楊宜謙，尹京，姚京川，劉鵬輝，王巍，孟鑫，董振升，王一干

（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試進(jìn)展

楊宜謙，尹京，姚京川，劉鵬輝，王巍，孟鑫，董振升，王一干

（中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

介紹我國高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試特點和進(jìn)展，包括試驗?zāi)康?、試驗?nèi)容、試驗設(shè)備和技術(shù)、評價規(guī)范等，基于對高速鐵路橋梁動力性能測試數(shù)據(jù)的不斷積累，重點分析和總結(jié)高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試中主要參數(shù)和變化規(guī)律，形成一整套高速鐵路橋梁動力性能評價標(biāo)準(zhǔn)，為我國高速鐵路40 m大跨度簡支箱梁的優(yōu)化研究提供理論支撐。

高速鐵路；聯(lián)調(diào)聯(lián)試；橋梁；動力性能；評價標(biāo)準(zhǔn)；大跨度；簡支箱梁

1 高速鐵路橋梁特點

建國初期，由于列車運行速度較低，橋梁設(shè)計主要以滿足承載力為主，上部結(jié)構(gòu)型式一般為中小跨度的鋼筋混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土雙片T梁或板梁。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，特別是20世紀(jì)80年代以后，橋梁的結(jié)構(gòu)型式、跨度、設(shè)計理論、施工工藝和機(jī)具水平等都得到了大力發(fā)展。2003年建成的秦沈客運專線，采用了雙線整孔箱梁、多片式T梁、連續(xù)結(jié)合梁、剛構(gòu)連續(xù)梁等一批新結(jié)構(gòu)。隨著鐵路跨越式發(fā)展，高速鐵路建設(shè)取得重大進(jìn)展。在吸取國外高速鐵路橋梁設(shè)計經(jīng)驗、國內(nèi)科研攻關(guān)和工程實踐基礎(chǔ)上，逐步建立了我國高速鐵路橋梁技術(shù)體系，為我國高速鐵路橋梁設(shè)計和建設(shè)奠定基礎(chǔ)。由于高速鐵路具有運行速度高、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高、施工要求嚴(yán)等特點，高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)具有以下特點：（1）具有足夠的豎向剛度、橫向剛度和抗扭剛度，對橋梁變形更為嚴(yán)格；（2）具有良好動力性能，確保高速列車安全性和乘坐舒適性的要求；（3）結(jié)構(gòu)耐久性應(yīng)滿足使用壽命100年的要求；（4）結(jié)構(gòu)型式選擇盡量避免或減少溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)置，以保持橋上線路高平順性；（5）墩臺具有足夠的縱向剛度，以滿足軌道縱向力的要求；（6）墩臺及沉降控制要求嚴(yán)格；（7）橋面布置考慮檢查、維修及通信、信號、電力電纜設(shè)置的需要；（8）規(guī)格和外形標(biāo)準(zhǔn)化。

從2008年合寧、京津開通運營算起，我國高速鐵路已經(jīng)快速發(fā)展近十年，截至2016年底，營運里程超過2.2萬km，位居世界第一。我國高速鐵路橋梁大量線路采用以橋代路的形式，高架橋梁占線路比例很高。截至2015年，累計橋梁長度約占高速鐵路線路長度的48.9%，其中，250 km/h高速鐵路橋梁長度占線路長度比例為36.8%（見圖1），300~350 km/h高速鐵路橋梁長度占線路長度比例為60.2%[1-3]（見圖2）。

我國高速鐵路橋梁多采用等跨布置，主要梁型為跨度31.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁。以京滬高速鐵路為例，31.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁占全部橋梁總長度的88.4%[4]，各種梁型按長度統(tǒng)計的比例見圖3。除常用跨度橋梁外，高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試中還包含特殊大跨度橋梁：如南京大勝關(guān)長江大橋、武漢天興洲公鐵兩用長江大橋、北盤江特大橋等。

除上述特點外，我國高速鐵路橋梁設(shè)計種類較多，按設(shè)計等級可分為250 km/h和300~350 km/h兩類。250 km/h高速鐵路橋梁按荷載類型又分為2種，一種是兼顧貨運的高速鐵路，設(shè)計活載采用ZK活載和中-活載，主要為有砟軌道，簡支梁通用圖主要有“通橋（2005）2221系列”“通橋（2006）2221系列”“通橋（2008）2221A系列”等，連續(xù)梁通用圖主要有“通橋（2005）2261系列”“通橋（2008）2261系列”等；另一種是客運專線鐵路，設(shè)計活載采用ZK活載，有砟和無砟軌道均有采用，通用圖主要有“通橋（2008）2224A系列”“通橋（2009）2229系列”等；300~350 km/h高速鐵路橋梁設(shè)計活載采用ZK活載，主要為無砟軌道，簡支梁通用圖主要有“通橋（2008）2322A系列”“通橋（2013）2322A系列”等，連續(xù)梁通用圖主要有“通橋（2005）2368系列”“通橋（2008）2368A系列”等。高速鐵路橋梁設(shè)計概況見表1。

圖1 部分250 km/h高速鐵路橋梁長度占線路長度比例

圖2 部分350 km/h高速鐵路橋梁長度占線路長度比例

圖3 京滬高速鐵路梁型比例（按長度統(tǒng)計）

表1 高速鐵路橋梁設(shè)計概況

2 高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試特點

高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試就是采用高速檢測列車等測試設(shè)備，在鐵路開通運營前對沿線軌道、橋梁、路基、接觸網(wǎng)、通信、信號等各項設(shè)備逐步進(jìn)行測試，并依據(jù)測試結(jié)果對發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行調(diào)整，直至各個系統(tǒng)以及整體系統(tǒng)滿足符合高速運行及動態(tài)驗收要求的過程?？梢姡咚勹F路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試是高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的重要組成部分。

我國高速鐵路橋梁的聯(lián)調(diào)聯(lián)試是從普速鐵路和重載鐵路橋梁結(jié)構(gòu)動載試驗發(fā)展而來，屬于橋梁結(jié)構(gòu)試驗的一種。橋梁結(jié)構(gòu)試驗是對橋梁結(jié)構(gòu)物進(jìn)行直接測試的一項科學(xué)試驗。其任務(wù)有2個方面：一是對舊橋和遭受損傷的橋梁，通過實橋的荷載試驗，了解其實際工作狀態(tài)，確定其實際承載能力和安全運營條件；二是對新建成的新型或復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)，通過各種荷載的系統(tǒng)試驗，實測其受力狀態(tài)及動力特征，以驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的正確性以及制造和施工質(zhì)量是否符合要求，對結(jié)構(gòu)物作出科學(xué)的技術(shù)結(jié)論，為通車驗收提供依據(jù)，并為發(fā)展橋梁結(jié)構(gòu)理論積累科學(xué)資料。我國高速鐵路橋梁的聯(lián)調(diào)聯(lián)試和動態(tài)檢測屬于第二類，但在發(fā)展過程中，與普速鐵路和重載鐵路的橋梁結(jié)構(gòu)動載試驗相比，存在3個特點：

（1）試驗對象系統(tǒng)關(guān)系不同。在普速鐵路和重載鐵路橋梁結(jié)構(gòu)試驗中，被測試橋梁往往作為試驗主體，其他相關(guān)專業(yè)作為配合部門，只需保證列車按試驗要求速度和軸重通過橋梁，通常不用過多考慮和評價；而高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試是一個更大的系統(tǒng)試驗，高速列車、軌道、橋梁相互作用耦合成為一個整體，無法分割，除考慮橋梁子系統(tǒng)自身響應(yīng)外，還需要系統(tǒng)地考慮橋梁對高速列車、軌道等子系統(tǒng)的影響。

（2）評價標(biāo)準(zhǔn)考慮角度不同。普速鐵路和重載鐵路對于橋梁動力性能的評價，注重結(jié)構(gòu)承載能力，通過對橋梁剛度變形、振幅、加速度、沖擊作用等指標(biāo)進(jìn)行限制來保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，低速車輛平穩(wěn)性和舒適性通常不會成為控制因素；而高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，橋梁結(jié)構(gòu)自身承載能力已經(jīng)不是整個系統(tǒng)安全的控制指標(biāo)，嚴(yán)格控制橋梁結(jié)構(gòu)變形、保證上部結(jié)構(gòu)安全和高速列車行車平穩(wěn)性和舒適性成為了更高的要求。正因為如此，加之普速鐵路和重載鐵路列車軸重偏大，其部分評價標(biāo)準(zhǔn)過于“寬松”，已無法準(zhǔn)確反映高速鐵路橋梁的安全要求。

（3）試驗條件和方法不同。普速鐵路和重載鐵路可以在天窗時間上道作業(yè)安裝測試設(shè)備，在非天窗時間采用安全防護(hù)的方式也可進(jìn)出線路調(diào)試設(shè)備，試驗方式較為自由靈活；而高速鐵路行車期間嚴(yán)禁上道作業(yè)，試驗人員無法隨意靠近測試設(shè)備，一些傳統(tǒng)的試驗設(shè)備和技術(shù)被徹底改變。

以上3點不同，使得高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試要求更高、難度更大，需要更加專業(yè)的試驗人員，更加規(guī)范系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

3 高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試目的

高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試通過測試橋梁自振特性和動車組通過典型橋梁時的動力響應(yīng)，檢驗橋梁結(jié)構(gòu)在動載作用下的工作狀態(tài)，驗證橋梁豎向和橫向剛度，分析、評價動車組通過時橋梁的動力性能，為動態(tài)驗收提供依據(jù)。

4 高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試內(nèi)容

高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試內(nèi)容主要分為4大部分：橋梁自振特性、梁體豎向剛度、動車組列車作用下的橋梁動力響應(yīng)、綜合檢測列車通過橋梁時響應(yīng)。其中前3項為橋梁測試指標(biāo)，直接反映橋梁動力性能，第4項為車輛測試指標(biāo)，間接反映橋梁的“路況”是否良好。

4.1 橋梁自振特性

橋梁自振特性檢定技術(shù)參數(shù)包括梁體豎向自振頻率及阻尼比、梁體橫向自振頻率及阻尼比、橋墩橫向自振頻率，用來評定梁體豎向、梁體橫向、橋墩橫向剛度和狀態(tài)。

4.2 梁體豎向剛度

梁體豎向剛度檢定技術(shù)參數(shù)包括梁體豎向撓跨比、梁端豎向轉(zhuǎn)角。

4.3 動車組列車作用下的橋梁動力響應(yīng)

橋梁動力響應(yīng)檢定技術(shù)參數(shù)包括：（1）梁體動力系數(shù)，評定梁體是否滿足運營動力系數(shù)和豎向動力增量的要求；（2）梁體跨中豎向和橫向振幅、墩頂橫向振幅，分析激勵特征和梁體是否產(chǎn)生共振現(xiàn)象，評定梁體橫向、豎向剛度以及橋墩橫向剛度；（3）梁體跨中豎向振動加速度，評定橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；（4）無砟軌道橋梁相鄰梁端或橋臺與梁端兩側(cè)鋼軌支點橫向相對動位移，評定梁端相對變位是否過大，保證梁端鋼軌和扣件受力安全；（5）支座橫向、縱向和豎向位移，評定支座變位是否過大。

4.4 綜合檢測列車通過橋梁時響應(yīng)

綜合檢測列車測試參數(shù)主要為通過橋梁區(qū)段時的穩(wěn)定性，作為行車安全控制指標(biāo)，綜合反映車-線-橋耦合系統(tǒng)中下部結(jié)構(gòu)（軌道、橋梁）在列車荷載作用下的平順性。

5 高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試設(shè)備

我國高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試現(xiàn)場試驗條件可以總結(jié)為以下4點：（1）試驗周期較長，短則一周，長則數(shù)月；（2）野外試驗環(huán)境惡劣，高溫高寒高濕；（3）白天行車期間嚴(yán)禁上道作業(yè)，試驗人員無法近距離操控，設(shè)備處于“盲測”狀態(tài)，夜間天窗點方可上道檢查儀器設(shè)備；（4）多橋梁、多斷面同時采集測試。

以上試驗條件與傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)試驗存在很大不同，對整個測試系統(tǒng)和設(shè)備提出了非常高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求。因此，模塊化、自動化、無線網(wǎng)絡(luò)化、實時化是高速鐵路橋梁動態(tài)測試發(fā)展的新趨勢。

我國高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試動態(tài)測試系統(tǒng)包括6個部分（見圖4）：傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。其中測試系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，用于獲取各種傳感器和其他待測設(shè)備信號，然后對采集到的數(shù)字化信息進(jìn)行處理得到信號代表的物理意義，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與科學(xué)研究[5]。

圖4 高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試系統(tǒng)組成

5.1 傳感系統(tǒng)

傳感系統(tǒng)主要包括各種傳感器，能感受到被測量的信息，并按一定規(guī)律變換成為模擬電信號輸出，模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備將模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可識別的數(shù)字信號。目前，我國高速鐵路橋梁動態(tài)測試前端傳感器系統(tǒng)包括振動傳感器、差動變壓式位移計、壓電加速度傳感器、膠基應(yīng)變片、永磁傳感器等。這些傳感器均采用統(tǒng)一的低壓直流供電模式以降低能耗。高速鐵路測試中，線路的電磁環(huán)境等對傳感器輸出信號的干擾較大，傳感器與采集設(shè)備的連接導(dǎo)線要做好屏蔽處理，以去除大部分的電磁干擾。

5.2 采集系統(tǒng)

高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試的采集系統(tǒng)具有前端存儲與組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的功能，通過在儀器內(nèi)部插入存儲卡，設(shè)定正確程序，采集儀可根據(jù)預(yù)設(shè)程序自動判斷、自動采集、自動存儲，可脫離對電腦和測試人員的依賴，測試人員只需控制儀器電源，利用無線傳輸功能下載測試數(shù)據(jù)即可，提高了工作效率，有些采集儀還具有數(shù)據(jù)處理功能，可進(jìn)行實時的、簡單的數(shù)據(jù)處理，并對處理結(jié)果進(jìn)行判斷，發(fā)出預(yù)報預(yù)警信息。此外，數(shù)據(jù)采集還具有GPS同步功能，以滿足車-線-橋以及不同測點之間的數(shù)據(jù)同步。

5.3 供電系統(tǒng)

野外試驗最大的限制條件之一就是儀器設(shè)備的長期供電。早期的鐵路橋梁動態(tài)測試中，多采用發(fā)電機(jī)、接民用電等供電方式，但這些傳統(tǒng)供電方式弊端較多，耗費人力物力。目前，高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試的傳感系統(tǒng)和采集系統(tǒng)采用的統(tǒng)一供電模式，較傳統(tǒng)的測試設(shè)備降低了能耗，而且還在不斷優(yōu)化改進(jìn)，以繼續(xù)降低能耗。在此基礎(chǔ)上，選用優(yōu)質(zhì)的鋰電池作為電源，定期對鋰電池更換充電來實現(xiàn)對設(shè)備的供電，無需人工值守，可大幅度地減少現(xiàn)場人員工作量。今后，便攜式的太陽能、風(fēng)能等新型供電方式將是未來的發(fā)展方向。

5.4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

為全面實現(xiàn)無人值守智能化采集，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是一個必不可少的組成部分。我國高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試系統(tǒng)中，選用控制器來解決遠(yuǎn)程控制的問題。該控制器在手機(jī)信號覆蓋的區(qū)域均可使用，通過給控制器打電話和發(fā)短信的方法實現(xiàn)測試儀器的供電、斷電。一臺控制器可多人遠(yuǎn)程遙控，可隨時隨地控制儀器電源，查詢儀器工作狀態(tài)，配合采集系統(tǒng)的自動采集功能，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測、無人值守的智能化測試。

5.5 無線傳輸系統(tǒng)

高速鐵路橋梁多為墩身較高的高架結(jié)構(gòu)，有些特殊結(jié)構(gòu)橋梁甚至跨越山谷、溝壑、江河、湖泊等，測試人員進(jìn)出現(xiàn)場較為困難，需要實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實時在線傳輸，克服有線傳輸?shù)木窒扌砸噪S時隨地掌握現(xiàn)場動態(tài)測試數(shù)據(jù)情況。

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，3G網(wǎng)絡(luò)已基本覆蓋全國大部分區(qū)域。3G網(wǎng)絡(luò)傳輸能滿足大數(shù)據(jù)量傳輸、全天候工作等特點，對于大數(shù)據(jù)量及長時間數(shù)據(jù)傳送要求的測試情況，采用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸是一種可行的方式。通過對前端采集設(shè)備與3G傳輸設(shè)備接口，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以及終端服務(wù)器軟件進(jìn)行研究開發(fā)，將采集儀內(nèi)測試數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器，測試人員通過互聯(lián)網(wǎng)訪問該服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和處理工作，從而達(dá)到現(xiàn)場無人值守智能化采集傳輸目的，提高測試工作效率。實踐表明，3G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸是可靠高效的。

對于3G信號未覆蓋的區(qū)域，可采用無線路由傳輸（見圖5），采用電腦的無線傳輸功能，通過無線路由器連接采集儀本地存儲卡，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。無線路由技術(shù)成熟，安裝簡單快捷，兼容性良好，購買方便，價格便宜，但傳輸距離有一定限制。

圖5 3G無線傳輸系統(tǒng)

5.6 數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)處理分析軟件。高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試參數(shù)眾多，數(shù)據(jù)處理的工作量非常大，如果采用人工逐項逐通道處理的方法費時費力。因此，數(shù)據(jù)處理要具有批量智能化與自動化處理功能。自動化數(shù)據(jù)處理要結(jié)合專業(yè)數(shù)據(jù)處理的算法進(jìn)行編程，在進(jìn)行數(shù)據(jù)自動讀取后，通過橋梁專業(yè)算法分析，得出該參數(shù)目標(biāo)值。試驗人員對自動處理數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行分析，如發(fā)現(xiàn)異常，結(jié)合以往經(jīng)驗和專業(yè)理論，對異常數(shù)據(jù)再進(jìn)行人工分析，得出合理結(jié)果。通過這種自動分析采集到的數(shù)據(jù)，可節(jié)省大量的人力并實質(zhì)性地縮短處理時間，也可減少數(shù)據(jù)處理過程中因人為錯誤導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常。

6 高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試評價標(biāo)準(zhǔn)

我國鐵路橋梁檢定規(guī)范的發(fā)展，主要經(jīng)歷了以下階段：

（1）1978年原鐵道部頒布了第一版《鐵路橋梁檢定規(guī)范》，該規(guī)范對鐵路橋梁運營性能的評價標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)大量的現(xiàn)場實測資料統(tǒng)計分析得出，但當(dāng)時的運營速度較低，車輛和橋梁的動力問題不突出。2004年原鐵道部頒布了第二版《鐵路橋梁檢定規(guī)范》，適用速度范圍：旅客列車提高到160 km/h、貨物列車提高到80 km/h，對于旅客列車最高速度在200 km/h時，可參照執(zhí)行。該規(guī)范主要針對普速鐵路橋梁檢定，軸重偏大，但我國高速鐵路投入運營的動車組列車速度均在200 km/h以上，且軸重較輕，因此該檢定規(guī)范并不完全適用。

（2）2008年1月，原鐵道部為統(tǒng)一客運專線鐵路工程竣工驗收動態(tài)檢測程序、內(nèi)容、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和方法，依據(jù)《鐵路客運專線項目竣工驗收暫行辦法》（鐵建設(shè)［2007］183號），頒布了《客運專線鐵路工程竣工驗收動態(tài)檢測指導(dǎo)意見》（鐵建設(shè)［2008］7號），該指導(dǎo)意見給出了客運專線鐵路橋梁動態(tài)測試中相關(guān)檢測項目和指標(biāo)，但對于近期兼顧貨運的客運專線貨車作用下的相應(yīng)檢測項目和指標(biāo)沒有列出，其檢測項目及方法可參照執(zhí)行，具體質(zhì)量要求應(yīng)符合設(shè)計要求或相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[6]。

（3）2008年7月，原鐵道部針對客貨共線鐵路工程的技術(shù)特點和要求，依據(jù)《鐵路建設(shè)項目竣工驗收交接辦法》（鐵建設(shè)［2008］23號），頒布了《客貨共線鐵路工程竣工驗收動態(tài)檢測指導(dǎo)意見》（鐵建設(shè)［2008］133號），但該指導(dǎo)意見適用于200 km/h及以下新建客貨共線標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路的工程竣工驗收動態(tài)檢測。

（4）2010年原鐵道部頒布了《高速鐵路工程動態(tài)驗收指導(dǎo)意見》（鐵建設(shè)［2010］214號），原《客運專線鐵路工程竣工驗收動態(tài)檢測指導(dǎo)意見》同時廢止，該指導(dǎo)意見適用于新建高速鐵路工程動態(tài)驗收，200 km/h及以上城際（市域）鐵路可參照執(zhí)行。

（5）2013年原鐵道部結(jié)合近年高速鐵路建設(shè)實際、依據(jù)相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，吸取我國高速鐵路動態(tài)驗收和國外相關(guān)經(jīng)驗，頒布了TB 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》，原《高速鐵路工程動態(tài)驗收指導(dǎo)意見》同時廢止，該規(guī)范適用于新建高速鐵路工程動態(tài)驗收，其他專門用于旅客運輸?shù)男陆ㄨF路工程動態(tài)驗收按照執(zhí)行。該規(guī)范規(guī)定了橋梁專項檢測的參數(shù)和相應(yīng)指標(biāo)，檢測點選取原則和數(shù)量要求，數(shù)據(jù)處理要求等[7]。

以上評價標(biāo)準(zhǔn)主要適用于新建高速鐵路工程動態(tài)驗收，部分參數(shù)限值依據(jù)設(shè)計規(guī)范給出，與運營狀態(tài)下的實測結(jié)果有較大富余，此外受多因素影響的振幅等參數(shù)沒有給出限值。為更加有效和有針對性地開展高速鐵路橋梁開通運營后的檢定工作，中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所在系統(tǒng)地整理和歸納2008—2013年8月底的高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，編制了TG/GW 209—2014《高速鐵路橋梁運營性能檢定規(guī)定（試行）》。試用于高速鐵路跨度100 m及以下的常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土雙線箱梁橋運營性能的檢測和評定。該規(guī)定明 確了評價目的，對檢定內(nèi)容和程序等提出了原則性要求，對250 km/h和350 km/h速度等級高速鐵路橋梁，分別給出了運營性能檢定通常值，規(guī)定了測試要求和方法，以及數(shù)據(jù)處理和分析應(yīng)遵循的原則和方法，提出了評定和檢定報告編制的要求[8]，系統(tǒng)而全面，完全適用于我國高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中橋梁動力性能測試的評價。

7 高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試主要技術(shù)指標(biāo)

7.1 梁體剛度

高速鐵路橋梁應(yīng)具有足夠的剛度，以保證動車組列車以規(guī)定的速度通過時，橋梁結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)劇烈振動、滿足列車平穩(wěn)運行以及旅客乘坐舒適性、軌道狀態(tài)的要求，因此橋梁剛度是整個評價體系的核心。

對于高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，大量理論和試驗數(shù)據(jù)表明，橫向、扭轉(zhuǎn)限值均不控制橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計，豎向剛度指標(biāo)主要為梁體撓跨比限值和梁端轉(zhuǎn)角限值。梁體豎向撓跨比是直接反映結(jié)構(gòu)剛度的指標(biāo)，也是最為重要的運營性能評價參數(shù)。通過控制橋梁豎向撓跨比，以保持橋上軌道的高平順狀態(tài)，保證旅客的乘坐舒適性。采用無砟軌道的橋梁，由于梁端豎向轉(zhuǎn)角使得梁縫兩側(cè)的鋼軌支點分別產(chǎn)生鋼軌的上拔和下壓現(xiàn)象，當(dāng)上拔力大于鋼軌扣件的扣壓力時將導(dǎo)致鋼軌與下墊板脫開，當(dāng)墊板所受下壓力過大時可能導(dǎo)致墊板產(chǎn)生破壞，梁端轉(zhuǎn)角示意見圖6。國內(nèi)外規(guī)范均以靜活載作用下的撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角作為梁體豎向剛度控制指標(biāo)。2個指標(biāo)之間可進(jìn)行理論換算，以32 m簡支梁為例，跨度/撓度與梁端轉(zhuǎn)角的關(guān)系式為y=3 175/x，即轉(zhuǎn)角限值為1.0‰和1.5‰時，對應(yīng)的梁體撓跨比為L/3 175和L/2 117，而《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中250 km/h、350 km/h雙線梁體撓度設(shè)計上限值分別為L/1 400、L/1 600?？梢?，對于無砟軌道雙線簡支梁，梁端轉(zhuǎn)角限值更加嚴(yán)格，是豎向剛度設(shè)計的控制指標(biāo)。

圖6 無砟軌道橋梁梁端轉(zhuǎn)角示意圖

實測高速鐵路部分32 m簡支箱梁豎向撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角見表2、表3，可以看出，實測結(jié)果與規(guī)范限值間存在較大安全余量。

表2 實測32 m簡支箱梁豎向撓跨比

表3 實測32 m簡支箱梁梁端豎向轉(zhuǎn)角 ‰

7.2 梁體自振頻率

梁體自振頻率是反映橋梁剛度和動力特性的基本參數(shù)。研究表明，梁體自振頻率過低將導(dǎo)致高速列車通過時產(chǎn)生過大振動或共振。

7.2.1 豎向自振頻率

我國高速鐵路橋梁設(shè)計中，根據(jù)大量車-橋耦合分析結(jié)果制定了簡支梁的豎向自振頻率下限值，設(shè)計選用的梁體豎向自振頻率除滿足最低頻率限值外，尚應(yīng)按照實際運營列車進(jìn)行車-線-橋耦合動力分析。在綜合分析橋梁動力響應(yīng)與列車類型、行車速度、橋梁剛度關(guān)系的基礎(chǔ)上，規(guī)范提出了動車組不同設(shè)計速度條件下跨度40 m以下的簡支梁不需進(jìn)行車-線-橋動力檢算的頻率限值。

實測高速鐵路不同梁型32 m簡支箱梁豎向自振頻率分布范圍見圖7、圖8，可以看出，實測結(jié)果與設(shè)計值和規(guī)范限值間存在較大安全余量。

圖7 250 km/h高速鐵路32 m簡支箱梁豎向自振頻率

圖8 350 km/h高速鐵路32 m簡支箱梁豎向自振頻率

7.2.2 橫向自振頻率

實測高速鐵路32 m簡支箱梁梁體橫向自振頻率超過20 Hz，梁體橫向剛度較大，梁體橫向自振頻率不是設(shè)計控制因素。

7.3 橋梁動力響應(yīng)

7.3.1 豎向動力響應(yīng)

高速鐵路橋梁豎向動力響應(yīng)主要影響因素包括：（1）移動荷載列效應(yīng)。列車以一定速度通過橋梁時由移動軸重加載所形成的豎向作用力，與車輛的編組、軸重以及行車速度有關(guān)。（2）輪軌缺陷。列車以一定速度通過橋梁時，線路、車輪缺陷及軌道不平順對系統(tǒng)產(chǎn)生激勵作用，形成系統(tǒng)的強迫振動。其中軌道不平順的作用是隨機(jī)的，而車輪缺陷的作用是周期性的。（3）車-橋動力相互作用。包括橋梁及橋上軌道的變形和振動對運行列車產(chǎn)生的動力影響，車橋系統(tǒng)共振與列車速度、橋梁及車輛的豎向自振頻率。（4）車體豎向振動等。

高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試中豎向動力響應(yīng)的參數(shù)主要包括豎向振幅、豎向振動加速度、動力系數(shù)和豎向動力增量。橋梁豎向動力響應(yīng)與動車組列車（軸重、車速、車長等）、線路條件（軌道平順性、軌道結(jié)構(gòu)剛度等）、梁體結(jié)構(gòu)參數(shù)（自振頻率、約束形式等）諸多因素有關(guān)。橋梁豎向動力響應(yīng)應(yīng)重點關(guān)注橋梁是否發(fā)生共振，當(dāng)列車強振頻率接近或等于橋梁自振頻率時，橋梁動力響應(yīng)會出現(xiàn)急劇增大現(xiàn)象，發(fā)生共振現(xiàn)象，對梁體結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)、行車安全產(chǎn)生不利影響。

通過列車與橋梁豎向相互作用的研究表明，列車對橋梁的豎向強振頻率 f強振主要取決于動車組列車速度v和車輛長度d，由車輛長度引起的豎向強振頻率為f強振=v/（3.6d），而軸距、定距、兩車相鄰轉(zhuǎn)向架的中心距由于重復(fù)作用不連續(xù)，相對處于次要地位。對于車輛長度為25 m左右的CRH系列動車組列車，其理論強振頻率 f強振=0.011v。實測動車組列車對橋梁的豎向強振頻率與速度關(guān)系見圖9，結(jié)果表明理論與實測的豎向強振頻率吻合很好。

圖9 實測梁體豎向強振頻率與列車速度關(guān)系

對于簡支箱梁，當(dāng)強振頻率等于橋梁豎向自振頻率 f 的1/i,（i=1，2，3，…）時，即vres，i=3.6 f ·d/i,（i=1，2，3，…）時，會使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振或超諧共振。定義vres，1為橋梁的1階共振速度，定義vres，2、vres，3分別為2、3階超諧共振速度；當(dāng)動車組列車速度滿足vcon，i= 3.6 f ·L/（i-0.5）,（i=1，2，3，…）時，車輛的周期性加載作用會相互抵消，vcon，i為i階消振速度[9]。結(jié)合我國高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試簡支箱梁豎向自振頻率實測結(jié)果，超諧共振、消振計算速度見表4。以40 m簡支箱梁為例，當(dāng)列車以2階共振速度259.7 km/h通過時，引起的梁體動力響應(yīng)較大，當(dāng)列車以更高的3階消振速度324.9 km/h通過時，梁體動力響應(yīng)反而較小[10]。實測梁體典型共振和消振動力響應(yīng)比較見圖10。

表4 高速鐵路部分簡支箱梁超諧共振、消振計算速度

進(jìn)一步理論研究表明：（1）當(dāng)梁跨與車長比Lb/Lv=k+0.5（k=1，2，3，…）時，梁體不會發(fā)生共振，車橋動力響應(yīng)最??；（2）當(dāng)梁跨與車長比Lb/Lv=（k+0.5）/2（k=1，2，3，…）時，梁體不會發(fā)生2階超諧共振；（3）由于Lb＞Lv時，梁體撓度是由長列荷載引起的，荷載產(chǎn)生的突變效應(yīng)減弱，當(dāng)Lb/Lv=2.0及以上時，共振波峰的動力響應(yīng)倍率會變小。根據(jù)上述研究成果，在CRH系列高速列車長度確定的條件下（25 m），對于常用跨度簡支梁，當(dāng)梁體跨度為37.5 m時不會發(fā)生共振。因此目前綜合考慮高速列車運營性能、運架能力、經(jīng)濟(jì)性等因素，將新的大跨度簡支箱梁梁體標(biāo)準(zhǔn)跨度確定為40 m。高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試為高速鐵路橋梁動力響應(yīng)控制和梁體優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)和理論驗證。

我國高速鐵路橋梁大量采用連續(xù)等跨布置的32 m簡支箱梁。高速列車通過等跨布置的多孔橋梁時，會受到橋跨的周期性激勵，車橋可能會發(fā)生共振現(xiàn)象。為了防止共振，國際鐵路聯(lián)盟UIC76規(guī)范，對于準(zhǔn)高速和高速鐵路的設(shè)計建議：多跨橋相接時，應(yīng)具有不同的自振頻率。這可以理解為具有不同的跨度或截面剛度，但如果按此要求，則橋梁的設(shè)計和施工帶來很大的麻煩。實際上，世界各國的高速鐵路橋梁，大量采用了多孔等跨布置的混凝土簡支梁，而對不等跨的配合關(guān)注較少。

京滬高速鐵路綜合試驗中對等跨布置的多孔橋梁進(jìn)行了動力響應(yīng)研究。實測等跨布置的6孔32 m簡支箱梁跨中豎向振幅時域波形（見圖11）和連續(xù)3孔振幅幅值譜（見圖12）可以看出，同一趟動車組通過第1、2、3、21、22、23孔32 m簡支箱梁時的豎向振幅最大值、最小值與平均值的差值在3%~15%，且豎向振幅沒有出現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象；同一趟動車組通過第1、2、3孔32 m簡支箱梁時的豎向振幅幅值譜一致性良好，說明在目前32 m簡支梁剛度條件下，連續(xù)等跨布置引起的周期不平順效應(yīng)不明顯。

圖10 40 m簡支箱梁2階超諧共振和消振

圖11 等跨布置32 m簡支箱梁跨中豎向振幅時域波形

圖12 第1、2、3孔32 m簡支箱梁跨中豎向振幅幅值譜

當(dāng)列車以一定速度通過橋梁時，橋梁產(chǎn)生振動使結(jié)構(gòu)的動撓度、動應(yīng)力與相同工況靜荷載作用時相比更大，這種由于橋梁振動引起的撓度和應(yīng)力增大，通常以動力系數(shù)來衡量。動力系數(shù)是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件最大的動力響應(yīng)與最大靜力響應(yīng)之比，其數(shù)值大小是車-線-橋3者的動力特性和動力相互作用狀態(tài)的綜合反映。將實測動力系數(shù)乘以相應(yīng)的荷載換算系數(shù)，即得到設(shè)計荷載作用下的豎向動力增量，更為直觀地反映動力效應(yīng)的大小。

7.3.2 橫向動力響應(yīng)

引起車橋系統(tǒng)橫向振動的主要因素有：（1）車橋動力相互作用，即橋梁（包括上部結(jié)構(gòu)和墩臺）及橋上軌道結(jié)構(gòu)振動與運行列車間的相互動力影響；（2）車輛蛇行運動，由于車輪踏面的錐度以及輪緣與鋼軌內(nèi)側(cè)的間隙，導(dǎo)致車輛運行時產(chǎn)生蛇行運動，成為列車乃至車橋系統(tǒng)橫向振動主要的激勵源；（3）軌道橫向不平順，由于軌向、水平和軌距不平順（包括幾何不平順及彈性不平順）使車輛對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的動力作用，也是車橋系統(tǒng)橫向振動的激勵源；（4）列車上橋前的橫向振動，即列車在上橋前車體、轉(zhuǎn)向架和輪對質(zhì)量的振動慣性力；（5）離心力橫向動力作用，曲線上列車離心力通過輪對形成的橫向力移動荷載列引起的系統(tǒng)橫向和扭轉(zhuǎn)振動；（6）風(fēng)的作用，平均風(fēng)荷載可引起橋梁整體橫向和豎向變形，導(dǎo)致軌道彎曲半徑過小；脈動橫風(fēng)引起的橋梁抖振；風(fēng)荷載直接作用于運動著的車體本身，帶有橫向平均風(fēng)壓的移動車輛對橋梁產(chǎn)生動力作用。

列車作用下的橋梁整體橫向動力響應(yīng)，為橋墩和箱梁橫向振動的總和。32 m簡支箱梁自身橫向剛度較大，但與橋墩組成梁墩耦合體系后，墩梁一體的橫向自振頻率往往較小，當(dāng)橋墩較高時，墩的剛度會影響整個橋梁體系的橫向振動特性。當(dāng)動車組列車通過時的橫向強振頻率與墩梁一體橫向自振頻率接近時，梁體跨中和墩頂橫向振幅會出現(xiàn)峰值。但由于動車組激勵能量有限，正線輪軸橫向力實測值一般小于20 kN，動車組列車車輛蛇行運動無法形成明顯橫向共振，各梁型梁體及橋墩橫向動力響應(yīng)數(shù)值均較小。

7.3.3 動位移

對于無砟軌道，由于支座橫向構(gòu)造間隙，列車通過時，相鄰梁端兩側(cè)鋼軌支點會產(chǎn)生橫向相對位移，對軌道不平順產(chǎn)生影響，造成鋼軌、扣件等局部受力過大，因此設(shè)計規(guī)范對無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點橫向相對位移進(jìn)行了限制，要求不大于1 mm，《高速鐵路橋梁運營性能檢定規(guī)定（試行）》根據(jù)大量實測結(jié)果，提出通常值不大于0.5 mm。

橋梁支座是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的重要部件，橋梁支座的作用是保證梁的工作狀態(tài)符合設(shè)計要求，將作用在梁上的力傳遞到墩臺上，保證梁部結(jié)構(gòu)的工作位置不變，并使梁部結(jié)構(gòu)受力明確。橋梁支座質(zhì)量和性能直接影響橋梁的使用性能和耐久性能，高速鐵路行車速度高、舒適度要求高，對橋梁剛度、變形、變位等都提出了嚴(yán)格要求?！陡咚勹F路橋梁運營性能檢定規(guī)定（試行）》根據(jù)大量實測結(jié)果，提出通常值不大于0.2 mm。

8 高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試“走出去”戰(zhàn)略

近年來，我國高速鐵路“走出去”步伐日益加快、競爭力不斷提升，已成為“一帶一路”戰(zhàn)略的重要內(nèi)容和耀眼的“國家名片”，更是加快實施該戰(zhàn)略的重要工具。在中國鐵路總公司的領(lǐng)導(dǎo)下，中國鐵道科學(xué)研究院在高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的標(biāo)準(zhǔn)體系、管理體系、試驗設(shè)備方法等多個方面進(jìn)行了國際化研究與改進(jìn)，開展了多項綜合試驗。如2015年底，為解決印尼雅萬高鐵在速度目標(biāo)值300 km/h條件下系列參數(shù)的確定問題，在贛龍鐵路進(jìn)行了“高速鐵路線間距等速度適應(yīng)性試驗”，通過橋梁動力性能試驗，首次系統(tǒng)掌握了時速200 km客貨共線鐵路簡支T梁橋在更高速度動車組列車作用下的動力響應(yīng)規(guī)律，分析了時速200 km客貨共線鐵路簡支T梁橋?qū)Ω咚俣葎榆嚱M列車的適用性，為高速鐵路“走出去”提供了科學(xué)驗證和技術(shù)支撐。

9 結(jié)束語

重點介紹我國高速鐵路橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試特點和進(jìn)展，包括試驗?zāi)康?、試驗?nèi)容、試驗設(shè)備和技術(shù)、評價規(guī)范等，通過對近十年高速鐵路橋梁動力性能聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)的不斷積累，重點分析了高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試中主要參數(shù)及規(guī)律，總結(jié)驗證了高速列車作用下橋梁動力響應(yīng)和變化規(guī)律，形成一整套高速鐵路橋梁動力性能評價標(biāo)準(zhǔn)，為我國高速鐵路40 m大跨度簡支箱梁的優(yōu)化研究提供了理論支撐。

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責(zé)任編輯 李葳

On Progress of Study of Integrated Commissioning & Test on HSR Bridges

YANG Yiqian，YIN Jing，YAO Jingchuan，LIU Penghui，WANG Wei，MENG Xin，DONG Zhensheng，WANG Yigan
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

This paper introduces the characteristics and progress of integrated commissioning and test of highspeed railway bridges, including the purpose, content, equipment and technologies of the test and evaluation standards. Based on consistent accumulation of test data of high-speed railway bridge dynamic performance, the paper focuses on analyzing and summarizing the main parameters and changing rules in integrated commissioning and test of high-speed railway bridges, and ushers in a complete set of evaluation criteria for the dynamic performance of high-speed railway bridges, which will provide theoretical support for the optimization study of 40-m long-span simple-supported box girders of high-speed railways in China.

high-speed railway；integrated commissioning and test；bridge；dynamic performance；evaluation criterion；long-span；simply-supported box girder

U446

A

1001-683X（2017）02-0011-10

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.02.011

2017-01-13

楊宜謙（1970—），男，研究員，博士。E-mail：yqyang@yeah.net