既有铁路上承式钢桁梁动力性能对比研究

刘 楠,许建平,孙军平

(1.西安铁路局工务检测所,西安 710054;2.西安铁路局工务处,西安 710054)

既有铁路上承式钢桁梁动力性能对比研究

刘 楠1,许建平2,孙军平1

(1.西安铁路局工务检测所,西安 710054;2.西安铁路局工务处,西安 710054)

通过对西安铁路局管内2座采用相同图号的1-64m简支上承式钢桁梁的现场动力试验,分别从桥梁动力学、钢梁孔跨、墩梁耦合及有限元模拟计算等方面开展深入的研究,比较确定钢桁梁在不同工作环境下的横竖向刚度、自振频率、阻尼比、强振频率、纵横向位移、多阶振型和墩梁耦合工作等桥梁健康指标参数,谨为科学合理的整治桥梁病害提供客观真实的技术建议。

既有铁路;上承式钢梁;试验研究

上承式铁路钢桁梁的动力性能分析和加固改造一直以来都是事关既有铁路线提速改造的一项重点课题,上承式钢桁梁存在的诸如跨度大、活载重心高、杆件薄弱、主桁中心距小等特征,对车辆安全通过桥梁造成了一定影响,因而大大提高了提速列车安全过桥的风险。通过对2座采用相同图号的既有铁路钢桁梁的研究分析,对比它们在不同工况条件下的运营动力性能,以此为科学合理诊治该类桥梁病害提供技术参考依据。

1 桥梁概况

襄渝下行线K453+455后河4号特大桥位于襄渝下行线巴山—官渡区间,孔跨式样为12-31.7m(预应力钢筋混凝土梁)+5-64m(上承式钢桁梁),桥梁全长737.6m。桥上线路1号台～4号墩位于R=1 000m、L=140m的圆曲线和缓和曲线上,其余各墩均置于直线上。1号台～9号墩位于-11.5‰的纵坡上、9号墩～18号台位于-4‰的纵坡上。襄渝下行线K458+ 227后河7号大桥位于官渡—万源区间,孔跨样式为2-31.7m(钢筋混凝土梁)+1-64m(下承式钢桁梁)+ 1-31.7m(钢筋混凝土梁),桥梁全长168.6 m。全桥位于直线上,线路纵坡-11.5‰。钢桁梁设计图号为“焊12-1”,桥跨长度65.25m、计算跨度64m、主桁高8m、节间长8 m、主桁中心距5.75 m、纵梁中心距1.95m,钢杆件材质为16Mn。桥梁全景如图1所示。

图1 桥梁全景

2 试验分析

2.1 后河4号桥

后河4号桥自2002年4月至今共计经历4次试验检测,2002年4月的试验检定结论为该桥第16、17孔跨中横向振幅在其实测趟次中分别有3趟次、2趟次超《铁路桥梁检定规范》(工电字[1977]1279号)的参考限值[1],桁梁跨中实测最大横向水平振幅6.60mm,上、下弦跨中横向振幅不一致,跨中上、下游的垂直振幅差值较大。实测到第16孔钢梁自振频率为2.34 Hz,强振频率为2.25 Hz。2006年12月的试验检定结论为该桥第13孔梁共有2趟次超《铁路桥梁检定规范》(铁运函[2004]120号)(以下简称《检规》)安全限值[2],实测跨中最大横向振幅8.81 mm,上、下弦跨中横向振幅差值最大达14.22mm,且上、下弦横向振动时域波形相位基本相反,说明桁梁上、下弦平面存在扭振振型,实测到13号～16号墩技术状态良好,未见明显超限现象。2011年的2次试验因均在货物列车限速45 km/h条件下完成,故测试到的墩梁动力参数都满足规范要求。历次试验梁、墩参数对比见表1、表2。

表1 钢桁梁振动幅值、自振频率统计

表2 桥墩振动幅值、自振频率统计

根据以上的分析,初步判断认为:一是从自振频率来看,后河4号桥各孔1-64 m上承式钢桁梁的横向1阶自振频率约为1.562 Hz,各墩墩顶的自振频率多介于1.56～1.76 Hz,桁梁、桥墩两类结构的横向1阶自振频率较为接近,故判断墩梁组合结构在车辆活载作用下协同工作时产生拍振或共振的可能性大;二是从墩顶及桁梁跨中的振动幅值来看,当货物列车速度介于69 km/h≥v≥45 km/h时,经过数据统计可得,在同趟次列车通过条件下,实测到的墩顶幅值为跨中幅值的39.1%～54.1%,当速度v＜45 km/h时,该统计数据则为14.2%～45.4%。

2.2 后河7号桥

针对后河7号桥的试验检定结论为:实测该桥第3孔(上承式钢桁梁)跨中上弦杆上、下游侧最大横向振幅分别为4.13 mm和3.86 mm,均满足《检规》7.71mm的行车安全值要求;实测梁体横向1阶自振频率介于1.91 Hz(车辆余振法)～1.95 Hz(大地脉动法)之间,满足《检规》1.41 Hz的限值要求;实测梁体跨中纵梁最大横向振动加速度为0.88 m/s2,满足《检规》荷载平面横向振动加速度1.40m/s2的限值要求;实测梁体在活载作用下的竖向最大动力系数为货车1.247、客车 1.104,小于《检规》计算动力系数1.269的要求;实测梁体1/2截面处最大动挠度(均值)为43.95mm,梁体1/4截面处最大动挠度(均值)为18.82 mm,换算得到梁端转角介于2.04×10-5～2.39×10-5rad。检测得到各墩技术状态良好。

3 梁、墩构件分析

3.1 上承式钢桁梁

3.1.1 自振频率及振型

由于上承式钢桁梁构造的特殊性,在荷载平面内的振动是多重响应的叠加,其中包括桁梁的横向平动、桁梁上平面绕支座的转动和桁梁的扭转变形的耦合作用[3],由于振型构成复杂,这亦是该类桥型横向振动幅值难以控制,加固改造难度大的主因所在[4]。建立的钢桁梁有限元模型如图2所示,计算得到上承式钢桁梁的多阶振型和自振频率如表3所示。

图2 上承式钢桁梁模型

表3 钢桁梁自振频率计算值

3.1.2 迫振频率

迫振频率又称强振频率,现行《检规》规定,强振频率是机车和车辆对桥梁结构产生的强迫振动的频率,该频率的大小与桥梁跨度、活载质量、刚度、车辆过桥速度有关,一般出现在活载过桥时最大振幅的波形区段。利用3种方法(参数关系法、最大熵法及人工计算法)得到的梁桥的迫振频率见表4。

表4 实测不同孔跨钢桁梁迫振频率表征(横弯振型)

3.1.3 阻尼比

上承式钢桁梁的阻尼特性是通过车辆余振法测得,实测梁体1阶横向振动阻尼比为0.017,1阶竖向振动阻尼比为0.021,2项参数的实测值接近钢梁阻尼比经验值 0.02,小于欧洲规范钢梁阻尼比建议值0.05。

3.2 桥墩

3.2.1 计算刚度

2座桥涉及与钢桁梁的共同工作的有7个桥墩,竣工资料显示,墩身材料由不同级混凝土组成,其中后河7号桥的3号墩身主材为浆砌片石,根据结构材料构成及截面形式,计算得到各墩的墩顶抗弯刚度如表5所示。由表5中数据可知桥墩墩顶抗弯刚度与墩身高度成反比,与截面惯性矩及材料弹性模量成正比。

表5 桥墩刚度计算值

3.2.2 动力特征

对于既有铁路桥墩的振动特性而言,墩顶的振幅主要包括桥墩绕基础的转动、墩身横弯和基础的滑移3部分位移叠加而成[5]。表6列出了裸墩的2种计算值和桥跨结构墩体实测值,基于实测值中梁体的振动参与影响,所列频率值亦存在一定差异。

表6 各墩横向弯曲自振频率对比 H z

3.3 梁-墩耦合作用

3.3.1 后河4号桥

对于后河4号特大桥连续简支、大跨、高墩、上承钢梁的复杂运营工况,依次建立不同跨结构的有限元模型进行模拟,通过对不同孔跨下桥梁工作的自振特性分析,初步判断该桥横向振幅超限及时域波形产生共振的原因所在。不同工况的有限元模型见图3。

通过计算分析,由表7可知,对比后河4号桥在不同孔跨钢梁联合工作条件下的梁、墩自振特性,其差异性很大,横弯振型的表现形式也存在较大差异[6],随着钢梁孔跨的增多,在一定频率带宽范围内的横弯振型分布越显著,在1阶横弯条件下,5孔跨上承式钢桁梁联合工作时的自振频率仅为1.497 Hz。

图3 不同工况桥梁有限元模型

表7 不同孔跨钢梁横弯频率对比H z

3.3.2 后河7号桥

对于后河7号桥,采用类似方法进行有限元模拟,通过对不同结构工况条件下的研究分析,由表8可知,后河7号桥第3孔上承式钢桁梁的横弯振型表现为1、3阶模态,第2、4阶模态即表现为竖向弯曲,与后河4号桥的多孔钢梁工况相比较,单孔钢梁在一定频率带宽范围内的横弯振型分布不显著。后河7号桥模型如图4所示。

图4 后河7号桥有限元模型

表8 钢桁梁自振特性统计 H z

3.3.3 比较分析

根据现场实测数据并由表4可知:当车辆活载在限速条件下通过桥梁时,利用不同算法得到后河4号桥部分孔跨结构的强振频率分布范围介于1.57～1.94 Hz,实测其拍振频率范围介于1.86～1.94 Hz;当车辆活载在常速条件下通过桥梁时,利用不同算法得到后河4号桥部分孔跨结构的强振频率分布范围介于0.88～1.67 Hz,实测其拍振频率范围介于 2.81～2.86 Hz。故初步判断,当车辆活载通过5孔跨结构桥梁时,实测到的强振频率、拍振频率和自振频率值域范围接近,频带响应范围覆盖桥跨结构1阶～6阶振型。现场实测后河7号桥在车辆活载常速通过桥梁时,其强振频率分布范围介于1.53～2.42 Hz,该频带范围接近其结构的1阶横弯自振频率,且远离2阶及以上自振频率,虽存在与1阶振型共振的可能,当相比后河4号桥,其多阶振型参与车-桥共振现象表现不显著,这亦是具有相同图号钢桁梁在不同墩梁组合工况下表现出不同动力响应的原因之一[7]。

4 结论

(1)从襄渝下行线后河4号桥近10年间经历的4次试验检测来看,在常速通行的2次试验检测中,通过对该桥第12孔钢梁实测数值的分析计算得到,其跨中横向振幅超安全限值(对照《检规》)共计2趟次、超限概率为8%;超规范通常值共计14趟次、超限概率为56%。由此判断,在活载条件未发生显著变化的条件下,该桥其他孔跨钢梁在常速运行条件下的振幅超限概率亦在样本测试孔跨实测值左右分布。

(2)通过对车-桥动力响应分析得到,鉴于后河4号桥梁-墩结构的特殊性,车辆在变加速通过桥梁时会激励起带宽响应范围较大的激振频率,使得测试到的强振频率、拍振频率和自振频率等参数出现频带重合的概率加大,从而大大提升墩、梁联合结构各阶振型的参与质量和发生共振的概率。

(3)通过模拟计算后河4号桥不同孔跨形式的自振特性,当5孔梁共同工作时,在一定频率带宽范围内的横向弯曲振型较后河7号桥的一孔梁工况表现显著[8]。

(4)轨道工况也是影响车-桥耦合响应的一个重要因素[9],从实测桥跨结构荷载平面的横向振动加速度参数来看,虽未出现超规范限值要求,但从现场静态检查来看,明桥面轨道设备状态不良现象依存,这也是导致轮轨约束和横向激振不良的主因[10]。

[1] 铁工电字[1977]1279号,铁路桥梁检定规范[S].北京:人民铁道出版社,1978.

[2] 铁运函[2004]120号,铁路桥梁检定规范[S].北京:中国铁道出版社,2004.

[3] 柯在田,杨宜谦,等.九江长江大桥横向振动测试分析[J].铁道建筑,2008(7):1 -6.

[4] 孙颖,顾萍.既有铁路钢桁桥梁动力特征及横向刚度加固研究[J].石家庄铁道学院学报,2007(3):10 -13.

[5] 李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社,2003. [6] 曹雪琴.钢桁梁桥横向振动[M].北京:中国铁道出版社,1991.

[7] 董振升,杨宜谦,等.64 m下承式钢桁结合梁的动力试验研究[J].铁道建筑,2009(5):36 -40.

[8] 刘楠,孙军平.襄渝线后河4号桥检定评估报告[R].西安:西安铁路局工务检测所,2011.

[9] Ladislav Fryba.铁路桥梁动力学[M].北京:科学出版社,2007: 10 -13.

[10]任剑莹,李文平,苏木标.铁路双线连续钢桁梁桥竖向有载自振频率研究[J].铁道标准设计,2011(4):36 -37.

[11]刘汉夫,黎国清,等.轮轨润滑对40m半穿式钢桁梁横向拍振抑制效果的的试验研究[J].中国铁道科学,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

刘 楠(1982—),男,工程师,2004年毕业于西安科技大学,工程硕士,E-mail:qjdln@163.com。