新菏線(xiàn)跨京廣特大橋振動(dòng)異常的檢定

魏樹(shù)林，許光宏，羅錦章

(鄭州鐵路局 工務(wù)檢測(cè)所，鄭州 450052)

1 橋梁及初步測(cè)試概況

新菏線(xiàn)上行跨京廣特大橋，單線(xiàn)，全長(zhǎng)3 016.1 m，由326孔8 m普通鋼筋混凝土梁、9孔16 m、1孔24 m以及1孔32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁組成。8 m梁設(shè)橡膠支座，16 m梁設(shè)弧形支座，32 m梁設(shè)搖軸支座。8 m梁下部結(jié)構(gòu)為雙柱式鋼筋混凝土拼裝式橋墩，擴(kuò)大基礎(chǔ)，地基經(jīng)強(qiáng)夯加固;16 m梁下為雙柱式鋼筋混凝土橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ);24 m、32 m梁下部為板式鋼筋混凝土橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)。橋址處屬黃河沖積平原，基礎(chǔ)置于砂黏土或粉砂中。橋上為無(wú)縫線(xiàn)路，其中西段位于曲線(xiàn)。于1985年建成開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。通過(guò)列車(chē)為全列煤炭。

2009年5 月發(fā)現(xiàn)列車(chē)通過(guò)時(shí)該橋梁振動(dòng)顯著。振動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)梁跨中橫向振幅達(dá)8.49 mm，超出行車(chē)安全限值(0.89 mm)[1]854%。墩頂橫向振幅達(dá)7.96 mm(《鐵路橋梁檢定規(guī)范》對(duì)輕型橋墩振動(dòng)沒(méi)有規(guī)定，相似外觀的橋墩通常值為0.39 mm)。擴(kuò)大基礎(chǔ)頂最大橫向橫向振幅為0.30 mm。由于實(shí)測(cè)梁跨、墩頂、基頂橫向振幅巨大，超乎以往的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)后立即對(duì)橋梁采取了限速運(yùn)營(yíng)等措施。

2 試驗(yàn)布置

為探求橋梁橫向振幅過(guò)大的原因，擬進(jìn)一步通過(guò)測(cè)振儀、測(cè)撓儀取得該橋梁體、橋墩以及基礎(chǔ)的振動(dòng)、位移數(shù)據(jù)，分析列車(chē)作用下的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)、位移狀態(tài)信息。

試驗(yàn)中重點(diǎn)測(cè)試了振動(dòng)顯著的257#墩、基礎(chǔ)以及左右梁體，測(cè)點(diǎn)布置示意如圖1、圖2。

撓度儀靶標(biāo)位于墩頂，將同時(shí)測(cè)取墩頂橫向、豎向位移，以期能探測(cè)到諸如基低承載力不均、軟弱地基、墩身與基礎(chǔ)連接缺陷等橋梁下部結(jié)構(gòu)病害，同時(shí)復(fù)核測(cè)振儀測(cè)得的墩頂橫向、豎向振動(dòng)。

圖1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意

圖2 257#墩墩頂及基頂測(cè)點(diǎn)布置

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 橋梁振幅、頻率及位移

由于列車(chē)限速，本試驗(yàn)列車(chē)通過(guò)時(shí)速度為26～38 km/h，實(shí)測(cè)梁跨中橫向振幅達(dá)6.78 mm，超出行車(chē)安全限值662%;加速度滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)性能檢驗(yàn)值。墩頂橫向振幅達(dá)5.57 mm、豎向0.58 mm。基頂橫向振幅達(dá)0.29 mm、豎向0.18 mm。列車(chē)通過(guò)時(shí)梁跨、墩頂振動(dòng)頻率1.2～1.6 Hz。脈動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示梁墩體系自振頻率為1.81 Hz。

測(cè)撓儀實(shí)測(cè)列車(chē)通過(guò)時(shí)墩頂豎向下沉0.33～0.50 mm，向南橫向偏移0.36～1.60 mm，豎向振幅0.46～0.87 mm(測(cè)振儀所得約為0.25 mm)，橫向振幅4.54～5.69 mm(與測(cè)振儀所得相當(dāng))。

3.2 典型的振動(dòng)時(shí)域圖

1)實(shí)測(cè)自由狀態(tài)下、列車(chē)作用下的數(shù)據(jù)表明:梁跨、墩頂橫向振動(dòng)大小接近;基頂、基礎(chǔ)旁地面振動(dòng)大小接近;各振動(dòng)波形較一致。基頂四個(gè)豎向振動(dòng)，在自由狀態(tài)下豎向振動(dòng)基本一致，列車(chē)作用下豎向振動(dòng)相位基本接近，北側(cè)的2個(gè)測(cè)點(diǎn)(①、④)與南側(cè)的2個(gè)測(cè)點(diǎn)(②、③)分別位于基線(xiàn)兩側(cè)。

2)墩頂豎向測(cè)點(diǎn)顯示，自由狀態(tài)下4個(gè)豎向振動(dòng)基本一致(圖3);列車(chē)作用下振動(dòng)相位南北基本相對(duì)，也可見(jiàn)同一時(shí)刻④測(cè)點(diǎn)與其它測(cè)點(diǎn)分別位于基線(xiàn)兩邊的峰或谷(圖4)。

圖3 在自由狀態(tài)下墩頂豎向振動(dòng)

3)墩頂、基頂縱向振動(dòng)。

自由狀態(tài)及列車(chē)作用下的墩頂、基頂縱向振動(dòng)，見(jiàn)圖5、圖6，圖中較大幅值者為墩頂之。

3.3 墩頂橫向振動(dòng)組成分析

根據(jù)彈性結(jié)構(gòu)小變位疊加原理，墩頂橫向振動(dòng)的幅值(Δ)，包含有雙柱墩身在橫向水平力作用下的彈性變位(δ1)、基礎(chǔ)橫向振動(dòng)變位(δ2)以及基礎(chǔ)豎向轉(zhuǎn)動(dòng)引起的墩頂橫向幾何變位(δ3)，即 Δ =δ1+δ2+δ3，其中δ1為墩身橫向剛度的表征，δ2、δ3為基礎(chǔ)穩(wěn)定度的表征。結(jié)構(gòu)變位示意圖7所示。

上述Δ、δ2直接測(cè)得，δ3通過(guò)布置于基礎(chǔ)頂部的4個(gè)豎向測(cè)振儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求出基礎(chǔ)的豎向轉(zhuǎn)動(dòng)軸及其轉(zhuǎn)動(dòng)角度，即可得到墩頂處的橫向幾何變位。最后由:δ1= Δ － δ2－ δ3確定 δ1。通過(guò)分析比較 δ1、δ2和 δ3在墩頂橫向總變位中所占的比重，以作為墩身橫向剛度大小及基礎(chǔ)穩(wěn)定度的重要判據(jù)。

圖4 在列車(chē)通過(guò)下墩頂豎向振動(dòng)

經(jīng)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，基礎(chǔ)南側(cè)的豎向振動(dòng)明顯大于北側(cè)。墩頂振幅以墩身在橫向水平力作用下的彈性變位δ1為主，約占85%，基礎(chǔ)橫向振動(dòng)變位 δ2約占5%，基礎(chǔ)豎向轉(zhuǎn)動(dòng)引起的墩頂橫向幾何變位 δ3約占10%。即墩頂橫向振幅中基礎(chǔ)的影響約占到15%。

4 引起墩頂橫向振動(dòng)異常的原因分析

4.1 地基不良對(duì)梁跨、墩頂橫向振動(dòng)的影響

實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)顯示貨車(chē)通過(guò)257#墩頂豎向下沉及向南橫向偏移，且南側(cè)偏弱;基礎(chǔ)豎向振動(dòng)中南側(cè)振動(dòng)大于北側(cè)，且基礎(chǔ)導(dǎo)致的墩頂橫向振動(dòng)達(dá)15%。實(shí)測(cè)顯示存在地基壓縮量較大或地基不良的可能。

圖5 在自由狀態(tài)下墩頂、基頂縱向振動(dòng)

圖6 在貨車(chē)通過(guò)下墩頂、基頂縱向振動(dòng)

圖7 墩頂橫向變位示意

該墩南側(cè)為積水洼地，北側(cè)為鄉(xiāng)村公路的地形、地物上的缺陷，與偏大的實(shí)測(cè)值相吻合。另外273#基礎(chǔ)地基所處環(huán)境優(yōu)于257#基礎(chǔ)地基，273#基礎(chǔ)振動(dòng)明顯小于257#基礎(chǔ)。

竣工資料顯示該橋擴(kuò)大基礎(chǔ)中有189個(gè)地基進(jìn)行了強(qiáng)夯處理，以使其砂黏土地基承載力達(dá)到150 kPa以上的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)該橋?qū)嵤┑膹?qiáng)夯工藝，其單擊夯擊能較小，地基有效加固深度分別為4～5 m、3 m兩種，夯擊有效加固深度較淺[2];竣工資料顯示其竣工檢測(cè)的范圍與數(shù)量略小，因此該橋基礎(chǔ)存在強(qiáng)夯后不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的可能。另外在運(yùn)營(yíng)后該處地貌發(fā)生了較大變遷，存在由于排水條件變化造成的地基浸水，形成性能不良的地基(如256#、257#間的坑洼)。

地基、基礎(chǔ)、橋墩、梁跨在列車(chē)通過(guò)時(shí)振動(dòng)將相互影響，在列車(chē)通過(guò)形成的聯(lián)合動(dòng)力反應(yīng)機(jī)構(gòu)中，地基與基礎(chǔ)的相互作用取決于地基和基礎(chǔ)的相對(duì)質(zhì)量和相對(duì)剛度。該拼裝式雙柱型橋墩截面較小，在墩頂有較大振幅的狀態(tài)下，易開(kāi)裂，開(kāi)裂后的橋墩、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系，橫向動(dòng)力性能極差(由歐拉公式，結(jié)構(gòu)由一端固結(jié)、一端鉸接結(jié)構(gòu)變?yōu)閮啥司q接，臨界荷載將縮小1/2)。地基不良可以造成地基上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及動(dòng)力響應(yīng)異常。該橋多處墩身底部出現(xiàn)環(huán)狀裂縫，這些橋墩往往埋置較差，基頂外露，也存在排水較差的地形等可導(dǎo)致不良地基的條件。

4.2 特有的橋式及橋梁體系自振頻率等原因

C62貨車(chē)以30～60 km/h速度通過(guò)，將對(duì)該8 m跨度梁形成1.24～2.48 Hz(由 v/l車(chē)長(zhǎng)×2得到)的強(qiáng)振頻率，而脈動(dòng)試驗(yàn)顯示自由狀態(tài)下橋梁體系(8 m梁跨、橡膠支座、雙柱型墩)以1.81 Hz頻率自由振動(dòng)，另外根據(jù)該橋地基地質(zhì)，地基自由振動(dòng)頻率為1.5～2.5 Hz[3]。當(dāng)結(jié)構(gòu)自身頻率與外界作用力頻率接近，容易形成準(zhǔn)共振，可見(jiàn)橋梁的地基動(dòng)力響應(yīng)對(duì)整個(gè)橋梁體系極為不利。1.81 Hz的作用頻率，相應(yīng)的貨車(chē)速度為43.8 km/h，所以40 km/h左右的貨車(chē)速度是造成該橋梁結(jié)構(gòu)較大動(dòng)力響應(yīng)的最不利速度，30 km/h～60 km/h的貨車(chē)速度對(duì)于該橋亦較不利，與實(shí)測(cè)較一致。另外該多跨長(zhǎng)橋還存在以下不利的因素:一是容易造成不良車(chē)況車(chē)輛形成的振動(dòng)持續(xù)，再是易發(fā)生車(chē)橋體系準(zhǔn)共振，實(shí)測(cè)振動(dòng)時(shí)域圖中可見(jiàn)較大振幅在列車(chē)通過(guò)中持續(xù)的現(xiàn)象。

4.3 橋墩的原因

該橋墩長(zhǎng)細(xì)比大。由于墩身截面較小，橫向薄弱，不利于抵抗列車(chē)橫向動(dòng)荷載作用。墩身靠近底部的裂縫表明墩身截面不足。

由于以上所述的墩身截面不足、擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深較淺、地基狀態(tài)不良、特有的橋跨結(jié)構(gòu)形式等缺陷，造成該橋梁部分橋墩及梁跨振動(dòng)巨大。

5 主要結(jié)論

1)在當(dāng)前貨車(chē)限速條件下(實(shí)測(cè)26～38 km/h)梁體跨中橫向振幅仍嚴(yán)重超出行車(chē)安全限值，梁體振幅不能滿(mǎn)足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》運(yùn)營(yíng)性能檢驗(yàn)。

2)綜合梁跨、橋墩和基礎(chǔ)振動(dòng)分析，梁跨的橫向振幅超限主要是由于墩頂有較大橫向振幅所致。墩頂?shù)臋M向振動(dòng)主要來(lái)自橋墩自身的彈性變位，基礎(chǔ)的變位影響墩頂變位約為15%。實(shí)測(cè)值顯示橋墩振動(dòng)劇烈的基礎(chǔ)振動(dòng)明顯較大。

3)列車(chē)作用下強(qiáng)夯地基上墩頂下沉量較大，且有基底承載不均的現(xiàn)象。

4)貨車(chē)速度40 km/h是造成該橋梁動(dòng)力響應(yīng)的最不利速度，30～60 km/h的速度亦較不利。

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