朔黃重載鐵路子牙新河特大橋技術狀態評估

趙德寬

（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧062350）

朔黃重載鐵路子牙新河特大橋技術狀態評估

趙德寬

（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧062350）

為了評估重載鐵路橋梁的技術狀態，對朔黃鐵路子牙新河特大橋進行了動力試驗。利用沖擊振動試驗法識別橋墩橫向自振頻率以及梁體橫向和豎向自振頻率。動力試驗中，通過測試運營列車作用下梁體控制截面的梁體振幅和加速度的響應，并將實測結果與《鐵路橋梁檢定規范》規定的限值比較。結果表明，梁體各項動力參數指標均滿足規范要求，這說明梁體結構的運營性能良好。該橋部分橋墩之前進行過加固，為了評估加固前和加固后橋墩結構的動力性能，試驗選取典型橋墩進行動力測試分析。比較加固前后橋墩振動參數的變化情況。評估結論可驗證橋墩加固效果，為其余橋墩是否需要加固提供數據支持。

重載鐵路；動力響應；自振頻率；沖擊振動試驗法；技術狀態

0　引言

重載鐵路輸送能力大、效率高、運輸成本低、經濟和社會效益顯著，因此發展重載鐵路運輸受到世界各國鐵路的廣泛重視。近年來，隨著重載鐵路運輸軸重的加大、牽引質量的不斷提高以及行車密度的不斷增加，部分鐵路橋梁出現振幅超限、剛度下降、承載力不足等病害，嚴重危及行車安全。

作為我國西煤東運的第二大通道——朔黃鐵路，是西起山西省神池站，東至河北省黃驊市黃驊港站的一條重載鐵路，全長585 km。經過十多年的運營，朔黃鐵路沿線橋梁已經產生了較為嚴重的病害。其上部結構面臨的主要病害是梁體裂紋、梁體振動過大、橫向或豎向剛度不足等。下部結構的病害將導致橋墩出現地基破壞、剛度下降、耐久性和承載力不足等方面的問題。這些問題嚴重影響了鐵路運營安全性。當橋梁下部結構發生病害時，其自振頻率會隨剛度的減小而降低，振型也會發生改變，這些模態參數能直接反映下部結構的工作狀態，因此國內外都十分重視模態參數的測試和計算分析，并將其確定為下部結構病害診斷和狀態評定的關鍵性指標［1-3］。

本文以朔黃重載鐵路子牙新河特大橋為研究對象，對橋梁上部結構的橫豎向自振頻率、振幅和加速度等動力指標進行了測試；對該橋典型橋墩進行了橫向振幅測試和沖擊振動試驗，比較了橋墩加固前后振動參數的變化情況，評估了橋梁的運營性能。

1　橋梁概況

子牙新河特大橋（219#橋），中心里程為K462+335.09，橋梁全長3466.79m。上部結構為106孔32m跨度預應力混凝土簡支雙片式T梁，圖號為專橋2059。T梁已經采用施加橫向預應力的方式進行了加固。梁體支座采用盆式橡膠支座，圖號為專橋8156。上行重車線為有縫線路。橋梁概貌見圖1。

圖1　子牙新河特大橋概貌

2　測試內容和測點布置

為了評估橋梁在運營重載列車作用下的工作性能，比較橋墩加固前后振動參數的變化情況。對子牙新河特大橋的重車上行線第15、16孔梁，14號～18號墩和下行線14號墩進行了動力測試。測試參數包括梁體橫豎振幅、加速度、自振頻率以及橋墩自振頻率和橫向振幅。具體的測點布置如下：在15、16孔梁跨中和梁端布置橫豎向測點。在各墩頂和墩身布置橫向測點。測點布置圖見圖2。

3　橋梁結構運營性能評估標準

橋梁運營性能檢定評估主要依據是《鐵路橋梁檢定規范》（鐵運函［2004］120號）［4］，32m跨度T梁橋所采用的評估標準如下：

（1）列車通過時，橋跨結構在荷載平面處跨中橫向振幅行車安全限值［Amax］5%≤L/9000；

（2）客車列車正常運行時，橋跨結構在荷載平面處跨中最大橫向振幅［Amax］5%≤L/7B；

（3）客車列車正常運行時，橋跨結構最小自振頻率f≥90/L；

（4）當列車通過時，橋跨結構在荷載平面的橫向振動加速度最大值不應超過1.4m/s2；

（5）鐵路橋梁橋墩墩頂橫向振幅通常值［Amax］5%≤（H+Δh）2/100B+0.2，最小橫向自振頻率為≥24a1/H，其中：B為鋼梁為主梁中心距，預應力混凝土梁為支座中心距，m；H為墩全高（自基底或樁承臺底至墩頂），m；Δh和a1為與地基土特征相關的參數。

圖2　橋梁測點布置圖

4　試驗結果分析

朔黃鐵路運營的重載列車車型主要為軸重21 t的C64K，軸重為23 t的C70A ，軸重為25 t的C80等三種運煤列車。其編組形式有5 000 t為10 000t兩種。

測試了該橋上行重車線在重載列車下的振幅、加速度等動力響應，并利用沖擊振動試驗法測試了橋梁的自振頻率，與規范值進行了比較。

4.1梁體及橋墩自振頻率識別

自振頻率是橋梁的固有特性。當橋梁結構發生病害時，其自振頻率會隨剛度的減小而降低，振型也會發生改變。這些模態參數能直接反映結構的工作狀態，因此國內外都十分重視模態參數的測試和計算分析，并將其確定為結構病害診斷和狀態評定的關鍵性指標。目前國內外常用的測試自振頻率的方法主要有脈動法、余振法和模態法等。這些方法有的適用性較差，有的準確性欠佳，因此，需要一種既可以準確得到橋梁下部結構自振頻率，又便于實施的試驗方法。近年來，北京交通大學系統研究了沖擊振動試驗法，解決了長期以來鐵路橋梁下部結構自振頻率難識別的問題［5，6］。

沖擊振動試驗方法的基本原理是用重錘沖擊橋墩，通過測試橋墩的振動響應并對其進行分析求得其自振頻率。沖擊振動試驗的操作順序如圖3所示。

圖3　沖擊振動試驗操作程序

本次試驗中，利用沖擊振動試驗法識別橋墩橫向自振頻率以及梁體橫向和豎向自振頻率。依據沖擊振動試驗法的基本原理，橋梁的自振頻率分析結果如下：

（1）如圖4所示，沖擊15#墩時，15#梁的豎向頻譜響應圖中只有6.5 Hz一個峰值，由此可判斷15#梁的豎向自振頻率為6.5 Hz。同理得16#梁的豎向自振頻率為6.5 Hz。

圖4　沖擊15#墩頂時15#梁豎向頻譜圖

（2）如圖5所示，當沖擊14#墩時，14#墩頻譜響應中有2.25 Hz、3 Hz和3.38 Hz滿足峰值和相位要求，而15#梁的橫向自振頻率為3 Hz，15#墩的橫向自振頻率為2.25 Hz，因此可以推斷，14#墩橫向自振頻率為3.38 Hz。

圖5　沖擊14#墩頂時14#墩頂橫向頻譜圖

（3）如圖6、圖7所示，當沖擊14#墩時，15#梁的橫向頻譜響應中有2.25 Hz和3 Hz滿足峰值和相位要求，而此時15#墩的頻譜中只有2.25 Hz一個峰值，說明15#梁的橫向自振頻率為3 Hz，15#墩的橫向自振頻率為2.25 Hz。

圖6　沖擊14#墩頂時15#梁跨中橫向頻譜圖

圖7　沖擊14#墩頂時15#墩頂橫向頻譜圖

（4）同理，可得16#梁的橫向自振頻率為3 Hz，16#墩的橫向自振頻率為4.25 Hz，17#墩的橫向自振頻率為4.25 Hz，18#墩的橫向自振頻率為2.13 Hz，下行線14#墩的橫向自振頻率為2 Hz。

（5）子牙新河特大橋下部結構及梁體的自振頻率識別結果匯總如表1所示。可以看出，梁體結構的自振頻率結果均滿足《鐵路橋梁檢定規范》中規定的限值。上行線14#、16#和17#橋墩橫向自振頻率也滿足規范的規定，而上行15#、18#墩和下行14#墩的橫向自振頻率則不滿足規范要求。

（6）上行線15#墩和16#墩結構尺寸相同，17#墩和18#墩結構尺寸相同。進行加固后，16#墩和17#墩自振頻率分別比未加固的15#墩和18#墩提高89%和99.5%。加固后橋墩自振頻率滿足規范規定的最小限值，說明墩身進行加固后其剛度得到明顯提高。

4.2梁體豎向振幅及加速度

在運營列車作用下，第15孔梁跨中豎向振幅統計圖見圖8，加速度統計圖見圖9。

圖8　15孔梁跨中豎向振幅統計圖

圖9　15孔梁跨中豎向加速度統計圖

實測結果表明：

（1）由圖中可以看出，第15孔梁跨中最大豎向振幅為1.085mm，出現在C70A貨車通過時；同理，第16孔梁跨中最大豎向振幅為0.572mm，出現在C70A貨車通過時。跨中豎向加速度均不超過《鐵路橋梁檢定規范》中限值3.5m/s2。

（2）試驗測試車速范圍較小，梁體跨中豎向振幅與速度關系不明顯。梁體強振頻率與列車速度/車長呈線性關系，與強振頻率理論計算（f=車速/車長）吻合。

4.3梁體橫向振幅及加速度

在運營列車作用下，上行線第15、16孔梁實測橫向振幅統計結果見表2。第15、16孔梁實測橫向加速度幅值統計結果見圖10和圖11。

表1　橋梁自振頻率識別結果統計

表2　梁體橫向振幅統計結果

圖10　不同軸重列車作用下第15孔梁跨中橫向加速度振幅統計圖

圖11　不同軸重列車作用下第16孔梁跨中橫向加速度振幅統計圖

實測結果表明：第15孔梁跨中最大橫向振幅為1.671mm，出現在C64K貨車通過時。第16孔梁跨中最大橫向振幅為2.084mm，出現在C80貨車通過時；實測梁體跨中橫向振幅均小于《鐵路橋梁檢定規范》中跨中橫向振幅通常值2.54mm。實測梁跨中橫向加速度幅值均小于《鐵路橋梁檢定規范》中跨中橫向加速度限值1.4m/s2。這表明梁體結構具有良好的橫向動力性能。

4.4墩頂橫向振幅

在運營列車作用下，14#～18#墩墩頂實測橫向振幅統計結果見表3。

實測結果表明：

（1）14#墩墩頂最大橫向振幅為0.493mm，出現在C70A貨車通過時；15#墩墩頂最大橫向振幅為0.519mm，出現在C80貨車通過時；16#墩墩頂最大橫向振幅為0.305mm，出現在C80貨車通過時。17#墩墩頂最大橫向振幅為0.547mm，出現在C80貨車通過時；18#墩墩頂最大橫向振幅為0.696mm，出現在C64K貨車通過時。實測振幅均小于《鐵路橋梁檢定規范》墩頂橫向振幅通常值。

（2）15#墩與16#墩墩高與墩寬相同，但15#墩的振幅明顯比16#墩振幅大，因此可知15#墩與16#墩相比剛度較弱。同理，17#墩與18#墩墩高與墩寬相同，18#墩的振幅明顯比17#墩振幅大，因此可知18#墩與17#墩相比剛度較弱。

（3）橋墩橫向振幅與橋墩橫向剛度關系不明顯，受車輛編組、軸重、運營速度、轉向架和軌道狀態等因素影響較大，不易通過振幅對橋墩剛度進行定量評估，只能從概率統計的角度定性判定15#墩比16#墩橫向剛度小、18#墩比17#墩橫向剛度小。

5　結論

本文通過對朔黃鐵路子牙新河特大橋進行動力振動測試，得出如下結論：

（1）橋梁上部結構橫豎向振幅和加速度以及橫豎向自振頻率均滿足《鐵路橋梁檢定規范》規定的限值，說明梁體結構運營性能良好。

（2）橋梁下部結構在列車荷載作用下的橫向振幅均小于《鐵路橋梁檢定規范》規定的墩頂橫向振幅通常值。加固后，橋墩的振幅值比加固前明顯變小。

（3）用沖擊振動試驗法可以準確測定橋墩的橫向自振頻率。加固前的橋墩的橫向自振頻率不滿足規范要求，加固后的橋墩橫向自振頻率均滿足規范要求。

表3　上行14#～18#墩墩頂橫向振幅統計表

（4）加固后的橋墩橫向自振頻率均比加固前的橋墩自振頻率大。說明對橋墩加固后其剛度明顯提高，但應對加固效果進行定量評價，避免過度加固或加固不足。

［1］ 戰家旺. 既有鐵路橋墩健全度評估和試驗方法研究［D］. 北京：北京交通大學， 2006.

［2］ 李旻，羅興華.重載鐵路橋梁橫向振動檢測及加固研究［J］.神華科技，2013，11（5）：80-83.

［3］周海林， 王星華. 橋墩病害動力測試分析［J］. 中國鐵道科學， 2001，22（5）： 128-132.

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U446

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1009-7716（2015）01-0102-04

2014-10-08

趙德寬（1985-），男，山西太原人，助理工程師，從事橋梁運營管理、病害整治及安全控制工作。