陶永博, 張 冬, 雷正平, 黃 波, 徐 沛

(中交二公局鐵路建設(shè)有限公司,陜西 西安 710076)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展,跨線橋梁施工顯著增多。由于具有適應(yīng)能力強(qiáng)、速度快以及對既有線交通影響小等優(yōu)點(diǎn),水平轉(zhuǎn)體法已經(jīng)成為跨既有鐵路線施工的首選方案。而對于臨近鐵路線施工的轉(zhuǎn)體橋梁而言,列車通過時(shí)誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)不可避免會(huì)引起橋梁產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng),尤其是當(dāng)轉(zhuǎn)體橋梁處于拆除約束后的自由狀態(tài)時(shí),列車誘發(fā)振動(dòng)影響則會(huì)更加明顯,對橋梁穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。

針對列車誘發(fā)地面振動(dòng)對附近構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定性影響問題,技術(shù)工作者已經(jīng)開展了較為深入的研究,但大多數(shù)研究[1-6]均未涉及列車誘發(fā)振動(dòng)對在建橋梁安全性能的影響。高日[7]、高濤[8]、張磊[9]等通過對轉(zhuǎn)體橋梁球鉸附近的振動(dòng)響應(yīng)情況進(jìn)行監(jiān)測,并將實(shí)測數(shù)據(jù)借助有限元軟件進(jìn)行分析,開展了列車誘發(fā)振動(dòng)對在建轉(zhuǎn)體剛構(gòu)橋穩(wěn)定性影響的研究,但缺乏列車誘發(fā)振動(dòng)對大跨度鋼-混混合梁轉(zhuǎn)體橋梁施工影響的關(guān)注,本文在此結(jié)合工程實(shí)例開展試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 橋梁概況

邢臺(tái)市龍泉大街兩跨鋼-混混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋跨越京廣鐵路采用平轉(zhuǎn)法進(jìn)行施工,其主要施工步驟包括:轉(zhuǎn)體前施工準(zhǔn)備、轉(zhuǎn)體設(shè)備調(diào)試及試運(yùn)轉(zhuǎn)、現(xiàn)場清理、牽引設(shè)備安裝、試轉(zhuǎn)體、正式轉(zhuǎn)體、糾偏鎖定、封鉸等。

該轉(zhuǎn)體橋橋面寬31.5 m,轉(zhuǎn)體部分為2×55 m,上部結(jié)構(gòu)采用對稱形式,轉(zhuǎn)體橋墩一側(cè)17 m混凝土單箱四室箱梁,后接6.25 m有鋼隔室后承壓板鋼-混結(jié)合段、31.75 m單箱四室鋼箱梁,轉(zhuǎn)體完成之后進(jìn)行5 m合龍段的焊接。下部結(jié)構(gòu)為矩形墩與主梁墩梁固結(jié),橋墩下接轉(zhuǎn)體平臺(tái),轉(zhuǎn)體平臺(tái)支撐在承臺(tái)上,基礎(chǔ)采用16根?1.5 m鉆孔樁。轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)采用環(huán)道與中心支承相結(jié)合的球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)體系,球鉸球面半徑為1.35 m。該轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)動(dòng)角度為79.0°,轉(zhuǎn)體總重量為85 686 kN,圖1為1/2跨線橋縱立面布置。橋梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)施工時(shí)開挖基坑尺寸為19.16 m×19.16 m,開挖深度為7.0 m。

圖1 1/2跨線橋縱立面結(jié)構(gòu)

1.2 測點(diǎn)布置及試驗(yàn)方法

為準(zhǔn)確了解列車誘發(fā)地面振動(dòng)的衰減規(guī)律以及轉(zhuǎn)體橋梁的振動(dòng)響應(yīng)情況,在既有鐵路線東側(cè)布置兩排共10個(gè)地面振動(dòng)測點(diǎn),且每個(gè)測點(diǎn)處布置橫、豎向兩個(gè)振動(dòng)傳感器,具體測點(diǎn)布置如圖2所示。另外還需在主墩兩側(cè)懸臂梁端分別布置4個(gè)橫、豎向振幅與加速度傳感器,以便測試梁端振動(dòng)響應(yīng)情況。

圖2 列車誘發(fā)地面振動(dòng)測點(diǎn)布置(單位:m)

在測點(diǎn)處布置891-Ⅱ型拾振器并配套相關(guān)數(shù)據(jù)采集儀,完成地面振動(dòng)情況以及梁端振動(dòng)情況測試,現(xiàn)場測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場測試系統(tǒng)

2 地面振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了更加充分了解以既有鐵路線為線源激勵(lì)形式的振動(dòng)衰減規(guī)律,基于預(yù)先制定的列車誘發(fā)振動(dòng)現(xiàn)場試驗(yàn)方案,以0～100 Hz的采樣頻率開展了現(xiàn)場試驗(yàn),最終有效測試了30次,表1為測試過程中部分開行列車類型與速度的記錄,其中客車類型均為HXD3D0248+25T、貨車類型為SS4+C64。

表1 部分開行列車類型與速度

2.1 時(shí)域分析

2.1.1 加速度時(shí)程分析

在列車經(jīng)過測站前200 s時(shí)各測點(diǎn)開始進(jìn)行測試,而后選取1號鄰近鐵路線處測點(diǎn)與4號轉(zhuǎn)體球鉸處測點(diǎn),在第13工況(載貨列車交匯)時(shí)的典型加速度時(shí)程曲線進(jìn)行分析,圖4為列車經(jīng)過1號測點(diǎn)和4號測點(diǎn)處實(shí)測加速度時(shí)程曲線。

圖4 典型測點(diǎn)處實(shí)測加速度時(shí)程曲線

由圖4可知,1號鄰近鐵路線處測點(diǎn)橫、豎向加速度峰值分別為0.047 9 m·s-2、0.029 9 m·s-2,而4號轉(zhuǎn)體球鉸處測點(diǎn)橫、豎向加速度峰值均為0.003 7 m·s-2,由此可以看出典型測點(diǎn)處實(shí)測振動(dòng)加速度值均偏小,且隨著振源距離的增大4號轉(zhuǎn)體球鉸處測點(diǎn)橫、豎向加速度峰值較1號測點(diǎn)處橫、豎向加速度峰值有所減小,減小幅度分別達(dá)到了92.28%、87.63%。

2.1.2 振級分析

依據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測量方法》(GB 10071-1988),通常在實(shí)際工程研究中結(jié)構(gòu)振動(dòng)的大小用加速度振級表示,用各工況中加速度最大值來計(jì)算列車誘發(fā)地面振動(dòng)的加速度振級,具體計(jì)算公式如下:

G=20Lga+60

(1)

式中:G為振級(dB);a為加速度(cm·s-2)?；诂F(xiàn)場實(shí)測得到的加速度時(shí)程曲線,整理出加速度峰值,而后分別計(jì)算出各車型的加速度振級均值,部分結(jié)果見表2、圖5和圖6,其中客車通過平均速度為64.5 km/h,貨車通行平均速度為33.6 km/h。

表2 客車/貨車/會(huì)車加速度振級均值計(jì)算結(jié)果 dB

圖5 不同列車通過地面橫向加速度振級衰減變化

圖6 不同列車通過地面豎向加速度振級衰減變化

由圖5、圖6可知,從整體來看三種列車通過類型誘發(fā)地面振動(dòng)橫、豎向加速度振級衰減曲線變化趨勢基本一致,而列車會(huì)車時(shí)誘發(fā)地面振動(dòng)橫、豎向加速度振級均大于貨車、客車通行時(shí),客車以較高平均速度通過時(shí)誘發(fā)地面振動(dòng)加速度振級相對于會(huì)車和貨車通行時(shí)偏小,其中會(huì)車、貨車、客車三種列車通過球鉸處測點(diǎn)的橫向加速度振級分別為47.00、46.73、41.24 dB,豎向加速度振級分別為45.42、47.35、38.29 dB。另外相同振源距離條件下,不同類型列車在不同通行速度條件下誘發(fā)地面振動(dòng)的加速度振級偏差較小,橫向加速度振級最大差值僅為6.77 dB(第一排測點(diǎn)5),豎向加速度振級最大差值也僅為7.12 dB(第一排測點(diǎn)5),進(jìn)一步說明不同類型列車在不同通行速度條件下誘發(fā)地面振動(dòng)的情況基本相似。

從圖5(a)中可以發(fā)現(xiàn)不同類型列車在不同通行速度條件下,振動(dòng)加速度整體表現(xiàn)為隨著振源距離的增大而減小的趨勢,但是因?yàn)榛娱_挖與支護(hù)造成了地面振動(dòng)傳遞路徑及傳遞介質(zhì)發(fā)生改變,在第一排距離振源25 m(基坑邊緣附近)測點(diǎn)處橫向加速度振源出現(xiàn)放大現(xiàn)象,放大量接近4 dB;而從圖5(b)、6(b)中可以看出在第二排測點(diǎn)(沒有基坑開挖)處,橫、豎向加速度振級僅靠近振源處減小幅度較大,表明地面振動(dòng)并不是隨著振源距離的增大而成比例衰減。

2.2 頻域分析

為了研究列車誘發(fā)地面振動(dòng)響應(yīng)的頻率特性,將第13工況列車會(huì)車時(shí)各測點(diǎn)記錄的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行傅里葉變換(FFT),獲得列車會(huì)車時(shí)誘發(fā)地面振動(dòng)的單峰幅值頻譜,如圖7所示。

圖7 列車會(huì)車時(shí)誘發(fā)地面振動(dòng)的單峰幅值頻譜

由圖7可知,隨著振源距離的增加各測點(diǎn)橫向振動(dòng)加速度頻譜曲線波形有所差異,而豎向振動(dòng)加速度頻譜曲線波形基本一致。二者頻響范圍基本一致,均集中在5～25 Hz,其中1～5號測點(diǎn)橫向振動(dòng)頻譜峰值處頻率依次為9.18、15.53、15.53、8.98和12.99 Hz,而1～5號測點(diǎn)豎向振動(dòng)頻譜峰值處頻率均為9.08 Hz,說明基坑開挖對橫向振動(dòng)傳遞影響較大。

3 地面振動(dòng)對轉(zhuǎn)體橋梁的影響

橋梁正式轉(zhuǎn)體通常選擇在既有鐵路線天窗點(diǎn)進(jìn)行,而在橋梁試轉(zhuǎn)階段與解除臨時(shí)錨固體系后獨(dú)立站立階段并不會(huì)中斷列車通行。測試列車通過時(shí)懸臂梁端的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線,以便于更加準(zhǔn)確地了解列車誘發(fā)振動(dòng)對鋼-混混合梁轉(zhuǎn)體橋梁穩(wěn)定性影響的規(guī)律。

3.1 試轉(zhuǎn)階段

通過現(xiàn)場記錄可以發(fā)現(xiàn),在橋梁試轉(zhuǎn)階段僅有時(shí)速分別為60、52、40 km/h的客車通行。圖8為試轉(zhuǎn)階段不同列車通行時(shí)梁端實(shí)測振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線,表3為試轉(zhuǎn)階段不同列車通行時(shí)梁端實(shí)測振動(dòng)響應(yīng)最大范圍。

表3 試轉(zhuǎn)階段不同列車通行時(shí)梁端實(shí)測振動(dòng)響應(yīng)范圍

圖8 試轉(zhuǎn)階段不同列車通行時(shí)梁端實(shí)測振動(dòng)響應(yīng)

由圖8、表3可知,客車以三種速度通過時(shí)南北兩側(cè)梁端橫、豎向加速度和橫、豎向振動(dòng)位移均有較大幅度增大,且列車速度越大梁端振動(dòng)加速度越大,其中最大橫向振幅為2.184 5 mm,最大豎向振幅為0.187 7 mm;最大橫向加速度為0.024 2 m·s-2,最大豎向加速度為0.053 2 m·s-2。加速度值均偏小,但是最大橫向振幅偏大,表明在試轉(zhuǎn)階段列車誘發(fā)振動(dòng)對橋梁結(jié)構(gòu)安全具有一定的影響。另外,在列車通過時(shí)南北兩側(cè)梁端豎向加速度范圍均大于橫向加速度范圍,說明基坑開挖可能影響橫向振動(dòng)傳遞,與前文列車誘發(fā)地面振動(dòng)的頻域分析結(jié)果一致。

3.2 獨(dú)立站立階段

橋梁試轉(zhuǎn)完成后到正式轉(zhuǎn)體前一直處于獨(dú)立站立階段,選取4個(gè)典型工況進(jìn)行分析,分別是客車(35 km/h)與貨車(50 km/h)會(huì)車時(shí)、貨車最高速度(50 km/h)上行時(shí)、貨車(32 km/h)與貨車(35 km/h)會(huì)車時(shí)以及客車最高速度(90 km/h)上行時(shí)。圖9為典型列車通行工況條件下懸臂梁端振動(dòng)加速度、振幅峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖9 典型列車通行條件下懸臂梁端振動(dòng)響應(yīng)峰值

由圖9可知,列車不同通行條件下梁端振動(dòng)響應(yīng)不同,主要表現(xiàn)在隨著行車類型的不同梁端振動(dòng)加速度在列車會(huì)車時(shí)比列車單獨(dú)上行時(shí)偏大,貨車以小于客車速度上行時(shí)比客車上行時(shí)梁端加速度偏大,而梁端振幅變化規(guī)律性較弱;隨著行車類型的不同梁端橫、豎向振動(dòng)加速度最大值分別為0.024 6、0.055 9 m·s-2,橫、豎向振幅最大值分別為0.025 9、0.303 8 mm,加速度與振幅均偏小,表明在獨(dú)立站立階段列車誘發(fā)振動(dòng)對橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響在可控范圍內(nèi);梁端橫向加速度與振幅均小于豎向加速度與振幅,進(jìn)一步說明基坑開挖可能減弱橫向振動(dòng)傳遞。

3.3 試轉(zhuǎn)階段與獨(dú)立站立階段對比

表4為試轉(zhuǎn)階段與獨(dú)立站立階段梁端振動(dòng)響應(yīng)最大值對比分析。

表4 試轉(zhuǎn)階段與獨(dú)立站立階段梁端振動(dòng)響應(yīng)對比

從表4中可知,橋梁轉(zhuǎn)體試轉(zhuǎn)階段梁端橫向加速度、豎向加速度、橫向振幅均大于獨(dú)立站立階段,且橫向振幅達(dá)到2.184 5 mm,相比較獨(dú)立站立階段增長了84倍,表明在列車誘發(fā)地面振動(dòng)與牽引系統(tǒng)雙重動(dòng)力作用下橋梁安全受到影響偏大。因此為了確保橋梁轉(zhuǎn)體施工的安全與穩(wěn)定性,應(yīng)選擇在既有鐵路線天窗點(diǎn)進(jìn)行正式轉(zhuǎn)體。

4 結(jié)論

(1)隨著振源距離的增大列車誘發(fā)地面振動(dòng)整體衰減明顯,但由于基坑開挖造成地面振動(dòng)傳遞路徑及傳遞介質(zhì)發(fā)生了改變,在距離振源25 m第一排測點(diǎn)處(基坑開挖邊緣附近)橫向加速度振級放大了約4 dB。

(2)不同類型列車通行時(shí)實(shí)測地面加速度振級衰減曲線變化基本一致,且誘發(fā)地面振動(dòng)響應(yīng)均表現(xiàn)為:會(huì)車>貨車>客車。

(3)隨著列車運(yùn)行速度以及列車通行情況的不同,梁端振動(dòng)響應(yīng)差異較明顯,其中在試轉(zhuǎn)階段上行客車以60 km/h行駛的動(dòng)載作用下梁端橫向振幅達(dá)到了2.18 mm,但在其他類型列車通行條件下列車誘發(fā)振動(dòng)對橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響均在可控范圍內(nèi)。

(4)通過橋梁試轉(zhuǎn)階段與獨(dú)立站立階段實(shí)測梁端動(dòng)力響應(yīng)對比分析可知,試轉(zhuǎn)階段動(dòng)力響應(yīng)大于獨(dú)立站立階段,且試轉(zhuǎn)階段梁端橫向振幅較大,因此在正式轉(zhuǎn)體階段不中斷列車通行仍需進(jìn)一步研究。