列车诱发振动对大跨度混合梁桥转体施工影响研究

陶永博, 张 冬, 雷正平, 黄 波, 徐 沛

(中交二公局铁路建设有限公司,陕西 西安 710076)

随着我国基础设施建设的快速发展,跨线桥梁施工显著增多。由于具有适应能力强、速度快以及对既有线交通影响小等优点,水平转体法已经成为跨既有铁路线施工的首选方案。而对于临近铁路线施工的转体桥梁而言,列车通过时诱发的环境振动不可避免会引起桥梁产生振动响应,尤其是当转体桥梁处于拆除约束后的自由状态时,列车诱发振动影响则会更加明显,对桥梁稳定性构成威胁。

针对列车诱发地面振动对附近构筑物结构的安全与稳定性影响问题,技术工作者已经开展了较为深入的研究,但大多数研究[1-6]均未涉及列车诱发振动对在建桥梁安全性能的影响。高日[7]、高涛[8]、张磊[9]等通过对转体桥梁球铰附近的振动响应情况进行监测,并将实测数据借助有限元软件进行分析,开展了列车诱发振动对在建转体刚构桥稳定性影响的研究,但缺乏列车诱发振动对大跨度钢-混混合梁转体桥梁施工影响的关注,本文在此结合工程实例开展试验研究。

1 试验概况

1.1 桥梁概况

邢台市龙泉大街两跨钢-混混合梁连续刚构桥跨越京广铁路采用平转法进行施工,其主要施工步骤包括:转体前施工准备、转体设备调试及试运转、现场清理、牵引设备安装、试转体、正式转体、纠偏锁定、封铰等。

该转体桥桥面宽31.5 m,转体部分为2×55 m,上部结构采用对称形式,转体桥墩一侧17 m混凝土单箱四室箱梁,后接6.25 m有钢隔室后承压板钢-混结合段、31.75 m单箱四室钢箱梁,转体完成之后进行5 m合龙段的焊接。下部结构为矩形墩与主梁墩梁固结,桥墩下接转体平台,转体平台支撑在承台上,基础采用16根∅1.5 m钻孔桩。转盘结构采用环道与中心支承相结合的球铰转动体系,球铰球面半径为1.35 m。该转体桥转动角度为79.0°,转体总重量为85 686 kN,图1为1/2跨线桥纵立面布置。桥梁转体结构系统施工时开挖基坑尺寸为19.16 m×19.16 m,开挖深度为7.0 m。

图1 1/2跨线桥纵立面结构

1.2 测点布置及试验方法

为准确了解列车诱发地面振动的衰减规律以及转体桥梁的振动响应情况,在既有铁路线东侧布置两排共10个地面振动测点,且每个测点处布置横、竖向两个振动传感器,具体测点布置如图2所示。另外还需在主墩两侧悬臂梁端分别布置4个横、竖向振幅与加速度传感器,以便测试梁端振动响应情况。

图2 列车诱发地面振动测点布置(单位:m)

在测点处布置891-Ⅱ型拾振器并配套相关数据采集仪,完成地面振动情况以及梁端振动情况测试,现场测试系统如图3所示。

图3 现场测试系统

2 地面振动试验结果及分析

为了更加充分了解以既有铁路线为线源激励形式的振动衰减规律,基于预先制定的列车诱发振动现场试验方案,以0～100 Hz的采样频率开展了现场试验,最终有效测试了30次,表1为测试过程中部分开行列车类型与速度的记录,其中客车类型均为HXD3D0248+25T、货车类型为SS4+C64。

表1 部分开行列车类型与速度

2.1 时域分析

2.1.1 加速度时程分析

在列车经过测站前200 s时各测点开始进行测试,而后选取1号邻近铁路线处测点与4号转体球铰处测点,在第13工况(载货列车交汇)时的典型加速度时程曲线进行分析,图4为列车经过1号测点和4号测点处实测加速度时程曲线。

图4 典型测点处实测加速度时程曲线

由图4可知,1号邻近铁路线处测点横、竖向加速度峰值分别为0.047 9 m·s-2、0.029 9 m·s-2,而4号转体球铰处测点横、竖向加速度峰值均为0.003 7 m·s-2,由此可以看出典型测点处实测振动加速度值均偏小,且随着振源距离的增大4号转体球铰处测点横、竖向加速度峰值较1号测点处横、竖向加速度峰值有所减小,减小幅度分别达到了92.28%、87.63%。

2.1.2 振级分析

依据《城市区域环境振动测量方法》(GB 10071-1988),通常在实际工程研究中结构振动的大小用加速度振级表示,用各工况中加速度最大值来计算列车诱发地面振动的加速度振级,具体计算公式如下:

G=20Lga+60

(1)

式中:G为振级(dB);a为加速度(cm·s-2)。基于现场实测得到的加速度时程曲线,整理出加速度峰值,而后分别计算出各车型的加速度振级均值,部分结果见表2、图5和图6,其中客车通过平均速度为64.5 km/h,货车通行平均速度为33.6 km/h。

表2 客车/货车/会车加速度振级均值计算结果 dB

图5 不同列车通过地面横向加速度振级衰减变化

图6 不同列车通过地面竖向加速度振级衰减变化

由图5、图6可知,从整体来看三种列车通过类型诱发地面振动横、竖向加速度振级衰减曲线变化趋势基本一致,而列车会车时诱发地面振动横、竖向加速度振级均大于货车、客车通行时,客车以较高平均速度通过时诱发地面振动加速度振级相对于会车和货车通行时偏小,其中会车、货车、客车三种列车通过球铰处测点的横向加速度振级分别为47.00、46.73、41.24 dB,竖向加速度振级分别为45.42、47.35、38.29 dB。另外相同振源距离条件下,不同类型列车在不同通行速度条件下诱发地面振动的加速度振级偏差较小,横向加速度振级最大差值仅为6.77 dB(第一排测点5),竖向加速度振级最大差值也仅为7.12 dB(第一排测点5),进一步说明不同类型列车在不同通行速度条件下诱发地面振动的情况基本相似。

从图5(a)中可以发现不同类型列车在不同通行速度条件下,振动加速度整体表现为随着振源距离的增大而减小的趋势,但是因为基坑开挖与支护造成了地面振动传递路径及传递介质发生改变,在第一排距离振源25 m(基坑边缘附近)测点处横向加速度振源出现放大现象,放大量接近4 dB;而从图5(b)、6(b)中可以看出在第二排测点(没有基坑开挖)处,横、竖向加速度振级仅靠近振源处减小幅度较大,表明地面振动并不是随着振源距离的增大而成比例衰减。

2.2 频域分析

为了研究列车诱发地面振动响应的频率特性,将第13工况列车会车时各测点记录的加速度时程曲线进行傅里叶变换(FFT),获得列车会车时诱发地面振动的单峰幅值频谱,如图7所示。

图7 列车会车时诱发地面振动的单峰幅值频谱

由图7可知,随着振源距离的增加各测点横向振动加速度频谱曲线波形有所差异,而竖向振动加速度频谱曲线波形基本一致。二者频响范围基本一致,均集中在5～25 Hz,其中1～5号测点横向振动频谱峰值处频率依次为9.18、15.53、15.53、8.98和12.99 Hz,而1～5号测点竖向振动频谱峰值处频率均为9.08 Hz,说明基坑开挖对横向振动传递影响较大。

3 地面振动对转体桥梁的影响

桥梁正式转体通常选择在既有铁路线天窗点进行,而在桥梁试转阶段与解除临时锚固体系后独立站立阶段并不会中断列车通行。测试列车通过时悬臂梁端的振动响应时程曲线,以便于更加准确地了解列车诱发振动对钢-混混合梁转体桥梁稳定性影响的规律。

3.1 试转阶段

通过现场记录可以发现,在桥梁试转阶段仅有时速分别为60、52、40 km/h的客车通行。图8为试转阶段不同列车通行时梁端实测振动响应时程曲线,表3为试转阶段不同列车通行时梁端实测振动响应最大范围。

表3 试转阶段不同列车通行时梁端实测振动响应范围

图8 试转阶段不同列车通行时梁端实测振动响应

由图8、表3可知,客车以三种速度通过时南北两侧梁端横、竖向加速度和横、竖向振动位移均有较大幅度增大,且列车速度越大梁端振动加速度越大,其中最大横向振幅为2.184 5 mm,最大竖向振幅为0.187 7 mm;最大横向加速度为0.024 2 m·s-2,最大竖向加速度为0.053 2 m·s-2。加速度值均偏小,但是最大横向振幅偏大,表明在试转阶段列车诱发振动对桥梁结构安全具有一定的影响。另外,在列车通过时南北两侧梁端竖向加速度范围均大于横向加速度范围,说明基坑开挖可能影响横向振动传递,与前文列车诱发地面振动的频域分析结果一致。

3.2 独立站立阶段

桥梁试转完成后到正式转体前一直处于独立站立阶段,选取4个典型工况进行分析,分别是客车(35 km/h)与货车(50 km/h)会车时、货车最高速度(50 km/h)上行时、货车(32 km/h)与货车(35 km/h)会车时以及客车最高速度(90 km/h)上行时。图9为典型列车通行工况条件下悬臂梁端振动加速度、振幅峰值统计结果。

图9 典型列车通行条件下悬臂梁端振动响应峰值

由图9可知,列车不同通行条件下梁端振动响应不同,主要表现在随着行车类型的不同梁端振动加速度在列车会车时比列车单独上行时偏大,货车以小于客车速度上行时比客车上行时梁端加速度偏大,而梁端振幅变化规律性较弱;随着行车类型的不同梁端横、竖向振动加速度最大值分别为0.024 6、0.055 9 m·s-2,横、竖向振幅最大值分别为0.025 9、0.303 8 mm,加速度与振幅均偏小,表明在独立站立阶段列车诱发振动对桥梁结构安全的影响在可控范围内;梁端横向加速度与振幅均小于竖向加速度与振幅,进一步说明基坑开挖可能减弱横向振动传递。

3.3 试转阶段与独立站立阶段对比

表4为试转阶段与独立站立阶段梁端振动响应最大值对比分析。

表4 试转阶段与独立站立阶段梁端振动响应对比

从表4中可知,桥梁转体试转阶段梁端横向加速度、竖向加速度、横向振幅均大于独立站立阶段,且横向振幅达到2.184 5 mm,相比较独立站立阶段增长了84倍,表明在列车诱发地面振动与牵引系统双重动力作用下桥梁安全受到影响偏大。因此为了确保桥梁转体施工的安全与稳定性,应选择在既有铁路线天窗点进行正式转体。

4 结论

(1)随着振源距离的增大列车诱发地面振动整体衰减明显,但由于基坑开挖造成地面振动传递路径及传递介质发生了改变,在距离振源25 m第一排测点处(基坑开挖边缘附近)横向加速度振级放大了约4 dB。

(2)不同类型列车通行时实测地面加速度振级衰减曲线变化基本一致,且诱发地面振动响应均表现为:会车>货车>客车。

(3)随着列车运行速度以及列车通行情况的不同,梁端振动响应差异较明显,其中在试转阶段上行客车以60 km/h行驶的动载作用下梁端横向振幅达到了2.18 mm,但在其他类型列车通行条件下列车诱发振动对桥梁结构稳定性的影响均在可控范围内。

(4)通过桥梁试转阶段与独立站立阶段实测梁端动力响应对比分析可知,试转阶段动力响应大于独立站立阶段,且试转阶段梁端横向振幅较大,因此在正式转体阶段不中断列车通行仍需进一步研究。