王宜航，孟濤，井一鳴，魏顯品

（1.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 兗州工務(wù)段，山東 濟(jì)寧 272100；2.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 科技和信息化部，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

橋梁作為承載列車運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施，其動(dòng)力學(xué)狀態(tài)以及在列車處于運(yùn)行工況的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)是保證線路長(zhǎng)期服役安全的重要保障［1］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)高鐵橋梁動(dòng)力性能進(jìn)行了大量研究，并取得了一些重要成果。胡希冀［2］對(duì)高速列車作用下的簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁在不同工況下的動(dòng)力性能進(jìn)行分析，得出了橋梁結(jié)構(gòu)豎向動(dòng)撓度、加速度和結(jié)構(gòu)阻尼比、結(jié)構(gòu)剛度之間存在非線性關(guān)系。楊宜謙等［3］對(duì)遂渝鐵路常用跨度無(wú)軌道橋梁進(jìn)行動(dòng)力性能試驗(yàn)，得出24、32 m箱梁能夠滿足CRH2型動(dòng)車組和120 km/h速度等級(jí)試驗(yàn)貨物列車通過(guò)時(shí)的安全性要求，梁體橫、豎向自振頻率滿足有關(guān)規(guī)范要求。李志明等［4］以滬昆高鐵某三孔32 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁為研究對(duì)象，研究了無(wú)砟軌道-橋梁各結(jié)構(gòu)層在不同行車速度下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及軌道結(jié)構(gòu)-橋面協(xié)調(diào)變形特性。陳緒黎等［5］采用車-橋耦合振動(dòng)方法，分析了車輛編組、車輛載重、車速3種車輛因素和橋型、跨度、橋梁豎向基頻3種橋梁結(jié)構(gòu)因素對(duì)400 km/h高速鐵路橋梁動(dòng)力系數(shù)的影響。耿方方等［6］基于大勝關(guān)大橋主梁橫向加速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用主成分分析方法建立了高速鐵路橋梁動(dòng)力性能異常預(yù)警方法。由于針對(duì)新建高鐵橋梁動(dòng)力性能檢測(cè)技術(shù)方面研究較少，且無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的試驗(yàn)方法和測(cè)試流程可循，因此，進(jìn)行動(dòng)力性能試驗(yàn)，實(shí)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及動(dòng)力特征，對(duì)于驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和工程質(zhì)量、完善高鐵橋梁動(dòng)力性能檢測(cè)技術(shù)體系具有重要意義。

1 概況

1.1 工程概況

新建京沈高鐵北京朝陽(yáng)—承德南段正線特大橋、大橋、中橋共計(jì)46座，橋梁總長(zhǎng)70.434 km，占線路總長(zhǎng)的36.83%。橋梁采用ZK活載設(shè)計(jì)，梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，為單箱單室等高度簡(jiǎn)支箱梁，橫橋向支座中心距4.5 m，箱梁截面中心線處高度3.05 m，梁端頂板、底板及腹板局部加厚。橋跨一般以32 m簡(jiǎn)支箱梁為主，按等跨方式布置，采用24 m簡(jiǎn)支箱梁調(diào)整孔跨，跨高速公路、城市道路、河流等的主橋采用特殊結(jié)構(gòu)，主要有跨承唐高速公路大橋（115+95）m矮塔斜拉橋等。鐵路簡(jiǎn)支梁球形鋼支座（TJQZ—8360）用于簡(jiǎn)支梁，大噸位球型鋼支座（TJQZ—通橋8361）或雙曲面球型減隔震支座（KZQZ）用于連續(xù)梁及特殊大跨橋梁。橋墩一般采用圓端形實(shí)體墩或圓端形空心墩，一字型橋臺(tái)用于雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁。

1.2 工點(diǎn)選擇

根據(jù)橋梁分布情況，結(jié)合代表性橋梁動(dòng)態(tài)檢測(cè)原則，選取順義特大橋32 m簡(jiǎn)支箱梁、白河特大橋32 m簡(jiǎn)支箱梁、跨承唐高速（115+95）m矮塔斜拉橋3座典型橋梁作為檢測(cè)工點(diǎn)。其中，跨承唐高速大橋（115+95）m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉T構(gòu)為本線橋梁控制性工程，且處于350 km/h區(qū)段。試驗(yàn)動(dòng)車組為CRH380AJ-0201綜合檢測(cè)列車。橋梁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況見圖1，動(dòng)態(tài)檢測(cè)工點(diǎn)見表1。

圖1 橋梁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況

表1 橋梁動(dòng)態(tài)檢測(cè)工點(diǎn)

2 檢測(cè)內(nèi)容

在動(dòng)車組以規(guī)定速度運(yùn)行通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，為確保動(dòng)車組能夠平穩(wěn)運(yùn)行，不發(fā)生劇烈振動(dòng)，滿足乘坐舒適和軌道狀態(tài)等要求，新建高鐵橋梁應(yīng)具備足夠剛度［7］。需要對(duì)梁體豎向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、振動(dòng)加速度等方面進(jìn)行測(cè)試，以確保新建高鐵橋梁橫豎向剛度符合相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)文件要求，滿足動(dòng)車組列車以350 km/h及以下速度運(yùn)行時(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。動(dòng)態(tài)檢測(cè)內(nèi)容［8］見圖2。

圖2 新建高鐵橋梁動(dòng)態(tài)檢測(cè)內(nèi)容

3 檢測(cè)方法及測(cè)試流程

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)橋梁分布狀況及測(cè)點(diǎn)選取原則，結(jié)合設(shè)計(jì)資料，測(cè)點(diǎn)布置示意見圖3。其中，順義特大橋32 m簡(jiǎn)支箱梁、白河特大橋32 m簡(jiǎn)支箱梁分別選取簡(jiǎn)支梁跨中、梁端、墩頂、活動(dòng)支座位置作為測(cè)點(diǎn)；跨承唐高速（115+95）m矮塔斜拉橋選取115 m跨跨中、95 m跨跨中和梁端位置作為測(cè)點(diǎn)。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.2 檢測(cè)方法

橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試方法如下：

（1）橋梁動(dòng)應(yīng)變。采用應(yīng)變式傳感器直接或組成橋路，配合數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)測(cè)試。

（2）橋梁豎向撓度和動(dòng)變形。豎向撓度采用位移計(jì)法和傾角儀法；動(dòng)變形采用位移計(jì)法，并配合數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)測(cè)試。

（3）橋梁振動(dòng)特性。自振頻率、阻尼比采用自由振動(dòng)衰減法或環(huán)境微振動(dòng)法測(cè)試。振幅和加速度采用振動(dòng)傳感器直接測(cè)試。強(qiáng)振頻率采用頻譜分析列車通過(guò)時(shí)的振動(dòng)時(shí)域波形求得。

3.3 測(cè)試流程

與傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)不同，高鐵橋梁聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn)條件復(fù)雜多變，如行車期間限制、設(shè)備處于“盲測(cè)”狀態(tài)以及試驗(yàn)周期長(zhǎng)等，為提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，采用IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模塊化、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化測(cè)試。

采用IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理和遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸一體化，借助高精度、高穩(wěn)定性的傳感器，以確保檢測(cè)數(shù)據(jù)有效性，保障橋梁動(dòng)力性能測(cè)試效果。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、無(wú)線傳輸和供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采集無(wú)人值守、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析功能。橋梁動(dòng)力性能檢測(cè)系統(tǒng)及測(cè)試流程見圖4，可以看出應(yīng)變、撓度等數(shù)據(jù)通過(guò)傳感系統(tǒng)進(jìn)行采集，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，再經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、打印和輸出。

圖4 橋梁動(dòng)力性能檢測(cè)系統(tǒng)及測(cè)試流程

4 數(shù)據(jù)分析處理

依據(jù)TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》和《高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢定規(guī)定（試行）》中數(shù)據(jù)處理原則，采用時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)處理方法［9-10］，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。其中，分析梁體橫向振動(dòng)特征能夠評(píng)價(jià)梁體橫向剛度和橫向激勵(lì)特征；分析梁體豎向振動(dòng)特征能夠評(píng)價(jià)梁體豎向剛度和列車通過(guò)橋梁時(shí)是否產(chǎn)生豎向共振現(xiàn)象；分析梁體豎向振動(dòng)加速度能夠評(píng)定列車通過(guò)橋梁時(shí)，橋上有砟和無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果如下。

4.1 梁體橫向振幅

綜合檢測(cè)列車通過(guò)測(cè)試橋梁時(shí)，實(shí)測(cè)梁體跨中橫向振幅最大值及對(duì)應(yīng)速度見表2。由表2可知，實(shí)測(cè)橋梁跨中橫向振幅最大值均滿足《高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢定規(guī)定（試行）》規(guī)定的通常值要求。其中，實(shí)測(cè)梁體跨中橫向振幅與行車速度關(guān)系見圖7。

圖7 實(shí)測(cè)梁體跨中橫向振幅與行車速度關(guān)系

表2 實(shí)測(cè)梁體跨中橫向振幅最大值及對(duì)應(yīng)速度

4.2 梁體豎向振幅

綜合檢測(cè)列車通過(guò)測(cè)試橋梁時(shí)，實(shí)測(cè)梁體跨中豎向振幅最大值及對(duì)應(yīng)速度見表3。由表3可知，實(shí)測(cè)橋梁跨中豎向振幅最大值均滿足《高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢定規(guī)定（試行）》規(guī)定的通常值要求。

表3 實(shí)測(cè)梁體跨中豎向振幅最大值及對(duì)應(yīng)速度

實(shí)測(cè)梁體跨中豎向振幅與行車速度關(guān)系見圖8。由圖8可知，實(shí)測(cè)梁體跨中豎向振幅隨行車速度的提高而增大。實(shí)測(cè)（115+95）m矮塔斜拉橋在動(dòng)車組210 km/h速度作用下，由車體長(zhǎng)度導(dǎo)致的強(qiáng)振頻率2.30 Hz同梁體二階豎向自振頻率2.23 Hz較為接近，梁體豎向振幅達(dá)到峰值。

圖8 實(shí)測(cè)梁體跨中豎向振幅與行車速度關(guān)系

4.3 梁體豎向振動(dòng)加速度

綜合檢測(cè)列車通過(guò)測(cè)試橋梁時(shí)，梁體跨中豎向振動(dòng)加速度（20 Hz低通數(shù)字濾波后）及對(duì)應(yīng)速度見表4，實(shí)測(cè)梁體跨中豎向振動(dòng)加速度滿足《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的限值要求，32 m簡(jiǎn)支箱梁也滿足《高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢定規(guī)定（試行）》規(guī)定的通常值要求。

表4 梁體跨中豎向加速度及對(duì)應(yīng)速度

5 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)動(dòng)車組通過(guò)京沈高鐵北京朝陽(yáng)—承德南段典型橋梁時(shí)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合設(shè)計(jì)文件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求［10-12］，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、評(píng)判，得出實(shí)測(cè)橋梁橫、豎向剛度滿足要求，動(dòng)力性能滿足動(dòng)車組以350 km/h及以下速度運(yùn)行時(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

通過(guò)總結(jié)新建高鐵橋梁動(dòng)力性能檢測(cè)內(nèi)容、檢測(cè)方法、測(cè)試流程和數(shù)據(jù)分析處理過(guò)程，對(duì)于建立科學(xué)可循的試驗(yàn)方法和測(cè)試流程，有效提高試驗(yàn)效率，促進(jìn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗(yàn)各項(xiàng)工作流程化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化具有重要推動(dòng)作用［11］，對(duì)于完善高鐵橋梁動(dòng)力性能檢測(cè)技術(shù)體系，保障聯(lián)調(diào)聯(lián)試橋梁動(dòng)態(tài)驗(yàn)收順利開展具有重要意義。