高速鐵路大跨度斜拉橋運營性能檢定技術探討

王 巍

（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著我國高速鐵路的快速發展，主要干線高速鐵路橋梁跨越長江、黃河的情況比較常見。隨著斜拉橋橋梁理論研究的成熟、計算技術水平的提高及其具有的較大跨越能力的特點，使得斜拉橋在大跨度橋梁中應用更為廣泛。大跨度鐵路斜拉橋通過合理的結構布置可以提高其豎向剛度與橫向剛度，我國高速鐵路大跨度斜拉橋通常采用雙塔連續鋼桁梁形式，表1給出了我國部分高速鐵路大跨度斜拉橋的設計參數。

我國的國情和路情，決定了我國高速鐵路設計速度高、行車密度大、舒適度好的特點，這些決定了高速鐵路大跨度斜拉橋運營性能檢定的高標準要求，《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定（試行）》適用于高速鐵路跨度100 m及以下采用ZK活載設計的常用跨度預應力混凝土雙線箱梁橋運營性能的檢測和評定，缺乏針對大跨度斜拉橋結構特點的橋梁運營性能測試評定技術指標［1］。

表1 我國部分高速鐵路斜拉橋設計參數［2-6］

本文基于近年來我國高速鐵路大跨度斜拉橋動力性能測試實踐和試驗數據，探討大跨度斜拉橋運營性能檢定技術，為高速鐵路大跨度斜拉橋的運營維護提供參考。

1 運營性能評定主要參數

高速鐵路橋梁在列車高速運行條件下，結構的動力響應加劇，從而使列車運行的安全性、旅客乘坐的舒適性、荷載沖擊等問題都與普通鐵路橋梁不同，高速鐵路橋梁必須具有足夠的強度和剛度，以保證高速列車行車平穩性和橋上軌道的穩定性［7］。國內外高速鐵路設計標準中的每個參數制定因素和目的都比較明確，即通過確保橋上道床和軌道結構的穩定來保證高速列車在橋上運行的穩定性和旅客乘坐舒適性［8］。

1.1 橋梁豎向評定參數

自振頻率是橋梁基本的動力特性，也是分析橋梁動力響應趨勢的基礎數據，自振頻率的變化綜合反應橋梁狀態的變化；梁體豎向剛度（撓度和梁端轉角）是影響橋上軌道平順性和行車舒適性的主要靜力指標［8］。目前，我國高速鐵路大跨度斜拉橋均采用有砟軌道，梁體豎向振動加速度過大會導致橋上道砟粉化，引起橋上道床的失穩。因此，建議選擇梁體豎向自振頻率、梁體豎向剛度（撓度和梁端豎向轉角）及豎向動力響應作為大跨度斜拉橋結構豎向評價參數，評定參數和目的見表2。

表2 大跨度斜拉橋豎向評定參數和目的

1.2 橋梁橫向評定參數

大跨度斜拉橋橫向位移過大，會導致橋上軌道結構的方向不平順，影響車輛運行的平穩性和旅客乘坐舒適度。大跨度斜拉橋橫向自振頻率作為橋梁動力特性的基本參數，是橫向剛度的綜合反應，在動車組列車作用下，橋梁的橫向水平位移和橫向自振頻率具有一定對應關系。一般情況下，梁體橫向位移的測試比較困難，大跨度斜拉橋橫向評定參數可以沿用鐵路橋梁檢定相關規范的規定［8］，以評定梁體橫向自振頻率和運營狀態下梁體、橋墩的橫向振幅為主，其主要目的見表3。

表3 大跨度斜拉橋橫向評定參數和目的

1.3 動車組列車通過橋梁的穩定性和平穩性

動車組列車運行穩定性主要涉及車輛在橋上是否脫軌及對軌道產生過大橫向力的問題，一般采用脫軌系數、輪重減載率及輪軌橫向力來評價。動車組平穩性主要涉及旅客的乘坐舒適性。通過分析動車組列車通過大跨度斜拉橋的穩定性和平穩性，來綜合評價大跨度斜拉橋的工作狀態，使得高速鐵路大跨度斜拉橋運營性能的評定更加全面。

2 運營性能評定指標及測試技術

2.1 梁體自振頻率

2.1.1 梁體豎向自振頻率

文獻［9］的研究表明：列車對橋梁的豎向強振頻率f強振與動車組列車速度v（km／h）和車輛長度d（m）有關，車輛長度引起的豎向強振頻率為v／3.6d，而列車軸距、定距、兩車相鄰轉向架的中心距由于重復作用不連續，相對處于次要地位。我國CRH動車組列車車輛長度為25 m左右的，其理論強振頻率f強振＝0.011v。

圖1 梁體1階豎向自振頻率與主跨跨度關系圖

文獻［7］研究提出了跨度96 m及以下的混凝土簡支梁豎向自振頻率限值，對于大跨度橋梁結構豎向自振頻率的限值，指出需進行專項研究確定。表4給出了我國部分高速鐵路大跨度斜拉橋1階豎向自振頻率的實測值。實測CRH動車組列車以160～275 km／h通過時，豎向強振頻率在1.7～3.2 Hz之間，與斜拉橋1階豎向自振頻率相差較遠，不會發生共振現象。梁體1階豎向自振頻率通常由主跨控制，分別按照線性、指數、對數和冪回歸等基本回歸類型對梁體1階豎向自振頻率與主跨跨度進行回歸，結果表明，梁體1階豎向自振頻率與主跨跨度成冪函數關系。不同橋梁梁體1階豎向自振頻率與主跨跨度的關系見圖1。按97.5%的保證率對1階豎向自振頻率進行推斷得到頻率的下限值，可作為主跨跨度在430～630 m范圍內的大跨度斜拉橋梁體1階豎向自振頻率的參考值。為便于應用，近似可取1階豎向自振頻率f＝180／L，L為主跨跨度，以m計。

梁體豎向自振頻率可在斜拉橋各跨跨中主桁下弦桿布置振動傳感器，采用環境微振動法（脈動法）測試。測試時，為提高頻率分辨率，采樣頻率建議采用5～10 Hz；采樣時間不宜少于15 min［10］。

表4 高速鐵路斜拉橋實測1階豎向自振頻率［2-6］

2.1.2 梁體橫向自振頻率

車輛蛇行運動、軌道橫向不平順、列車上橋前的橫向振動通常是橋梁橫向振動的激勵源，其中以車輛蛇行運動為主。由于車輪踏面的錐度，且輪緣與鋼軌側面之間有間隙，在車輛沿直線軌道運行時，車輛在水平面內既有橫擺運動，又有搖頭運動，呈現蛇形運動狀態［11-12］。正常的車輛蛇行運動對車輛運行穩定性不構成危害，但當車輛運行速度達到或超過一定的臨界值導致蛇行運動失穩時，會激發起較大幅度的車橋橫向耦合振動。

表5給出了我國部分高速鐵路大跨度斜拉橋橫向自振頻率的實測值。動車組列車以160～275 km／h通過時，實測橫向強振頻率在1.5～3.5 Hz范圍內，與斜拉橋1階橫向自振頻率相差較遠，動車組車輛蛇行運動無法形成橫向共振。

表5 高速鐵路斜拉橋實測橫向自振頻率［2-6］

影響斜拉橋梁體橫向自振頻率的因素較多，主要有斜拉橋主桁結構形式、跨度、主桁桁寬等，研究表明，跨度不變時，橋梁橫向自振頻率隨桁寬的增加而明顯增大［13］。考慮主跨跨度與主桁寬度的影響，分別按照線性、指數、對數和冪回歸等基本回歸類型對梁體1階橫向自振頻率進行回歸，結果表明，梁體1階橫向自振頻率與主跨跨度及主桁寬度基本成冪函數關系。不同橋梁梁體1階橫向自振頻率與主跨跨度及主桁寬度的關系見圖2。按97.5%的保證率對1階橫向自振頻率進行推斷得到頻率的下限值，可作為主跨跨度在430～630 m范圍內的大跨度斜拉橋梁體1階橫向自振頻率的參考值。為便于應用，近似可取1階橫向自振頻率f＝1.3（L／B）－0.6，L為主跨跨度，B為主桁寬度，以米計。

圖2 梁體1階橫向自振頻率與主跨跨度及主桁寬度關系圖

梁體橫向自振頻率測試方法與梁體豎向自振頻率類似，均采用環境微振動法（脈動法）測試。

2.2 梁體豎向剛度

2.2.1 梁體豎向撓跨比

高速鐵路橋梁的設計，一般是通過豎向活載作用下最大撓度或撓跨比的最大限值來保證豎向剛度。文獻［7］研究提出了跨度96 m及以下的混凝土梁豎向撓度限值，對于大跨度橋梁結構豎向撓度的限值，指出需進行專項研究確定。

對于大跨度斜拉橋的豎向撓跨比，世界各國都沒有一個明確的標準，日本在本四聯絡線的柜石島、巖黑島橋設計的豎向撓跨比約為1／400。文獻［14］建議可將豎向撓跨比設計值擬定為1／500～1／800。文獻［15］指出，根據日本和中國已運營的大跨度橋梁的實際情況，撓跨比大于1／400不會影響鐵路行車安全，這需要根據行車穩定性另行制定適合長大跨度橋梁的標準。

表6給出了我國部分高速鐵路大跨度斜拉橋梁體豎向撓跨比的實測值。不同橋梁主跨跨度與實測撓度比值和主跨跨度的關系見圖3。從表6和圖3中可以看出，韓家沱長江雙線大橋主跨跨中撓跨比接近設計值，其余橋梁主跨豎向撓度隨著主跨跨度的增大而增大，所有橋梁主跨跨中撓跨比均小于1／800。對于主跨跨度在430～630 m范圍內的大跨度斜拉橋，1／800可作為斜拉橋主跨跨中撓跨比的參考值。

斜拉橋可采用光電成像法（CCD圖像法）或傾角儀法測試準靜態撓度。光電成像法測試過程中易受下雨、霧天等環境因素的影響，且測試準確度受測試距離的影響較大。傾角儀法測量梁體豎向撓度不需要靜止的參考點，不受橋梁地形條件的限制，但傾角儀的安裝與調試較繁瑣。采用光電成像法時，光學靶標宜布置在斜拉橋主跨跨中主桁下弦桿；采用傾角儀法時，可沿斜拉橋主桁下弦桿等間距布置5個或7個傾角儀［16］。

表6 高速鐵路斜拉橋實測主跨豎向撓跨比［2-6］

圖3 主跨跨度與撓度比值和主跨跨度關系圖

2.2.2 梁端豎向轉角

對于大跨度斜拉橋因其撓度變形曲線較和緩，撓跨比不宜成為主要關注的控制指標［17］，梁端豎向轉角對行車安全和舒適的影響更為顯著，且梁端轉角過大會影響軌道穩定性［18］，導致軌道養護工作量增大。

文獻［7］研究提出了跨度96 m及以下的混凝土梁梁端豎向轉角限值，對于大跨度橋梁結構梁端豎向轉角的限值，指出需進行專項研究確定。

研究表明，通過設置輔助墩可大幅度降低梁端轉角［19］，我國高速鐵路斜拉橋都采用設置輔助墩的形式來減小梁端豎向轉角，表7給出了我國部分高速鐵路大跨度斜拉橋梁端豎向轉角的實測值。從表7中可以看出，主跨跨度相近時，梁端豎向轉角隨著邊跨跨度的增大而減小。除韓家沱長江雙線大橋外，其余橋梁梁端豎向轉角均小于1.0‰，輔助墩的設置使得斜拉橋梁端轉角實測值小于文獻［7］規定的跨度96 m及以下的有砟軌道橋梁梁端豎向轉角2.0‰的限值，能夠保證梁端有砟軌道的穩定性。考慮ZK活載設計時，不同橋梁梁端豎向轉角的平均值為0.72‰，按97.5%的保證率對梁端豎向轉角進行推斷得到轉角的上限值為1.0‰；僅采用中-活載設計時的梁端豎向轉角樣本較少，韓家沱長江雙線大橋的實測值約為考慮ZK活載設計時平均值的1.58倍。考慮ZK活載設計時，建議采用推斷的上限值1.0‰作為斜拉橋梁端豎向轉角的參考值；僅采用中-活載設計時，可考慮將1.5‰作為斜拉橋梁端豎向轉角的參考值。

表7 高速鐵路斜拉橋實測梁端豎向轉角［2-6］

斜拉橋梁端豎向轉角建議采用傾角儀直接測量，梁端豎向轉角測點應布置在靠近梁端支座處的主桁下弦桿。

2.3 動力響應

2.3.1 豎向動力響應

（1）豎向振幅

圖4給出了合福鐵路銅陵公鐵兩用長江大橋（90＋240＋630＋240＋90）m鋼桁梁斜拉橋630 m主跨在CRH2C動車組列車單線運行時的跨中主桁下弦桿豎向振幅與行車速度關系圖［6］。從圖中可以看出，梁體跨中豎向振幅隨著行車速度的提高而增大。

對于大跨度斜拉橋，由于線路等級、跨度等的差異，不同橋梁實測梁體跨中豎向振幅差別較大，運營性能測試時，應注意保存首次運營性能試驗的數據，以便在后續的本橋試驗中對比分析。

圖4 銅陵長江大橋鋼桁梁斜拉橋630m跨跨中主桁下弦桿豎向振幅與行車速度關系圖

斜拉橋豎向振幅宜選用速度型傳感器通過積分轉換進行測量，傳感器的頻響下限應能涵蓋梁體1階豎向自振頻率。傳感器布置時，通常需要在斜拉橋各跨橫斷面靠近行車側跨中主桁下弦桿安裝傳感器，必要時，在各跨跨中多片主桁下弦桿均安裝傳感器。斜拉橋豎向振幅所關注的信號最高頻率一般不大于50 Hz，測試時，采樣頻率不宜低于300 Hz。

（2）動力系數

橋梁結構的動力系數一般從動撓度、動應變實測波形分析計算獲得。受測試條件限制，斜拉橋一般僅測試應變動力系數。CRH動車組列車單線運行時，我國部分高速鐵路大跨度斜拉橋跨中主桁下弦桿、斜桿和端橫梁實測應變動力系數最大值見表8。從表中可以看出，承受局部活載的桿件動力系數實測值大于整體受力桿件動力系數實測值；由于線路等級等方面的差異，動力系數實測值差別較大。運營性能測試時，應注意保存首次運營性能試驗的數據，以便在后續的本橋試驗中對比分析。

斜拉橋桿件應變可采用應變片測試。應變片的安裝方向應與所需測試的桿件受力方向一致，通常需要在斜拉橋靠近行車側跨中主桁下弦桿、斜桿和端橫梁等位置粘貼應變片，并采取有效的應變片防水、防潮、防塵措施，同時應將采集設備正確可靠接地以消除橋上50 Hz的工頻干擾，采樣頻率不宜低于100 Hz。

表8 高速鐵路斜拉橋實測應變動力系數最大值［2-6］

（3）豎向振動加速度

歐盟的研究表明，列車通過時，有砟橋面20 Hz以內的豎向振動加速度在0.35g及以下時，可保證橋上道床的穩定性。文獻［7］引用歐盟的研究成果作為跨度96 m及以下的混凝土梁豎向振動加速度限值。對于大跨度斜拉橋，通常參考文獻［7］，對豎向振動加速度進行20 Hz低通濾波。圖5給出了合福鐵路銅陵公鐵兩用長江大橋（90＋240＋630＋240＋90）m鋼桁梁斜拉橋630 m主跨在CRH2C動車組列車單線運行時的跨中主桁下弦桿豎向振動加速度與行車速度關系圖［6］。從圖中可以看出，梁體跨中豎向振動加速度與行車速度的關系不明顯。

圖5 銅陵長江大橋鋼桁梁斜拉橋630m跨跨中主桁下弦桿豎向振動加速度與行車速度關系圖

對于大跨度斜拉橋，由于線路等級、跨度等的差異，不同橋梁實測梁體跨中豎向振動加速度差別較大，運營性能測試時，應注意保存首次運營性能試驗的數據，以便在后續的本橋試驗中對比分析。

斜拉橋豎向振動加速度宜選用加速度型傳感器直接測量，傳感器的頻響下限應能涵蓋梁體1階豎向自振頻率。傳感器布置時，通常需要在斜拉橋各跨橫斷面靠近行車側跨中主桁下弦桿安裝傳感器，必要時，在各跨跨中多片主桁下弦桿均安裝傳感器。測試時，采樣頻率不宜低于300 Hz。

（4）端橫梁動撓度

端橫梁的撓度過大，列車在進入或離開時，會在梁體部位產生錯位，影響乘坐舒適性。日本《鐵路結構物設計標準及解釋——變位限制》規定新干線鐵路端橫梁的拼接縱梁位置處的撓度限值為2 mm。CRH動車組列車單線運行時，我國部分高速鐵路大跨度斜拉橋端橫梁動撓度的實測值見表9。從表9中可以看出，實測值均小于日本規范規定的2 mm限值。按97.5%的保證率對端橫梁動撓度的實測值進行推斷得到端橫梁動撓度的上限值0.5 mm，可作為主跨跨度在430～630 m范圍內的大跨度斜拉橋在單線CRH動車組列車運行時端橫梁動撓度實測值的參考值。

斜拉橋端橫梁動撓度可采用位移計法測試。位移計指針應與測試橋梁變形方向一致。斜拉橋端橫梁豎向動撓度測點宜布置在行車側內側鋼軌處下方。測試時，采樣頻率不宜低于100 Hz。

表9 高速鐵路斜拉橋實測端橫梁動撓度［2-6］

2.3.2 橫向動力響應

（1）梁體橫向振幅

圖6給出了合福鐵路銅陵公鐵兩用長江大橋（90＋240＋630＋240＋90）m鋼桁梁斜拉橋630 m主跨在CRH2C動車組列車單線運行時的跨中主桁下弦桿橫向振幅與行車速度關系圖［6］。從圖中可以看出，梁體跨中橫向振幅與行車速度的關系不明顯。

圖6 銅陵長江大橋鋼桁梁斜拉橋630m跨跨中主桁下弦桿橫向振幅與行車速度關系圖

對于大跨度斜拉橋，由于線路等級、跨度等差異，不同橋梁實測梁體跨中橫向振幅差別較大，運營性能測試時，應注意保存首次運營性能試驗的數據，以便在后續的本橋試驗中對比分析。

斜拉橋橫向振幅宜選用速度型傳感器通過積分轉換進行測量，傳感器的頻響下限應能涵蓋梁體1階橫向自振頻率。傳感器布置時，通常需要在斜拉橋各跨橫斷面靠近行車側跨中主桁下弦桿安裝傳感器，必要時，在各跨跨中多片主桁下弦桿均安裝傳感器。斜拉橋橫向振幅所關注的信號最高頻率一般不大于50 Hz，測試時，采樣頻率不宜低于300 Hz。

（2）橋墩橫向振幅

高速鐵路斜拉橋橋墩多采用圓端型橋墩，由于主桁橫寬較大，部分斜拉橋橋墩墩身橫向寬度大于橋墩全高，如武漢天興洲公鐵兩用長江大橋5＃墩墩身橫向寬度為34 m，橋墩全高僅28.8 m，橋墩橫向剛度大于斜拉橋主桁的橫向剛度，單線CRH380A動車組列車作用下，實測武漢天興洲公鐵兩用長江大橋5＃墩橫向振幅最大值僅為0.02 mm［3］，橋墩橫向振幅非斜拉橋橫向動力響應的控制因素。

運營性能測試時，對于斜拉橋橋墩橫向振幅可根據需要選測。橋墩橫向振幅的測試與梁體橫向振幅測試類似，傳感器宜布置在橋墩墩頂橫截面中心位置處，采樣頻率一般不宜低于300 Hz。

2.4 動車組列車通過橋梁的穩定性和平穩性

2.4.1 穩定性

如前所述，穩定性指標包括輪重減載率ΔP／ˉP、脫軌系數Q／P、輪軸橫向力H。我國TB 10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》規定的車輛動力學穩定性評判標準［20］，見表10。

穩定性指標通常需要對動車組列車換裝測力輪對進行測試，大跨度斜拉橋運營性能檢定中建議采用綜合檢測列車進行試驗，以更方便的開展車輛動力學測試。

表10 穩定性評判標準

2.4.2 平穩性

我國高速鐵路大跨度斜拉橋設計速度一般為200 km／h及以上，文獻［20］規定250 km／h高速鐵路橋梁當橋長大于1 250 m時，動車組列車通過橋梁區段時，車輛動力學測試得到的平穩性指標應達到表11中“良好”及以上標準；當橋長不大于1 250 m時，動車組列車通過橋梁區段時的車體垂向加速度（20 Hz低通）不應大于1.0 m／s2，車體橫向加速度（10 Hz低通）不應大于0.6 m／s2。

表11 平穩性指標（W）評判標準

平穩性指標通常需要在動車組列車車體安裝加速度傳感器進行測試，大跨度斜拉橋運營性能檢定中建議采用綜合檢測列車進行試驗，以更方便的開展車輛平穩性測試。

3 結論

本文基于近年來我國高速鐵路大跨度斜拉橋動力性能測試實踐和試驗數據，探討高速鐵路大跨度斜拉橋運營性能檢定技術：

（1）提出了高速鐵路大跨度斜拉橋運營性能評定的主要技術參數。

（2）分析提出了梁體自振頻率參考值，對于主跨跨度在430～630 m范圍內的大跨度斜拉橋，梁體1階豎向自振頻率參考值建議采用190／L；梁體1階橫向自振頻率建議采用1.3（L／B）－0.6，L為主跨跨度，B為主桁寬度。

（3）分析提出了梁體豎剛度參考值，對于主跨跨度在430～630 m范圍內的大跨度斜拉橋，主跨跨中撓跨比參考值建議采用1／800；考慮ZK活載設計時，斜拉橋梁端豎向轉角的參考值建議采用1.0‰，僅采用中-活載設計時，梁端豎向轉角的參考值建議采用1.5‰。

（4）建議保存首次運營性能試驗的數據，以便在后續的本橋試驗中對比分析。

（5）給出了不同檢定參數的測試方法建議。

研究成果為試驗人員開展高速鐵路大跨度斜拉橋運營性能檢定工作提供了技術支撐，但我國高速鐵路大跨度斜拉橋數量相對較少，其運營性能試驗數據需要進一步積累，以形成適合于我國高速鐵路大跨度斜拉橋運營性能評估標準，更好的指導高速鐵路大跨度斜拉橋的運營維護。

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