大準鐵路32 m預應力混凝土梁橋橫向動力性能試驗研究

蘭曉峰，劉鵬輝，尹 京，董振升

(1.神華準格爾能源有限責任公司 大準鐵路公司工務段，內蒙古 010300;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

大(同)準(格爾)鐵路1997年全線建成通車，是一條煤炭專用線，正線全長264 km，線路等級為Ⅰ級單線電氣化鐵路，全線各類橋梁共計141座，其中梁式橋102座556孔。自開通運營以來，對大準鐵路不同跨度的橋梁進行過檢定，出現問題最多的是橫向振幅超限，尤其是32 m預應力混凝土梁式橋橫向振動過大。

本文對大準鐵路8座橋的21孔32 m預應力混凝土簡支梁(梁圖號專橋－2040、專橋2059，專橋2039)、60個橋墩(墩高從3.67～33.36 m，墩類型有圓形墩，圓端形墩，矩形墩，柔性墩)進行了橋梁橫向振動測試。測試車輛類型有 C62、C64、C70、C80、C80H、C80BH、K18AK 以及 C62、C64、C70的混編列車，車輛編組分5 000 t和萬噸列車，空、重車最高行車速度80 km/h，檢測主要以運營貨列為主。本文根據上述橫向振動測試數據，綜合分析32 m預應力混凝土梁的橫向動力性能。

我國鐵路橋梁檢測主要是按照2004年《鐵路橋梁檢定規范》(后面簡稱為《橋檢規》)來實施和評價的。《橋檢規》中指出鐵路橋梁運營性能檢驗有行車安全限值和通常值兩種判別值，行車安全限值是保證列車以規定的速度安全通過，橋梁結構必須滿足的限值，超過此值，應立即采取必要的措施。通常值是合格橋梁在正常運營中實測值的上限(撓度、振幅)、下限(頻率)。鐵路橋梁在運營過程中，如超過此值，應仔細檢查橋梁結構是否存在隱藏的病害，同時調查列車曾否產生異常激勵。

1 梁體橫向自振頻率

梁體橫向自振頻率可綜合反映梁跨結構橫向剛度的大小，通過環境微振動法測得的時域信號進行譜分析，得到橋梁的橫向自振頻率。實測大準線32 m預應力混凝土梁的橫向自振頻率在4.10～4.40 Hz之間。

2 梁體跨中橫向振動

圖1、圖2分別為貨列重車和貨列空車作用下32 m預應力混凝土梁體跨中橫向振幅與速度的關系。由于運營貨列速度低，范圍窄，車輛類型多，32 m預應力混凝土梁跨中橫向振幅離散性大，與速度的關系不明顯。從整體趨勢來看，貨列重車作用下梁體跨中橫向振幅大于貨列空車作用下橫向振幅(表1)，且與列車編組有關。對于大部分橋梁，運營貨列空車作用下，C62、C64或 C62+C64+C70明顯比 C80、K18AK 作用下梁體跨中橫向振幅大;C62+C64+C70重車、C80重車、K18AK重車作用下跨中橫向振幅相差不大，但比C80空車、K18AK空車作用下跨中橫向振幅大。貨列空車作用下32 m預應力混凝土梁的跨中橫向振幅均滿足《橋檢規》行車安全限值90/L=3.56 mm的要求;貨列重車作用下墩高在20 m以上的32 m預應力混凝土梁的跨中橫向振幅不滿足《橋檢規》行車安全限值3.56 mm的要求，其中下腦亥東溝大橋第3孔32 m預應力混凝土梁在C80重車速度34.6 km/h時跨中橫向振幅達到了6.54 mm，接近《橋檢規》行車安全限值的2倍。

圖1 貨列空車跨中橫向振幅與速度的關系

圖2 貨列重車跨中橫向振幅與速度的關系

表1 32 m梁實測跨中橫向振幅 mm

3 墩梁耦合振動分析

車輛—梁體—橋墩橫向振動是一種耦合的隨機振動，列車作用下橋梁的橫向動力響應包含橋墩和梁體的橫向彎曲振動。為分析橋墩和梁體彎曲振動的耦合特性，將下腦亥東溝大橋第4孔32 m預應力混凝土梁跨中橫向振動波形與扣除兩端橋墩的橫向振動進行聯合分析如圖3所示，兩端橋墩橫向振動在梁體跨中橫向振動中占有較大比例。圖4為貨列重車作用下扣除兩端橋墩橫向振幅后32 m預應力混凝土梁跨中橫向振幅與速度的關系，從圖4中可以看出，下腦亥東溝大橋扣除兩端橋墩橫向振幅后的跨中橫向振幅最大值僅為1.86 mm，滿足《橋檢規》行車安全限值3.56 mm的要求。

圖3 梁體跨中橫向振幅與扣除兩端橋墩橫向振幅

圖4 貨列重車作用下扣除兩端橋墩后的跨中橫向振幅與速度的關系

為分析橋墩和梁體彎曲振動的耦合特性，將大準鐵路32 m預應力混凝土梁跨中橫向振幅較大的3孔梁跨中橫向振幅最大值及出現最大值時對應的兩邊橋墩橫向振幅、扣除兩端橋墩橫向振幅后的跨中橫向振幅進行綜合分析。下腦亥東溝大橋第2孔32 m梁位于墩高分別為25.36 m、28.38 m，橫向自振頻率分別為1.67 Hz、1.34 Hz的橋墩上，在 C80重車速度為40.1 km/h時激振頻率0.92～1.07 Hz下，橋墩橫向振動幅值分別為1.77 mm、4.49 mm，梁體最大橫向振幅為4.53 mm，扣除兩端墩頂橫向振幅后為1.40 mm。下腦亥東溝大橋第3孔32 m梁位于墩高分別為28.38 m、33.38 m，橫向自振頻率分別為1.34 Hz、1.30 Hz的橋墩上，在C80重車速度為34.6 km/h時激振頻率0.84～0.93 Hz下，橋墩橫向振動幅值分別為4.87 mm、4.44 mm，梁體最大橫向振幅為6.54 mm，扣除兩端墩頂橫向振幅后為2.26 mm;下腦亥東溝大橋第4孔32m梁位于墩高分別為33.38 m、16.28 m，橫向自振頻率為1.30 Hz、2.17 Hz的橋墩上，在 C80重車速度為34.6 km/h時激振頻率0.84～0.93Hz下，橋墩橫向振動幅值分別為4.30 mm、1.17 mm，梁體橫向振幅為4.45 mm，扣除兩端墩頂橫向振幅后為1.68 mm。從試驗結果可見，目前，大準線32 m梁橋的橫向振動過大的主要原因并非32 m梁自身的橫向彎曲振動，而是橋墩引起的，所以在大準線上32 m預應力混凝土梁橋的橫向振動控制中應重點針對橋墩進行治理。

4 墩頂橫向振動

由于大準鐵路32m預應力混凝土梁橋的橫向振動在很大程度上是由于橋墩的橫向振動過大引起的，橋墩橫向振動與貨列的激勵頻率、橋墩的自振特性有關，而貨列的激勵頻率因貨列的類型、編組、速度的不同而變化。橋墩橫向振幅與橋墩橫向自振頻率的關系見圖5。從墩頂橫向振幅和自振頻率的關系來看，貨列重車和貨列空車作用下墩頂橫向振幅隨橋墩橫向自振頻率的增大而減小，墩橫向自振頻率在1.0～2.5 Hz時，墩頂橫向振幅最大，這與貨車橫向激勵頻率有關(圖6)，實測貨車在速度80 km/h范圍內橫向激勵頻率為0.5～1.8 Hz，與中高墩的有載自振頻率可能接近，尤其是墩高>20 m的高墩，由于其有載自振頻率低，在貨列重車速度較低時就可能導致橫向共振現象。

圖5 橋墩橫向振幅與橋墩橫向自振頻率的關系

圖6 橋墩橫向強振頻率與速度的關系

橋墩橫向振幅與墩高的關系見圖7。從圖7可以看出，貨列空車作用下橋墩橫向振幅隨墩高的增長規律與貨列重車有所不同，貨列重車作用下橋墩橫向振幅隨著墩高的增加基本呈線性增大趨勢，貨列空車作用下橋墩橫向振幅在墩高<20 m時隨墩高的增加基本呈線性增長趨勢，但在墩高>20m時隨墩高的增加橋墩橫向振幅增長緩慢。這主要是隨著墩高的增大，橋墩質量較大，橋墩質量與活載質量之比較大，而貨列空車作用下激勵能量有限，橋墩橫向振幅增長緩慢。實測貨列重車作用下橋墩橫向振動過大，實測橋墩橫向振幅大部分不在《橋檢規》墩頂橫向振幅通常值范圍內;貨列空車作用下墩高>20 m的橋墩橫向振幅大部分在《橋檢規》通常值范圍內。

圖7 橋墩橫向振幅與墩高的關系

5 結論

貨列重車作用下梁體跨中橫向振幅大于貨列空車作用下橫向振幅，且與列車編組有關。貨列空車作用下32 m預應力混凝土梁橋的跨中橫向振幅均滿足《橋檢規》)行車安全限值的要求;貨列重車作用下墩高>20 m的32 m預應力混凝土梁橋的跨中橫向振幅不滿足《橋檢規》)行車安全限值的要求。

目前大準線32 m預應力混凝土梁橋的橫向振動過大的主要原因并非32 m預應力混凝土梁自身的橫向彎曲振動引起的，而是橋墩引起的，橋墩橫向振動與貨列的激勵頻率、橋墩的自振特性有關。所以在大準線上32 m預應力混凝土梁橋的橫向振動控制中應重點針對橋墩進行治理，尤其是墩高>20 m的高墩，由于其有載自振頻率低，在貨列重車速度較低時就可能導致橫向共振現象。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號 鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］王福天.車輛系統動力學［M］.北京:中國鐵道出版社，1994.

［3］李谷.轉8A轉向架橫向擺振問題探討［J］.中國鐵道科學，1996，17(1):32 －42.

［4］李谷.再論貨車轉向架的擺振問題［J］.中國鐵道科學，1998，19(1):49-60.