南京大胜关长江大桥主梁加速度响应的长期监测与分析

惠汝海 陈斌

（1.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100038；2.中铁大桥（南京）桥隧诊治有限公司，南京 210061）

铁路桥梁振动加速度过大不仅会影响桥梁的使用寿命和轨道结构的稳定性，也会影响运行列车的安全性和舒适性。关于桥梁振动加速度的限值，我国铁运函〔2004〕120 号《铁路桥梁检定规范》规定［1］，桥跨结构在荷载平面的横向振动加速度不应超过1.4 m/s2。参考国外对桥梁振动加速度的限值要求，我国TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》对桥面的最大竖向加速度做出规定［2］：有砟轨道不应超过3.5 m/s2，无砟轨道不应超过5.0 m/s2。

设定铁路桥梁振动响应限值的目的在于确保轨道线路（包括道床等）的长期稳定与列车运营安全（防止跳轨）。但该限值在大跨度铁路桥梁上如何应用尚无明确要求，主要有2 方面的原因。一是大跨度桥梁设计条件不一，结构形式多样，其中仅桥面宽度就可在十几米至几十米范围内变化，桥面振动加速度限值在桥面上对应的具体位置难以统一［3］。二是实际运营过程中，大跨度桥梁整体振动的加速度远小于该限值，而桥面的局部振动加速度又因受诸多干扰而难以准确测量。因此，在运营阶段，自动监测分析结构运营状态的桥梁健康监测系统正在被学术界和工程界广泛接受并应用［4］。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

南京大胜关长江大桥是京沪高速铁路、沪汉蓉铁路及南京地铁S3 号线（宁和线）的共用越江通道。主桥长1 615 m，采用2 联（84＋84）m 连续钢桁梁＋6 跨（108＋192＋336＋336＋192＋108）m 连续钢桁拱结构［5］。主跨336 m，钢桁拱矢高84 m，矢跨比1/4，拱顶处桁高12 m，拱脚处桁高53 m；边跨连续钢桁梁桁高16 m，节间长均为12 m。桥梁横立面布置见图1。

图1 桥梁横立面布置（单位：m）

桥梁结构横向由3片主桁组成，主桁中心距15 m，上游侧为两线沪汉蓉铁路，下游侧为两线京沪高速铁路，两边桁的外侧挑悬臂托架为地铁行车道。桥梁横截面布置见图2。2011 年1 月11 日，沪汉蓉铁路开通运营；同年6 月30 日，京沪高速铁路开通运营；南京地铁S3 号线（宁和线）暂未开通，桥面也未铺设钢轨。目前沪汉蓉铁路每天通行列车约44 对，过桥车速145～295 km/h，通常车速为205 km/h；京沪高速铁路约78 对，过桥车速165～300 km/h，通常车速为245 km/h。

图2 桥梁横截面布置（单位：m）

1.2 监测系统概况

南京大胜关大桥结构健康监测系统于2011 年6月建设完成并投入使用，对主桥重点结构部位实施长期在线监测。监测的主要内容有：桥址环境监测、钢结构动应力监测、动力响应监测、位移变形监测、特殊部位监测、行车监测［6］。部分监测测点布置见表1。

表1 部分监测点布置

2 主梁加速度分析

桥梁振动加速度测点布置见图3。其中竖向振动加速度测点分别位于主桥各跨跨中截面，即截面2，4，11，15，18，20；横向振动加速度测点分别位于主跨和次边跨跨中截面，即截面4，11，15，18。

图3 桥梁振动加速度监测测点截面布置（单位：m）

以北京侧主跨跨中（截面11）为代表测点，在列车过桥时进行主梁横桥向加速度和竖向加速度的监测，监测结果见图4。可知，列车过桥时主梁横桥向和竖向振动加速度响应明显，单一列车过桥时的加速度振动响应对称分布良好，起始到衰减过程明显，信噪比较高。限于篇幅，本文仅以北京侧主跨跨中横向振动加速度（JSD-11-04）为例对大胜关长江大桥振动加速度响应进行深入分析［7］。

图4 北京侧主跨跨中主梁横向及竖向加速度时程曲线

2.1 工况划分

根据车-线-桥耦合理论，列车过桥时桥梁结构的动力响应主要跟列车、线路、桥梁等3 方面因素有关［8］。为研究列车过桥时结构振动加速度响应变化规律，根据目前大桥运行情况，按照行驶线路、行驶方向和列车编组等3个因素，将每天列车过桥状况划分为9种工况。列车过桥工况划分及各工况单日过车频次见表2，其中工况1—8为单一列车过桥工况。

表2 列车过桥工况划分及各工况单日过车频次

2.2 峰值分析

以工况1 为例进行峰值分析。按20 Hz 低通滤波提取其加速度峰值，并进行概率密度统计，见图5。可知，单一列车过桥工况下，列车引起的加速度峰值集中在固定的变化区间，且服从正态分布。横向加速度峰值最大为0.030 m/s2，峰值概率密度最大对应加速度为0.016 m/s2，均远小于铁运函〔2004〕120 号规定的桥跨结构在荷载平面的横向振动加速度amax不应超过1.4 m/s2的规定［1，9-10］。

图5 单一列车过桥作用下（工况1）北京侧主跨跨中横向振动加速度（JSD-11-04）峰值分析

2.3 加速度峰值与车速相关性分析

铁运函〔2004〕120 号对横向振动加速度的限定适用于旅客列车行驶速度最高不超过200 km/h 的条件［1］，而实际运营时，京沪高速铁路和沪汉蓉铁路的通常过桥车速都超过了200 km/h。为评价高速行驶条件下桥梁和列车的运营安全性，选取京沪线的工况1 和沪汉蓉线的工况5，进行横向振动加速度峰值与列车车速的相关性分析，见图6。可知，加速度峰值与车速不存在线性相关性，而是密集分布在2～3 个通常运营车速区间范围内，且通常运营车速区间范围内的加速度峰值集中程度不高，离散性较大。

图6 单一列车过桥作用下北京侧主跨跨中横向振动加速度（JSD-11-04）峰值与车速相关性分析

2.4 加速度峰值与轴重相关性分析

为保证列车行车安全，大胜关长江大桥健康监测系统未能在轨道上安装传感器直接对列车轴重进行监测。为进一步分析加速度峰值密集分布在通常车速区间而离散性较大的原因，通过截面11处下横梁在不同工况作用下的局部应变大小来间接测量列车轴重，见图7。可知，不同工况下，同一测点应变时程峰值和峰值数量明显不同，可以间接反映列车轴重和轴数［11］。

图7 单一列车过桥作用下北京侧主跨跨中下游侧下横梁典型应变时程曲线

选取工况1 和工况5 作用下，横向振动加速度峰值与截面11 处下横梁的局部应变（列车轴重）进行相关性分析，见图8。其中，工况1 的车速区间为242～248 km/h，工况5为200～210 km/h。

图8 单一列车过桥作用下北京侧主跨跨中横向振动加速度（JSD-11-04）峰值与列车轴重相关性分析

采用线性相关性模型y=kx+b对二者进行线性拟合。其中，x为局部应变，y为横向振动加速度峰值，k为比例系数，b为截距。对工况 1，取k=0.000 3，b=-0.001，则工况 1 的拟合优度r=0.41；对工况 5，取k=0.000 3，b=-0.006，则工况 5 的拟合优度r=0.50。同一工况在保持车速相对不变的情况下，0.4＜r＜0.8，表明桥梁横向振动加速度峰值与列车轴重存在线性相关性，但并不显著。根据车-线-桥耦合理论，认为其主要原因与轨道的几何线形有关。由于轨道线形监测数据缺乏，有待进一步完善研究。

2.5 多列车交汇工况分析

若2 列及以上列车同时在桥上行驶，可任意组合成72 种组合。本文以北京侧主跨跨中下横梁进行典型分析。根据其局部应变响应的变化规律，将交汇工况分为动应变响应无叠加和动应变响应有叠加2 大类，见图9。可知，动应变响应无叠加的工况表示列车未在北京侧主跨跨中交汇，应变时程表现为多个独立的波峰，且各个波峰峰值相差不大；动应变响应有叠加的工况表示列车刚好在北京侧主跨跨中交汇，应变峰值约为单一列车过桥工况下应变峰值的2 倍。

图9 交汇工况下北京侧主跨跨中下游侧下横梁典型应变时程

动应变响应无叠加交汇工况下横向加速度峰值分析见图10。可知，动应变响应无叠加交汇工况下，横向加速度峰值变化规律与单一列车过桥工况类似，集中在固定的变化区间，且服从正态分布；与单一列车过桥工况相比，其横向加速度峰值略大，最大值为0.033 m/s2，峰值概率密度最大处对应的加速度为0.019 m/s2。

图10 动应变响应无叠加交汇工况下北京侧主跨跨中横向振动加速度（JSD-11-04）峰值分析

动应变响应有叠加交汇工况下横向加速度峰值分析见图11。可知，动应变响应有叠加交汇工况下，横向加速度峰值较为离散；相比单一列车过桥工况，其横向加速度峰值明显偏大，最大值为0.042 m/s2，约为单一列车过桥工况的1.4倍。加速度峰值概率密度呈现双峰特性，概率密度最大处对应的加速度为0.027 m/s2，约为单一列车过桥工况的1.6 倍。该交汇工况下，加速度峰值未呈现线性增加的现象，认为跟实际运营状态下2列及以上列车交汇时的激振频率很难完全同步有关。

图11 动应变响应有叠加交汇工况下北京侧主跨跨中横向振动加速度（JSD-11-04）峰值分析

综上，在目前的运行条件下，大胜关桥梁横向振动加速度峰值未发现线性增加或激增的现象，加速度响应正常，能保证列车的行车安全。

3 结论

本文以南京大胜关长江大桥北京侧主跨跨中横向振动加速度（JSD-11-04）为例，研究了列车过桥时的加速度峰值，分析了加速度峰值与列车车速、与轴重等的相关性。大胜关长江大桥其他加速度测点也有类似的结果。分析表明：

1）在单一列车过桥工况下，列车引起的加速度峰值集中在固定的变化区间，且服从正态分布。

2）列车过桥时，桥梁振动加速度峰值与车速不存在线性相关性。

3）车速相对不变的情况下，横向振动加速度峰值与列车轴重存在线性相关性。

4）动应变响应有叠加交汇工况下，加速度峰值约为单一列车工况的1.4倍。结合振动加速度峰值与列车轴重的线性相关性特点，可为修订既有健康监测系统预警阈值提供依据，使系统更便于指导桥梁管养和列车安全运营。

5）针对今后健康监测系统的设计或升级，可以利用加速度峰值间接评估列车过桥时结构的受力状态，减少结构局部应变测点的布置，节省投资。

6）桥梁健康监测数据的应用，可以进一步融合轨道监测数据进行深入分析，为桥区轨道的几何形位控制和轨道养护提供依据。