朔黃鐵路南排河特大橋健康狀態(tài)評估研究

劉飛

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350）

朔黃鐵路南排河特大橋健康狀態(tài)評估研究

劉飛

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350）

為研究橋梁結(jié)構(gòu)在水流沖刷作用下的健康狀態(tài)，對朔黃鐵路南排河大橋進行了動力測試。測試內(nèi)容包括梁體橫豎向振幅、自振頻率、梁底應變、梁跨中撓度、支座橫向位移以及橋墩自振頻率和墩頂橫向振幅。測試結(jié)果中除了墩頂橫向振幅和橋墩自振頻率外均能滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的限值。這說明橋墩的橫向剛度偏小，需采取一定的措施進行加固。試驗中還比較了脈動法、余振法和沖擊振動法等測量自振頻率的方法之間的差異，推薦采用沖擊振動法測試橋梁自振頻率。

重載鐵路橋梁；健康狀態(tài)；動力試驗；病害評估

0　引言

朔黃鐵路作為我國西煤東運的第二大通道，是一條西起山西省神池站，東至河北省黃驊市黃驊港站的重載鐵路。其輸送能力大、效率高、運輸成本低、經(jīng)濟和社會效益顯著。經(jīng)過十多年的運營，朔黃鐵路沿線橋梁已經(jīng)產(chǎn)生了較為嚴重的病害。特別是對于跨越河流的橋梁，其不僅承受運營列車的動力荷載，再加上流水沖刷河床以及水質(zhì)的腐蝕性等原因，其下部結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)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。

本文以朔黃重載鐵路南排河大橋為研究對象，對橋梁上部結(jié)構(gòu)的橫豎向自振頻率、振幅、跨中撓度和跨中應變等動力指標進行了測試；并對該橋典型橋墩進行了橫向振幅測試和沖擊振動試驗。通過與《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的限值比較，評估了橋梁的在運營荷載下的健康狀態(tài)。

1　橋梁概況

南排河特大橋（261#橋），橋梁全長601.5 m。上部結(jié)構(gòu)為18孔32 m跨度預應力混凝土簡支雙片式T梁，圖號為專橋2059。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。橋墩基礎為鉆孔樁基礎，樁徑1.0 m。其中4#、5#、6#墩位于主河道中。橋梁概貌見圖1。

圖1　南排河特大橋概貌

2　測試內(nèi)容和測點布置

為了評估橋梁在重載列車作用下的工作性能以及流水沖刷對橋墩性能的影響。本文對南排河大橋重車上行線第3、5、6孔梁和2～6號墩進行了動力測試。測試內(nèi)容包括梁體橫豎向振幅、自振頻率、梁底應變、梁跨中撓度、支座橫向位移以及橋墩自振頻率和墩頂橫向振幅。

測點布置如下：在第3、5、6孔梁跨中布置橫向測點，第5孔梁跨中布置豎向測點，第3孔梁跨中豎向布置動撓度計，梁底部布置應變片。第3、4孔梁端布置橫向位移計，各墩頂布置橫向測點。

3　鐵路橋梁性能檢定評估標準

橋梁運營性能檢定評估主要依據(jù)是《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［1］，32 m跨度T梁橋所采用的評估標準如下：

（1）當列車靜活載（換算至中-活載）作用時，實測橋梁跨中豎向撓跨比通常值不大于1/1800；

（2）列車通過時，橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面處跨中橫向振幅行車安全限值［Amax］5%≤L/9 000；

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

（4）客車列車正常運行時，橋跨結(jié)構(gòu)最小自振頻率f≥90/L；

（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不小于。其中，B為鋼梁為主梁中心距（m），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α1為與地基土特征相關(guān)的參數(shù)。

4　試驗結(jié)果分析［2-5］

朔黃鐵路運營的重載列車車型主要為軸重為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、10 000 t兩種。本文測試了該橋上行重車線在重載列車過橋時的動力響應，并利用沖擊振動試驗法測試了橋梁的自振頻率，最后將測量值與規(guī)范值《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中的限值進行了比較。

4.1梁體自振頻率

本次試驗中，用沖擊振動試驗法對橋墩橫向進行了沖擊，測試分析了第3、5、6孔橫向自振頻率，同時采用人在梁跨中跳躍的方式分析了5孔梁體的豎向自振頻率。橋梁在橫向沖擊荷載下的動力響應及頻譜見圖2。

圖2　第5孔梁跨中橫向沖擊響應頻譜圖

圖3　第5孔梁跨中豎向跳擊響應頻譜圖

通過分析可確定第3、5、6孔梁的橫向自振頻率分別為2.88 Hz、3.00 Hz、3.00 Hz，識別橫向自振頻率均高于32 m跨度梁的橫向自振頻率通常值2.81 Hz。另依據(jù)沖擊振動試驗法的基本原理，從圖3可以準確判定第5孔梁的豎向自振頻率5.5 Hz。

4.2梁體橫豎向振幅

試驗測試了在運營列車作用下，第5孔北、南兩片梁實測跨中豎向振幅，其統(tǒng)計結(jié)果見表1。第3、5、6孔北、南兩片梁實測橫向振幅統(tǒng)計結(jié)果見表2。第5孔梁橫向加速度幅值見圖4。

圖4　第5孔梁橫向加速度幅值

從表1中可以看出，第5孔北片梁跨中最大豎向振幅為0.976 mm，南片梁跨中最大豎向振幅為0.547 mm。北側(cè)梁比南側(cè)梁的豎向振幅大，說明兩片梁豎向協(xié)同工作狀態(tài)較差并且列車荷載有一定偏心。

從表2中可以看出，第3孔梁跨中最大橫向振幅為2.444 mm。第5孔梁北片梁跨中最大橫向振幅為1.801 mm，南片梁跨中最大橫向振幅為2.42 mm。第6孔梁北片梁跨中最大橫向振幅為1.825 mm，南片梁跨中最大橫向振幅為1.672 mm。實測梁體跨中橫向振幅均小于《橋檢規(guī)》跨中橫向振幅通常值2.54 mm。實測梁跨中橫向加速度幅值均小于《橋檢規(guī)》跨中橫向加速度限值1.4 m/s2。

4.3橋墩自振頻率

就自振頻率的識別，目前國內(nèi)外常用的方法主要包括環(huán)境振動法（脈動法）、結(jié)構(gòu)自由衰減振動法（余振法）和激振模態(tài)分析法（模態(tài)法）。由于橋墩在環(huán)境激勵下的響應信號非常微弱、信噪比低，所以用環(huán)境振動法很難識別出其自振頻率。另外，受車輛重量、道路不平順以及墩梁耦合等因素的影響，橋梁下部結(jié)構(gòu)在車輛作用下的余振響應頻譜非常凌亂，也不易進行模態(tài)識別。用模態(tài)法可以準確識別出自振頻率，但是由于其操作復雜、使用成本高，所以一般不用于下部結(jié)構(gòu)動力測試。近年來北京交通大學戰(zhàn)家旺提出了利用沖擊振動試驗法來測試橋梁和橋墩自振特性，該方法操作簡單、測試速度快、識別結(jié)果準確。

本次試驗，分別利用余振法、脈動法和沖擊振動法識別橋墩自振頻率，比較3種方法之間識別結(jié)果的差別。以5#墩為例進行說明（見圖5～圖9及表3）。

表1　梁跨中豎向振幅統(tǒng)計結(jié)果

表2　梁跨中橫向振幅統(tǒng)計結(jié)果

圖5　5#墩余振響應時程及頻譜圖

圖6　5#梁余振響應時程及頻譜圖

圖7　5#墩脈動響應時程及頻譜圖

圖8　5#梁脈動響應時程及頻譜圖

圖9　5#墩橫向沖擊響應時程及頻譜圖

從圖5中可以看出在5#墩頻譜圖在3.125 Hz處出現(xiàn)峰值，但觀察圖6可以看出，5#梁頻譜圖也在3.125 Hz處出現(xiàn)峰值，該值與梁的自振頻率識別值接近。因此利用余振法識別橋墩自振頻率時，容易將梁的頻率誤判為墩的自振頻率。

對于脈動法的結(jié)果，從圖7中可以看出5#墩脈動響應峰值出現(xiàn)在2.25 Hz，與計算所得橋墩自振頻率接近。而5#梁脈動響應峰值也出現(xiàn)在2.25 Hz處，因此，對于剛性橋墩，脈動法測得的卓越頻率一般為梁的頻率，而對于柔性墩，脈動法測到的卓越頻率一般為墩的頻率。當頻譜圖出現(xiàn)多個峰值時，只能主觀地將幅值較高的峰值對應的卓越頻率確定為橋墩的自振頻率，不具有科學性。

表3　墩頂橫向振幅統(tǒng)計結(jié)果

利用沖擊振動試驗法對橋墩進行沖擊，其動力響應及頻譜圖見圖9。在2.23 Hz處滿足180°相位角條件，因此5#墩的橫向自振頻率為2.23 Hz。可見沖擊振動法不僅能夠準確識別柔性墩的頻率，也可對剛性墩的頻率進行識別，且能排除梁與相鄰橋墩振動的影響，識別結(jié)果較余振法、脈動法更為準確。如果不結(jié)合相位譜，僅僅利用響應的幅值譜，很難從復雜的頻譜中確定橋墩的自振頻率，這是沖擊振動試驗法的最大優(yōu)勢。

4.4墩頂動撓度和動應變

在運營列車作用下，第3孔北、南兩片梁跨中動撓度統(tǒng)計結(jié)果見表4，動應變統(tǒng)計結(jié)果見表5：從表4中可知，第3孔北、南兩片梁在C64K、C70A和C80列車作用下，實測跨中動撓度最大值分別為9.217 mm、10.123 mm和12.279 mm。將C64K、C70A和C80列車荷載下梁體靜撓度折算到中-活載作用下的靜撓度見表6。可以看出，折算到中活載后的靜撓跨比均小于《橋檢規(guī)》規(guī)定的撓跨比限值1/1800。

從表5可以看出，第3孔北、南兩片梁中的4個應變測點在C64K、C70A和C80列車作用下的動應變最大值分別為128.3 με、134.1 με和172.0 με。

由此可以得出，梁體處于線彈性階段，就梁體承載能力而言，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4.5支座橫向位移

在運營列車作用下，第3、4孔北側(cè)梁實測梁端支座橫向位移統(tǒng)計結(jié)果見表7。C64K、C70A和C80列車分別對應的，第3～10孔梁滑動端支座橫向位移最大值分別為0.328 mm、0.337 mm、0.301 mm。支座位移均小于《橋檢規(guī)》梁端支座位移限值2 mm。

表4　第3孔北、南兩片梁跨中動撓度統(tǒng)計結(jié)果

表5　第3孔北、南兩片梁跨中動應變統(tǒng)計結(jié)果

表6　跨中靜撓度折算結(jié)果

U446

B

1009-7716（2016）01-0076-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.022

2015-09-17

劉飛（1979-），男，山西朔州人，助理工程師，從事鐵路工務工程管理、病害整治及安全控制工作。