重载运输条件下桥梁横向振动控制措施

董延东

（朔黄铁路发展有限责任公司 原平分公司，山西 原平 034100）

重载运输条件下桥梁横向振动控制措施

董延东

（朔黄铁路发展有限责任公司 原平分公司，山西 原平 034100）

随着我国重载运输的持续发展，列车编组增加、车辆轴重增大、运营密度增大，现役部分桥梁出现不同程度横向振动超限现象，对行车安全造成一定影响。以朔黄铁路4种典型墩梁体系为研究对象，对墩梁体系横向振动控制技术进行研究。结果表明：桥墩横向刚度对桥跨结构横向振动影响较大，对墩梁同时进行加固在控制桥跨结构横向振幅、提高桥梁整体横向刚度方面效果明显。

重载运输；桥梁；墩梁体系；横向振动；加固技术

0 引言

重载运输与常规的铁路运输相比较，主要特点是列车编组逐渐增加、轴重增大、运营密度逐渐增大[1-3]，随之而来的则是对桥梁冲击作用的加大，致使桥梁结构横向振动加剧，甚至对重载运输的行车安全产生威胁。

通过对朔黄铁路桥梁日常巡查，发现部分桥跨结构出现横向振幅过大的现象。将结构型式占总数量85%以上的梁体、桥墩及基础类型进行分类，按3种主要梁型和4种墩型组合为4种典型墩梁体系：（1）32 m T梁＋单线单圆柱式高墩（组合体系1）；（2）32 m T梁＋单线单圆柱式桥墩（组合体系2）；（3）24 m T梁＋单线矩形板式桥墩（组合体系3）；（4）16 m T梁＋单线单圆柱式低墩（组合体系4）。利用有限元分析软件ANSYS建立加固前后墩梁体系的车-桥耦合振动模型，对加固方法及加固前后桥梁体系的振动特性进行仿真分析，并选取典型桥梁进行运营性能试验，对桥梁结构加固前后振动特性进行测试，对加固技术进行评价，为今后重载铁路桥梁横向振动控制提供技术支持。

1 墩梁体系横向振动分析

为了对中小跨度分片式混凝土T梁墩梁体系进行模拟，首先需建立桥梁的动力计算模型。根据结构的实际受力条件，在ANSYS分析软件中采用空间分析法进行结构建模和计算，重点模拟结构的刚度、质量和边界条件，与实际结构尽量吻合。在建立模型时发现，若只对T梁进行单独建模，计算得到的梁体横向和竖向自振频率较高；若按桥梁结构建立包括桥墩在内的全跨结构，对结构的横向和竖向自振频率进行分析，与仅考虑桥梁上部结构相比，则横向自振频率降低较多，竖向自振频率变化不大。这是由于墩梁体系的横向刚度低于梁体自身横向刚度，而桥墩的竖向抗压刚度明显大于桥墩的横向抗弯刚度。在只考虑桥墩作用的情况下，桥墩的纵向与横向自振频率相对较大，在同时考虑T梁对桥墩影响的情况下，由于T梁增加了桥墩顶部的质量，但对桥墩的刚度影响较小，故桥墩的纵向、横向自振频率降低较多。因此在对结构进行振动特性分析时，应建立整孔墩梁体系有限元计算模型。

1.1 有限元模型

单片T梁、两片梁之间的横隔板、端隔墙、桥墩、加固用的隔板采用块体元模拟；横向预应力钢筋采用索单元模拟；梁体二期恒载采用质量单元进行模拟。按简支梁设置约束条件，将梁体一端3个方向的平动自由度与墩顶节点耦合，另一端将横向和竖向2个自由度与墩顶耦合，但纵向自由度不耦合。桥墩底部采用固结方式。通过子空间迭代法计算桥梁加固前后的横向自振频率和振型等动力特性进行比较。

1.1.1 梁体横向加固

为确保梁体横向连接刚度，采用预应力板对横隔板进行加固[4-5]，具体加固示意见图1。

32 m梁具体加固措施为：梁端隔墙处上下各加1块钢筋混凝土板，板厚、宽分别为0.35 m、1.2 m。距离梁端3 m的位置加含4束横向预应力钢筋的水平板，板宽、厚分别为1.1 m、0.31 m；梁端第1道横隔板加宽0.38 m，并在上下变截面处各加1束横向预应力钢筋，中间横隔板梗肋处各加含4束预应力钢筋的水平板，板宽、厚分别为1.4 m、0.31 m。

24 m梁具体加固措施为：梁端隔墙处上下各加1块钢筋混凝土板，板厚、宽分别为0.35 m、1.2 m。距离梁端3 m的位置加含4束横向预应力钢筋的水平板，板宽、厚分别为1.1 m、0.31 m；梁端第1道横隔板加宽0.38 m，并在上下变截面处各加1束横向预应力钢筋，第2道横隔板梗肋处加含4束预应力钢筋的水平板，板宽、厚分别为1.4 m、0.31 m。中间横板梗肋处加含2束预应力钢筋的水平板，板宽、厚分别为0.8 m、0.31 m。

16 m梁具体加固措施为：每道横隔板在腹板上、下边缘处各加1束预应力钢筋，横隔板重新浇筑。

图1 T梁横向连接加固示意图

3种梁型加固过程中，横向预应力采用无粘结1860钢绞线，钢绞线最大公称直径为15.24 mm，加固用混凝土为C50。

1.1.2 桥墩加固

4种墩梁体系加固结构型式及加固方法统计见表1。为了分析墩梁之间横向刚度的相互影响，分析单独加固梁体、单独加固桥墩及墩梁体系加固时梁体及桥墩的横向刚度。

表1 4种墩梁体系加固结构形式及加固方法

1.2 计算结果

以墩梁体系为对象进行加固，4种桥型加固前后梁体横向线刚度、横向自振频率对比见表2。

由表2可知，当墩梁体系整体考虑时，同一种跨度T梁由于搁置在不同刚度的桥墩上，对T梁的横向自振频率影响较大。对于组合体系1，由于桥墩高、墩身横向自振频率低，故墩顶上的32 m T梁加固前墩梁体系横向自振频率、横向线刚度仅为1.22 Hz、284.31 kN/cm；对于组合体系2，由于桥墩矮、墩身横向自振频率较高，故该墩梁体系加固前横向自振频率、横向线刚度为2.15 Hz、638.65 kN/cm。因此，墩身的横向抗弯刚度对墩梁体系的横向自振频率和横向线刚度影响较大，为减小运营列车通过时桥跨结构横向振幅，除对梁体进行横向加固以提高梁体横向刚度外，对桥墩进行横向加固是十分必要和有效的。

表2 梁体横向线刚度、横向自振频率对比

加固后墩梁体系线刚度提高1.24～4.20倍，自振频率提高65%～241%，均满足规范限值要求，加固效果明显。

以墩梁体系为对象进行加固后，4种桥型加固前后桥墩横向线刚度及横向自振频率计算结果与规范对比见表3。

表3 桥墩横向线刚度、横向自振频率与《铁路桥梁检定规范》限值对比

由表3可知，当墩梁体系整体考虑时，加固后桥墩线刚度提高3.13～4.93倍，桥墩横向线刚度提高83.9%～174.0%，加固效果明显。

对梁体竖向刚度进行分析，加固前后梁体竖向自振频率计算统计见表4。

表4 加固前后梁体竖向自振频率计算统计

由表4可知，当墩梁体系整体考虑时，不同跨度双T梁在加固前后梁体自身的竖向自振频率变化较小。T梁加固措施仅对桥梁的横向刚度有显著效果，但对桥梁的竖向刚度无明显影响。

2 运营性能试验分析

桥梁的横向刚度特性可以由结构的横向振动特性关系来反映，《铁路桥梁检定规范》[6]中明确规定了桥梁跨中横向振幅通常值、安全限值、跨中横向加速度限值以及墩顶横向振幅通常值。以下统计分析4种桥型在C80型敞车编组重载列车通过桥梁结构时，桥跨跨中位置和桥墩墩顶的横向振幅最大值。组合体系1选取朔黄铁路恢河特大桥第23#—25#梁、22#—25#墩进行运营性能测试；组合体系2选取朔黄铁路芦沟特大桥第14#—15#孔梁、13#—15#墩进行运营性能测试；组合体系3选取朔黄铁路跨京广铁路特大桥第19#梁、18#—19#墩进行运营性能测试；组合体系4选取朔黄铁路小唐河大桥第3#梁、2#—3#墩进行运营性能测试。桥梁横向振幅实测值见表5。

由表5可知，4种桥型加固前梁体跨中横向振幅和墩顶横向振幅接近或超过规范限值，对行车安全造成一定影响；加固后桥梁横向刚度得到明显提高，跨中横向振幅和墩顶横向振幅明显降低，测试孔跨跨中横向振幅抑制比达到0.54～0.83，墩顶横向振幅抑制比达到0.36～0.65，测试孔跨跨中及墩顶横向振幅均小于规范限值，满足规范要求。测试数据表明加固后桥梁结构横向刚度提高较大，加固效果明显。4种桥型加固前后墩梁体系横向自振频率实测值见表6。

表5 桥梁横向振幅实测值

由表6可知，对梁体和桥墩进行加固后，4种桥型的墩梁体系横向自振频率实测值大幅提高，提高比例为32%～86%，加固效果明显。

表6 4种桥型加固前后墩梁体系横向自振频率实测值

3 结论

选取运营过程中出现横向振动过大的朔黄铁路4种典型墩梁体系作为研究对象，采用有限元分析与现场实测相结合的方法，对振动过大原因及加固措施进行研究分析，主要结论如下：

（1）墩身的横向抗弯刚度对墩上梁体的横向自振频率和横向线刚度影响较大，为减小运营列车通过时桥跨结构的横向振幅，除对梁体进行横向加固提高梁体横向刚度外，对桥墩进行横向加固也是十分必要和有效的。

（2）有限元分析结果表明，同时加固桥墩及梁体结构后，梁体横向线刚度提高1.24～4.20倍，加固前梁体横向自振频率均不满足《铁路桥梁检定规范》限值要求，加固后梁体横向自振频率提高65%～241%，均满足规范限值要求，加固效果明显。但加固前后不同跨度双T梁竖向自振频率变化较小，竖向刚度提高不明显。

（3）实测结果表明，4种桥型加固后桥梁横向刚度得到明显提高，跨中横向振幅和墩顶横向振幅明显降低，测试孔跨跨中横向振幅抑制比达到0.54～0.83，墩顶横向振幅抑制比达到0.36～0.65。加固后测试孔跨跨中及墩顶横向振幅均小于规范限值，满足规范要求，表明加固后桥梁结构横向刚度提高较大，加固效果明显。

[1] 钱立新. 世界铁路重载运输技术的最新进展[J]. 世界轨道交通，2007(12)：20-23.

[2] 龙卫国. 既有重载铁路桥梁提高轴重适应性研究[D].长沙：中南大学，2013.

[3] 张二田. 重载铁路小跨径梁运营性能研究[J]. 石家庄铁道大学学报，2013(2)：8-12.

[4] 李保龙. 重载运输条件下32 m预应力混凝土简支T梁加固方法研究[J]. 石家庄铁道大学学报，2016，29(2)：33-37.

[5] 中华人民共和国铁道部. 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.

[6] 张烨. 宜万铁路桥墩高陡岸坡稳定性分析及整治设计[J]. 中国铁路，2017(2)：67-70.

Measures to Contro l Lateral Vibration o f Bridge for Heavy Hau l Transport

DONG Yandong
（Yuanping Branch，Shuohuang Railway Development Co Ltd，Yuanping Shanxi 034100，China）

Along with the continuous development of heavy haul transport in China, train formation is enlarged,axle load is increased and operation interval is reduced, some bridges in service are suffering from excessive lateral vibration, which endangers operation safety. The author focuses on four typical pier-girder systems on Shuohuang Railway and researches technologies to control lateral vibration. The results show that lateral rigidity of pier have great influence to lateral vibration of bridge, and strengthening both pier and bridge has remarkable e ff ect on controlling lateral vibration and improving integral lateral rigidity.

heavy haul；bridge；pier-girder system；lateral vibration；strengthening technology

U445.7+2

A

1001-683X（2017）09-0104-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.104

董延东（1982—），男，工程师。E-mail：89675527@qq.com

责任编辑 李葳

2017-01-21