高速铁路钢桁拱桥吊杆振动长期监测与分析

丁幼亮　 王　超　 王景全　王高新　 吴来义　 岳　青

(1东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)(2中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司, 南京 210032)



高速铁路钢桁拱桥吊杆振动长期监测与分析

丁幼亮1王超1王景全1王高新1吴来义2岳青2

(1东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)(2中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司, 南京 210032)

以大胜关长江大桥吊杆为研究对象,基于健康监测系统对高速列车通过时钢桁拱桥吊杆的振动速度进行长期监测,通过对振动速度积分的方法来获得大胜关大桥吊杆动位移幅值的长期变化规律.分析结果表明:吊杆横向动位移幅值显著大于纵向动位移幅值,并且两者都可以采用广义极值分布函数描述其概率统计特性;吊杆纵向动位移幅值与主梁横向动位移幅值存在明显的相关性;吊杆横向振动主要由高速列车局部风效应引起,并且横向动位移幅值与环境温度存在明显的相关性.因此,吊杆横向振动分析应考虑局部风场和温度的共同作用,吊杆纵向振动分析应考虑与主梁横向振动的耦合作用.

结构健康监测;钢桁拱桥;吊杆;动位移;相关性

京沪高铁南京大胜关长江大桥为京沪高速铁路和沪汉蓉铁路共用的跨江通道,是世界首座六线钢桁拱桥.大胜关大桥具有体量大、跨度大、荷载大、行车速度高等显著特点.为了保障其结构的服役安全,建立了结构健康监测系统,通过对实时采集数据的分析建立以健康监测系统为平台的大桥养护管理评价体系[1].

大胜关大桥的最长吊杆长度接近60 m,易发生风致涡激振动.为此,李龙安[2]研究了钢桁拱桥吊杆的风致涡激振动特性、判别方法以及风致振动影响因素.李荣庆等[3]采用刚度大、气动外形好的八边形截面箱形吊杆以及新型吊杆减振器,提高了钢桁拱桥长吊杆的抗风振性能.然而,上述研究侧重于自然风激励下的吊杆风振响应分析及其减振控制.实测表明,大胜关大桥列车荷载大、行车速度高,导致高速列车通过时长吊杆振动响应显著.Malm等[4]研究发现,列车过桥时吊杆截面应力不均匀分布较明显,吊杆约60%的变幅循环应力源自车桥振动,并且跨中吊杆的振动位移较大,振动疲劳问题更严重;Andersson等[5]认为由于吊杆的低阻尼特性,吊杆的振动位移较大,因而吊杆超过50%的累积振动疲劳破坏与其在列车作用下的振动有关;李元兵等[6-7]分析了车辆荷载下桥面振动对拱桥吊杆应力的影响,认为桥面振动是导致吊杆变幅循环应力的主要因素之一.因此,高速列车作用下的大胜关大桥吊杆的振动疲劳问题必须予以重视,利用健康监测系统对大胜关大桥长吊杆开展长期振动监测与分析具有重要意义.

基于健康监测系统对大胜关大桥主梁跨中长吊杆的纵向和横向振动速度进行了长期监测.本文详细考察了高速列车通过时吊杆动位移幅值的长期时变规律,包括吊杆动位移幅值的概率统计模型、吊杆动位移幅值与主梁动位移幅值的相关性以及吊杆动位移幅值与环境温度的相关性.研究结果为后续深入研究高速列车作用下钢桁拱桥吊杆的振动机理提供了重要的依据.

1　大胜关大桥吊杆的动位移监测

1.1吊杆动位移监测系统

大胜关大桥结构健康监测系统中在吊杆上安装了速度传感器,用以长期监测吊杆在高速列车通过时的振动响应.如图1所示,在主梁跨中1-1断面处的吊杆上各安装1个横向速度传感器(编号ZD-11-06)和纵向速度传感器(编号ZD-11-05).速度传感器位置距离桥面约2 m,其位置布置如图2所示.2个速度传感器的采样频率均为200 Hz.本文中横向均指横桥向,纵向均指顺桥向.

图1　大胜关大桥吊杆速度传感器布置断面图(单位:m)

图2　1-1断面处吊杆速度传感器布置图

采用振动速度积分获得动位移时程的方法来考察大胜关大桥吊杆动位移的长期变化规律.由于所采集的速度数据为离散数据,因此需要对其进行梯形数值积分[8],即

(1)

式中,T(f)为对振动速度数据积分所得的动位移值;t1和t2为某2个相邻振动速度数据所对应的时间(t1

1.2吊杆动位移监测结果

首先给出单次列车通过时吊杆纵向和横向动位移的典型监测结果,如图3所示.可看出,高速列车通过时吊杆纵向和横向动位移监测结果均呈现出明显的单峰曲线形式,在此基础上进一步得到吊杆动位移幅值.图3中纵向和横向动位移幅值分别为0.61和1.31 mm.因此,高速列车通过时钢桁拱桥吊杆的横向动位移幅值明显大于纵向动位移幅值.

(a) 纵向动位移

(b) 横向动位移

图4给出了2014年全年吊杆纵向和横向动位移幅值的长期监测结果.从图中可看出,纵向和横向

(a) 纵向动位移幅值

(b) 横向动位移幅值

动位移幅值的变化区间分别为[0.01,1.70] mm和[0.01, 15.32] mm,这表明高速列车通过时吊杆纵向和横向动位移幅值存在一定的变化.因此,详细考察长期列车荷载作用下吊杆动位移幅值的时变规律,对于揭示吊杆振动机理、准确评估吊杆疲劳性能具有重要意义.

2　吊杆动位移幅值的长期监测分析

2.1吊杆动位移幅值的概率统计分析

下面对2014年全年吊杆纵向和横向动位移幅值进行概率统计分析.本文选用如下广义极值分布函数来描述其概率密度统计特性[9]:

(2)

式中,T为吊杆动位移幅值；r, b, a分别为形状参数、位置参数和尺度参数.利用式(2)对吊杆纵向和横向动位移幅值的概率密度进行最小二乘拟合,即可确定参数取值.2014年吊杆纵向和横向动位移幅值的概率密度柱状图及其广义极值分布函数拟合曲线如图5所示,参数估计值如表1所示.

表1　广义极值分布函数的参数估计值

(b) 横向动位移幅值

由图5可见,采用广义极值分布函数可以较好地描述其概率密度统计特性.这表明,利用长期监测数据可对高速列车通过时吊杆的纵向和横向动位移幅值进行概率意义上的准确把握,并且这些数据为今后深入研究吊杆的随机振动分析方法以及从概率意义上准确把握吊杆的振动性能提供了重要基础.

2.2吊杆动位移幅值与主梁动位移幅值的相关性分析

为了研究高速列车通过时钢桁拱桥的主梁振动对吊杆振动的影响,图6分别给出了吊杆纵向和横向动位移幅值与主梁横向和竖向动位移幅值的相关性分析结果.其中,主梁动位移幅值根据相同断面(见图1中1-1断面)的主梁速度传感器监测结果进行计算.采用相关系数R表征吊杆动位移幅值与主梁动位移幅值的线性相关性,其表达式为

(3)

从图6中可看出:① 吊杆纵向动位移幅值与主梁横向动位移幅值的线性相关性较好,其相关系数为0.853 9,而吊杆纵向动位移幅值与主梁竖向动位移幅值的线性相关性较差,其相关系数仅为0.437 6.这表明,高速列车通过钢桁拱桥时引起的主梁横向振动将会激发吊杆纵向振动,吊杆纵向振动分析时必须考虑与主梁车致横向振动的耦合作用.② 吊杆横向动位移幅值与主梁横向和竖向动位移幅值的线性相关性均较差,其相关系数仅为0.108 4和0.090 5.根据以上规律,可推断吊杆横向振动主要由高速列车局部风效应引起.

2.3吊杆动位移幅值与温度的季节相关性分析

从图4可看出,2014年全年的吊杆横向动位移幅值呈现出两边大、中间小的趋势性变化特点,而吊杆纵向动位移幅值则在全年表现出平稳随机变化特点.为此,本节进一步考察温度的季节变化对吊杆动位移幅值的影响.由图4(b)可知,吊杆横向动位移幅值的观测时间序列可以看成一个由不同频率成分组成的数字信号序列,其中随着温度趋势变化的部分表现为低频率(长周期)的变化;受到列车随机荷载影响的随机部分,则表现为高频率(短周期)的颤动.为此,本文采用多样本平均方法研究吊杆动位移幅值与温度的季节相关性特征[10].温度取大胜关大桥拱顶的温度传感器监测

(a) 吊杆纵向和主梁横向动位移幅值相关性

(b) 吊杆纵向和主梁竖向动位移幅值相关性

(c) 吊杆横向和主梁横向动位移幅值相关性

(d) 吊杆横向和主梁竖向动位移幅值相关性

数据,在此基础上计算吊杆动位移幅值的日平均值以及结构的日平均值.京沪高铁运营时间大致为每天06:00—24:00,因此取该时段的吊杆动位移和温度数据进行日平均值计算.

图7给出了吊杆动位移幅值与温度的季节相关性分析结果.可看出,吊杆横向动位移幅值与温度之间呈现十分明显的季节相关性,其相关系数为0.879 8,并且表现为温度低动位移幅值大,温度高动位移幅值小的季节变化特征.而吊杆纵向动位移幅值与温度之间没有明显的相关性,其相关系数仅为0.239 7.这表明,吊杆横向振动与结构温度存在某种密切的相关性,如何在吊杆风致横向振动分析中考虑温度作用的影响是今后需要重点研究的内容.

(a) 纵向动位移幅值

(b) 横向动位移幅值

3　结论

1) 高速列车通过时钢桁拱桥吊杆的横向动位移幅值较大,而吊杆纵向动位移幅值相对较小.长期监测结果表明,采用广义极值分布函数可以较好地描述吊杆横向和纵向动位移幅值的概率密度统计特性.

2) 吊杆纵向动位移幅值与主梁横向动位移幅值存在明显的相关性,而与主梁竖向动位移幅值的相关性不明显.这表明高速列车通过时引起的主梁横向振动将会激发吊杆纵向振动,吊杆纵向振动分析中必须考虑与主梁横向振动的耦合作用.

3) 吊杆横向振动与主梁横向和竖向振动的相关性均不明显,这表明吊杆横向振动主要由高速列车局部风效应引起,并且横向动位移幅值与环境温度存在相关性,温度低时动位移幅值大,温度高时动位移幅值小.

References)

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Long-term monitoring and analysis of hanger vibration on high-speed railway steel truss arch bridge

Ding Youliang1Wang Chao1Wang Jingquan1Wang Gaoxin1Wu Laiyi2Yue Qing2

(1Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2China Railway Major Bridge (Nanjing) Bridge and Tunnel Inspect & Retrofit Co., Ltd., Nanjing 210032, China)

Taking Dashengguan Yangtze River Bridge as the research object, based on the structural health monitoring system, the vibration velocity responses of the hanger were long-termly monitored when the high-speed train passed. Then the long-term variation regularity of dynamic displacement was further obtained through the integration of vibration velocity responses. The analysis results indicate that the dynamic displacement amplitudes of the hanger in the transverse direction are much larger than those in the longitudinal direction, and their probability characteristics can be described by the generalized extreme value distribution function. There is a significant correlation between the dynamic longitudinal displacement amplitudes of the hanger and the transverse dynamic displacement amplitudes of the main girder. The transverse vibration of the hanger is mainly caused by the local wind effect of the high-speed train, and the transverse dynamic displacement amplitudes of the hanger and the ambient temperature have an obvious correlation. Accordingly, the local wind field and the temperature should be taken into consideration in the transverse vibration analysis of the hanger, and the coupling effects of the transverse vibration of the main girder should be considered in the longitudinal vibration analysis of the hanger.

structural health monitoring; steel truss arch bridge; hanger; dynamic displacement; correlation

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.029

2015-10-08.作者简介: 丁幼亮(1979—),男,博士,教授,博士生导师,civilding@163.com.

国家重点基础研究发展计划(973计划)青年科学家专题资助项目(2015CB060000)、国家自然科学基金资助项目(51578138)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2242016K41066).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.029.

TU318; U442

A

1001-0505(2016)04-0848-05

引用本文: 丁幼亮，王超，王景全,等.高速铁路钢桁拱桥吊杆振动长期监测与分析[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(4):848-852.