高速铁路常用跨简支箱梁运营性能检定

姚京川

(中国铁道科学研究院 北京铁科工程检测中心，北京　100081)

高速铁路是指新建设计开行250 km·h-1(含预留)及以上动车组列车，初期运营速度不小于200 km·h-1的客运专线铁路。我国高速铁路设计等级主要为250和350 km·h-1。

为保证线路的高可靠性和旅客乘坐舒适性，同时达到节约土地、保护环境等目的，我国高速铁路大量采用“以桥代路”形式，部分线路桥梁比重达80%以上[1]。我国250 km·h-1等级的高速铁路桥梁可分为2种类型：一种是兼顾货车的高速铁路，设计活载采用ZK活载和中—活载；另一种是客运专线铁路，设计活载采用ZK活载，采用有砟或无砟轨道。350 km·h-1等级的高速铁路桥梁设计活载采用ZK活载，一般为无砟轨道，采用有砟轨道的桥梁极少。

从桥梁型式看，预应力混凝土双线箱梁占大多数，除特殊设计的结构外，沿线主要采用标准跨径的简支箱梁桥，中国铁路总公司(原铁道部)组织编制了现浇预应力混凝土梁通用图，简支箱梁主要有跨度为19.5，23.5，31.5和39.1 m的预应力混凝土简支箱梁。其中，跨度31.5 m预应力混凝土双线简支箱梁作为主型梁被大量采用，以京沪高速铁路为例，其长度约占桥梁总长的88.4%。

《铁路技术管理规程(高速铁路部分)》规定：技术复杂及重要的桥梁检定，每10年不少于1次[2]。自2008年8月京津城际铁路开通以来，至今已8年，开展高速铁路桥梁检定迫在眉睫。现有《铁路桥梁检定规范》(铁运函〔2004〕120号)适用于客货共线铁路，旅客列车最高行车速度为160 km·h-1的既有桥梁检定；旅客列车最高行车速度在200 km·h-1时，可参照执行[3]。但缺乏针对高速铁路列车运行和桥梁结构特点的桥梁运营性能测试评定相关规定。

本文结合我国普速铁路桥梁检定工作的实践和高速铁路桥梁的特点，基于近年来我国高速铁路桥梁动力性能测试的数据和相关理论研究[4-5]，进行高速铁路常用跨度简支箱梁运营性能评定的研究。

1　运营性能检定任务

我国铁路部门于1978年颁布了《铁路桥梁检定规范》，随后基于检定工作实践总结和试验数据的分析，于2004年对规范进行了修订，给出了既有铁路桥梁检定应重点关注的对象，包括列车提速或超载需要确定运营性能的桥梁、出现损伤等的桥梁[3]。既有铁路桥梁运营性能检定为综合判断桥梁结构的运营状态和确定桥梁运用条件提供了重要手段。高速铁路桥梁运营性能检定的任务应结合具体的铁路运营需求，以综合判断桥梁结构的运营状态为目的，大致可以分为以下3类。

(1)抽样桥梁的周期性检定。如前所述，31.5 m预应力混凝土双线简支箱梁占高速铁路桥梁的比例较高，抽样选取一定数量的31.5 m预应力混凝土双线简支箱梁对其开展周期性检定，确定桥梁的实际工作状态，既可保障正常运营，也可积累桥梁运营状态的基础数据。

(2)动车组列车运营速度提高时桥梁(最高运营速度不超过设计速度)的检定。目前，我国设计时速250和350 km等级高速铁路在开通运营初期的最高运营速度分别为210和310 km·h-1。当动车组列车运营速度提高但未超过设计速度时，应根据桥梁结构缺陷、病害情况，并结合日常运营情况选取代表性桥梁进行运营性能检定，以确定桥梁满足运营要求。

(3)运营状态存在异常、出现重大缺陷、出现损伤等桥梁的检定。桥梁运营状态异常、出现重大缺陷或损伤，直接影响动车组列车运营安全，对于这些桥梁开展运营性能检定，为后续运营措施的制定提供依据。

2　运营性能评定参数

在列车高速运行条件下，高速铁路桥梁结构的动力响应加剧。列车在其上运行的稳定性和旅客乘坐的舒适度显得更为重要。高速铁路桥梁运营性能评定参数的选取可以借鉴设计规范，相应的竖向和横向评定参数应能确保桥上轨道结构的稳定性，进而保证列车过桥的行车稳定性和乘坐舒适性[6]。

2.1　桥梁竖向评定参数

研究表明，梁体自振频率过低将导致动车组高速通过时产生过大振动或共振，不仅影响桥上列车运行的稳定性和乘坐舒适性，还会对桥梁结构本身产生损伤；梁体竖向刚度(挠度和梁端转角)是影响桥上轨道结构稳定性和旅客乘坐舒适性的主要静力指标[4-7]。对于采用有砟轨道的简支箱梁，梁体竖向振动加速度过大会导致桥上道砟粉化，影响桥上道床的稳定性；对于采用无砟轨道的简支箱梁，梁体竖向振动加速度过大会影响桥上无砟轨道结构的稳定性。因此，高速铁路常用跨度简支箱梁的竖向评价参数应涵盖梁体的自振特性、竖向刚度(挠度和梁端转角)和竖向动力响应，其主要目的见表1。

表1　高速铁路常用跨度简支箱梁运营性能评定参数和目的

2.2　桥梁横向评定参数

高速铁路常用跨度简支箱梁的横向刚度和抗扭刚度明显大于普速铁路常用的简支T型梁，以往的研究表明，梁体的横向和扭转限值并不控制桥梁结构的设计[4-12]，但梁体水平位移过大，会产生明显的轨道方向不平顺，进而影响车辆运行的稳定性和乘坐舒适性。一般情况下，梁体横向位移的测试比较困难，通常采用测试梁体和桥墩横向振动的方法评定桥梁的横向状态。针对无砟轨道还要评定相邻梁端两侧的钢轨支点横向相对位移，其主要目的见表1。

3　运营性能评定通常值

《铁路桥梁检定规范》采用行车安全限值和通常值2种不同意义的指标评价铁路桥跨结构的运营性能[2]。通常值是桥梁在正常使用条件下，实测(或实测换算)挠度、梁端竖向转角、位移、振幅、振动加速度和动力系数的上限，自振频率的下限以及阻尼比的范围[7]。

本文基于高速铁路联调联试得到的桥梁动力性能实测样本，按可信度97.5%计算最大推断值，给出常用跨度双线简支箱梁运营性能参数评定的建议通常值。

3.1　梁体竖向自振特性

梁高和轨道结构类型对简支箱梁实测竖向自振频率的影响较大，因此，本文考虑桥梁的设计速度、梁高和轨道结构类型，对25条高速铁路总计80余孔常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁的实测竖向自振频率进行统计分析，将得到的推断下限值作为建议通常值，结果见表2。

在测试中，通常按照黏滞阻尼假定分析梁体的竖向阻尼比。对25条高速铁路总计80余孔常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁实测一阶竖向阻尼比进行统计分析，将得到的推断下限值和上限值范围作为建议通常值，结果见表3。

表2　常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁一阶竖向自振频率统计表

表3　常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁一阶竖向阻尼比统计表

3.2　梁体竖向挠跨比和梁端竖向转角

与梁体竖向自振频率类似，梁高和轨道结构类型对简支箱梁梁体的竖向挠跨比和梁端转角也影响较大，因此，梁体的竖向挠跨比和梁端竖向转角同样根据桥梁的设计速度、梁高和轨道结构类型进行分类统计分析。

对25条高速铁路总计50余孔常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁的实测竖向挠跨比和梁端竖向转角进行统计分析，得到的推断下限值及建议通常值见表4和表5。

3.3　动力响应

3.3.1竖向动力响应

1)运营动力系数

国内外的大量理论和试验研究表明[4]：高速铁路列车的竖向动力作用主要包括移动荷载的速度效应、轨道不平顺引起的列车附加外力。因此，相应桥梁的动力系数也由两部分组成，即由移动荷载速度效应产生的动力系数和轨道不平顺引起车辆附加外力产生的动力系数。Eurocode 1 EN 1991—2:2003《欧盟标准1：对结构的作用——第2部分：桥梁的交通载荷》给出了对应不同轨道维护标准的桥梁运营动力系数计算公式。由于我国高速铁路的活载图式采用UIC体系，并且我国高速铁路轨道维护标准要求相对较高，因此常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁动力系数通常值可参考采用欧盟标准中对应轨道精细维护条件下的运营动力系数，即

表4　常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁竖向挠跨比统计表(换算至ZK静活载)

表5　常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁梁端竖向转角统计表(换算至ZK静活载)

1+μ=1+μ′+0.5μ″

(1)

其中，

式中：μ为冲击系数；v为动车组列车运行速度，km·h-1；f0为实测简支箱梁一阶竖向自振频率，Hz；L为简支箱梁跨度，m。

简支箱梁动力系数可从动挠度、动应变实测波形的分析计算获得。从梁体控制截面竖向动挠度得到的动力系数为结构的整体动力系数；从梁体控制截面动应变得到的动力系数为该应变点所在部位的动力系数。图1给出了某高速铁路32 m简支箱梁跨中挠度动力系数与行车速度的关系。从图1可以看出，实测动力系数均小于运营动力系数。

2)梁体竖向振幅

图1　32 m简支箱梁动力系数与行车速度的关系

研究表明，桥梁跨中竖向振幅受列车速度、轴重、线路状况等影响[5]。考虑轨道结构类型和线路设计速度，对250和350 km·h-1高速铁路常用跨度桥梁简支箱梁在不同轴重列车作用下的测试结果最大值进行统计分析，得到的动车组列车单线运行时简支箱梁跨中竖向振幅的建议通常值见表6。

3)梁体竖向振动加速度

与梁体跨中竖向振幅类似，对竖向振动加速度实测最大值进行统计分析，得到的动车组列车单线运行时简支箱梁跨中竖向振动加速度的建议通常值见表7。

表6　常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁梁体跨中竖向振幅统计表

注：由于我国高速铁路存在线路设计速度与桥梁设计速度不同的现象，故动力响应按线路设计速度进行统计。

表7　常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁梁体跨中竖向振动加速度统计表

3.3.2横向动力响应

动车组列车作用下桥梁的横向动力响应既含有桥墩的横向振动又包含了梁体的横向弯曲振动，桥梁的横向振动特性与桥墩和梁体的横向刚度或自振频率直接相关。我国高速铁路大部分采用常用跨度箱梁，其横向刚度很大，但当梁体与一些桥墩组成梁墩耦合体系后，墩梁一体的横向自振频率小于梁体横向自振频率，墩的刚度影响整个桥梁体系的振动特性。实测动车组列车以200～360 km·h-1速度通过时的横向卓越强振频率约为1.5～5.3 Hz，可能会与部分高墩桥梁的墩梁一体横向自振频率接近，导致梁体横向振幅和墩顶横向振幅出现峰值，对于这种情况，一般将通常值适当放大。

1)梁体横向振幅

由于我国高速铁路常用跨度桥梁的横向刚度和抗扭刚度很大，实测梁体横向振幅均较小，且实测横向振幅存在一定的离散性，通过对梁体跨中横向振幅的统计，得到动车组列车单线运行时简支箱梁跨中横向振幅的建议通常值见表8。

表8　常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁梁体跨中横向振幅统计表

注：当横向强振频率与墩梁一体横向自振频率接近时，梁体跨中横向振幅最大值不宜大于通常值的2倍。

2)桥墩横向振幅

我国高速铁路桥墩设计多采用圆端型实体墩，部分采用双柱式、矩形、圆形墩。桥墩墩顶横向振幅的影响因素主要包括墩高和墩身横向宽度。墩高越高，振幅越大；墩身横向宽度越大，振幅越小。因此考虑墩全高与墩身横向宽度的影响，对墩顶横向振幅进行统计，得到的动车组列车单线运行时桥墩墩顶横向振幅通常值见表9。

3)无砟轨道相邻梁端两侧的钢轨支点横向相对位移

对350 km·h-1高速铁路无砟轨道桥梁相邻梁端或桥台与梁端两侧钢轨支点横向相对动位移在动车组列车单线运行时的实测结果进行统计分析，得到的建议通常值见表10。

表9　桥墩墩顶横向振幅通常值

注：1.Hp为墩全高(自扩大基础基底或桩基础承台底至墩顶)，

m；B为墩身横向平均宽度，m；

2.当横向强振频率与墩梁一体横向自振频率接近时，墩顶横

向振幅最大值不宜大于通常值的2倍。

表10无砟轨道相邻梁端两侧钢轨支点横向相对位移统计表

线路设计速度/(km·h-1)轨道结构类型无砟轨道相邻梁端两侧钢轨支点横向相对位移平均值/mm方差/mm2推断上限值/mm建议通常值/mm350无砟轨道0230013045050

4　运营性能参数测试方法

4.1　梁体竖向自振特性

桥梁自振特性测试一般可采用环境微振动法(脉动法)、余振法、强迫振动法等。环境微振动法测试中不需要外部激励设备，余振法可以利用试验列车作为外部激励设备，强迫振动法通常需要较为庞大的激振设备，运输和安装不方便。因此，对于高速铁路简支箱梁，自振特性宜采用环境微振动法(脉动法)或余振法测试。测试时，振动传感器应布置在梁体跨中横截面中心处箱梁顶板的顶面。为提高频率分辨率，环境微振动法(脉动法)的采样频率建议取(4～6)fmax(fmax为关注信号频率的上限)，采样时间不宜少于30 min，困难情况下不宜少于15 min。余振法采样频率建议取(6～8)fmax。梁体竖向自振频率和竖向阻尼比可采用频谱分析法或余振波形分析法得到。测试结果宜取多次测试、不同分析方法所得的均值。

4.2　梁体竖向挠跨比和梁端竖向转角

简支箱梁竖向挠度测试可根据现场的实际情况选用位移计法或倾角仪法。

位移计法属于接触式测量方法，适用于测试各种梁型的梁体竖向静态(准静态)挠度、动挠度，测试桥梁高度不宜大于20 m，对跨线桥、跨越峡谷和江河等的桥梁无法测量。

采用倾角仪法测量梁体竖向挠度时不需要静止的参考点，可适应不同地理条件的桥梁，但倾角仪的现场安装与调试较繁琐。

采用位移计法时，挠度测点应布置在梁体跨中截面；采用倾角仪法时，可沿简支箱梁顺桥向等间距布置5个倾角仪[13]。

梁端竖向转角可采用倾角仪直接测量，也可通过梁体竖向挠度换算得到。采用简支箱梁梁体跨中竖向挠度换算得到梁端竖向转角时，其梁端竖向转角θ与竖向挠跨比的关系为

(2)

式中：δ为跨中竖向挠度，mm。

4.3　动力响应

4.3.1动力系数

梁体挠度动力系数测试通常采用位移计法测试，测试时，应在梁体跨中截面布置位移计。梁体应变动力系数测试通常采用应变片测试，测试时，应在梁体跨中布置应变片，并做好应变片的防水、防潮、防尘，值得注意的是，由于桥上50 Hz工频干扰较大，应变测试设备应正确可靠接地。动挠度、动应变测试时，采样频率不宜低于100 Hz。

4.3.2振幅和振动加速度

振幅和振动加速度通常采用振动传感器进行测量，被测试参数的频率范围是影响传感器选择的重要参数，图2给出了不同传感器的使用频率范围。

图2　各类传感器测量系统的使用频率范围

高速铁路常用桥梁振动测试中所关注的频率范围约为1～50 Hz，从图2可以看出，摆式速度传感器和压电式加速度传感器可用于桥梁振动测试。

桥梁结构的振幅测试可选用位移型或速度型传感器，加速度测试宜选用加速度型传感器。当没有专用传感器时，理论上可对间接物理量进行积分或微分得到所需参数，但需特别注意排除可能由此引起的误差。测试梁体竖向、横向振幅和竖向振动加速度时，应在梁体跨中横截面中心处箱梁顶板的顶面布置振动传感器测点。对于桥墩，宜在桥墩墩顶截面中心位置布置振动传感器测点，采样频率不宜低于300 Hz。

4.3.3无砟轨道桥梁相邻梁端或桥台与梁端两侧钢轨支点横向相对动位移

无砟轨道桥梁相邻梁端或桥台与梁端两侧钢轨支点横向相对动位移可采用位移计测试。测试时，动位移测点应布置在梁缝两侧钢轨支点处，采样频率不宜低于100 Hz。

5　结　语

本文基于近年来我国高速铁路桥梁动力性能测试数据和相关理论研究，对高速铁路常用跨度简支箱梁运营性能检定进行研究，确定高速铁路常用跨度简支箱梁运营性能检定的任务和简支箱梁运营性能评定的主要技术参数。考虑设计速度、跨度、梁高、轨道结构形式等因素给出了常用跨度简支箱梁梁体的竖向自振特性、竖向挠跨比和梁端竖向转角评定的建议通常值。结合线路设计速度，对常用跨度简支箱梁在动车组列车作用下的动力响应进行了统计分析，给出了常用跨度简支箱梁动力响应评定的建议通常值。针对检定参数的特点，分别给出了相应的建议测试方法。研究成果为专业人员开展高速铁路常用跨度简支箱梁运营性能检定工作提供了技术支撑。但我国高速铁路运营时间不长，这些建议通常值需要更多的实际运营验证，并适时作出修订，以便更好地指导高速铁路桥梁运营状态的维护。

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