墩頂最大橫向振幅為0.305mm，出現(xiàn)在C80貨車通過時(shí)。17#墩墩頂最大橫向振幅為0.547mm，出現(xiàn)在C80貨車通過時(shí)；18#墩墩頂最大橫向振幅為0.696mm，出現(xiàn)在C64K貨車通過時(shí)。實(shí)測振幅均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》墩頂橫向振幅通常值。

（2）15#墩與16#墩墩高與墩寬相同，但15#墩的振幅明顯比16#墩振幅大，因此可知15#墩與16#墩相比剛度較弱。同理，17#墩與18#墩墩高與墩寬相同，18#墩的振幅明顯比17#墩振幅大，因此可知18#墩與17#墩相比剛度較弱。

（3）橋墩橫向振幅與橋墩橫向剛度關(guān)系不明顯，受車輛編組、軸重、運(yùn)營速度、轉(zhuǎn)向架和軌道狀態(tài)等因素影響較大，不易通過振幅對橋墩剛度進(jìn)行定量評估，只能從概率統(tǒng)計(jì)的角度定性判定15#墩比16#墩橫向剛度小、18#墩比17#墩橫向剛度小。

5　結(jié)論

本文通過對朔黃鐵路子牙新河特大橋進(jìn)行動力振動測試，得出如下結(jié)論：

（1）橋梁上部結(jié)構(gòu)橫豎向振幅和加速度以及橫豎向自振頻率均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的限值，說明梁體結(jié)構(gòu)運(yùn)營性能良好。

（2）橋梁下部結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的橫向振幅均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的墩頂橫向振幅通常值。加固后，橋墩的振幅值比加固前明顯變小。

（3）用沖擊振動試驗(yàn)法可以準(zhǔn)確測定橋墩的橫向自振頻率。加固前的橋墩的橫向自振頻率不滿足規(guī)范要求，加固后的橋墩橫向自振頻率均滿足規(guī)范要求。

表3　上行14#～18#墩墩頂橫向振幅統(tǒng)計(jì)表

（4）加固后的橋墩橫向自振頻率均比加固前的橋墩自振頻率大。說明對橋墩加固后其剛度明顯提高，但應(yīng)對加固效果進(jìn)行定量評價(jià)，避免過度加固或加固不足。

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U446

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1009-7716（2015）01-0102-04

2014-10-08

趙德寬（1985-），男，山西太原人，助理工程師，從事橋梁運(yùn)營管理、病害整治及安全控制工作。