列車振動對斜拉橋最大懸臂狀態影響分析

付睿

摘? 要：斜拉橋具有跨越能力大的優點，在轉體施工需要跨越鐵路線時有較多應用。但轉體施工過程中受到諸多環境因素影響，如列車經過時引起的振動會影響斜拉橋整體穩定。本文結合斜拉橋轉體施工工程實例，實地測量振動響應，建立Midas模型，對最大懸臂狀態下斜拉橋進行計算分析，研究在列車振動作用下，轉體斜拉橋的振動響應規律，希望對類似工程有一定的參考價值。

關鍵詞：斜拉橋? 水平轉體? 列車振動? 穩定性? 姿態監控

中圖分類號：U448.27 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）04（c）-0069-04

Influence of Train Vibration on Maximum Cantilever State of Cable Stayed Bridge

FU Rui

（Tiezheng Testing Technology Co.， Ltd.， Jinan， Henan Province， 250014 China）

Abstract： Cable stayed bridges have the advantage of large crossing capacity， and it is widely used when the swivel construction needs to cross the railway line. But in the process of swivel construction， it is affected by many environmental factors， such as the vibration caused by the train passing， which will affect the overall stability of the cable-stayed bridge. In this paper， combined with the cable-stayed bridge swivel construction engineering example， field measurement of vibration response， the establishment of MIDAS model analysis， calculation and analysis of the cable-stayed bridge under the maximum cantilever state， study the vibration response law of the swivel cable-stayed bridge under the action of train vibration， hoping to have a certain reference value for similar projects.

Key Words： Cable stayed bridge; Horizontal swivel; Train vibration; Stability; Attitude monitoring

斜拉橋轉體施工過程中，受所用設備影響、風載影響、列車經過引起的振動等環境影響[1]。當橋梁處在不穩定平衡狀態時，應有效控制環境影響，避免發生嚴重的工程事故[2]。當斜拉橋處于最大懸臂狀態時，列車振動對橋梁結構的影響達到最大[3]。本文以上跨鐵路立交斜拉橋工程為背景，研究列車經過引起的振動對轉體斜拉橋最大懸臂狀態的響應規律。

1? 橋梁概況

本工程項目引橋共893m，主橋橋梁寬度為33.0 m，標準段橋梁寬度為23.0m，橋面和結構布置形式應用整幅式。此橋梁孔跨布置為“（3×30）m+（3×27）m+（76+150+76）m”的轉體斜拉橋，主梁應用變截面混凝土預應力箱梁。

2? 計算模型及原理

2.1 現場振動測點布置

在橋墩至鐵路線路3處布置加速度傳感器，采集列車經過時引起的振動時程曲線。分析不同速度、不同列車引起振動的大小及振動衰減規律。

振動測試采用水平、橫向和豎向加速度傳感器，布置位置如圖1所示。

2.2 有限元計算模型

采用有限元軟件Midas建立橋梁計算模型，應用節點6個自由度的梁體單元模擬主梁，采用土彈簧模擬樁—土效應。有限元的計算模型如圖2所示。

3? 計算結果分析

3.1 計算參數

本斜拉橋在轉體施工前處在最大懸臂無支撐狀態，此時全部轉體重量全部作用于轉體支座[4]。摩阻力的力臂長度1.33m，靜摩擦系數取值0.05，計算得到靜摩擦力為F=W×μ=10265kN，轉動力矩為M=2/3×（R·W·μ）/D=13686.76 kN·m，應用m法計算等代土彈簧剛度。

3.2 模態分析

斜拉橋轉提前從拆除支架后，一段時間處于最大懸臂狀態。研究列車經過時引起的振動效應，需要對拆除支架后最大懸臂斜拉橋進行自振模態分析[5]。該斜拉橋在最大懸臂狀態時，前4階模態頻率見表1。一階與二階振型模態如圖3、圖4所示。

3.3 穩定性分析

本文應用現場采集既有加速度時程與時程分析方法，對該橋梁工程應用Midas/Civil軟件進行分析。主要分析在最大懸臂狀態時，列車振動對轉體斜拉橋的影響[6]。對實測振動數據進行分析后，選擇振動效果明顯的4趟列車數據進行分析，如表2所示。

通過對表2中數據記錄進行分析，可以得到振動作用下的最大轉動力矩，如表3所示。

以上數據及分析表明，該斜拉橋轉體最大懸臂狀態下，受到列車振動影響較小，不會引起球鉸的轉動，故該轉體橋梁處于穩定安全狀態。

3.4 動力響應分析

通過實測最大懸臂端的位移和加速度，與軟件計算得出的數據進行分析。利用Newmark法分析梁端的位移與加速度。實測時程曲線作用下梁端的最大、最小加速度與位移見表4。

通過拾振器測試該橋梁最大懸臂端位置的位移與加速度見表5。

分析振動參數數據，絕對最大值小于1mm;加速度絕對最大值比規定值4.9要小，故該橋梁處在安全狀態。實測最大振幅及加速度值與理論值相差較小，所以分析計算的結果可以作為判定振動對該橋梁穩定性影響的依據。

在4條時程作用下的應力分析結果對比如圖6，該橋梁應力均在限值以內，故結構處在安全狀態下。列車振動對該橋梁的應力影響約為1%，影響很小，故可以不予考慮。

5? 結論

以斜拉橋轉體工程為背景，建立斜拉橋轉體前最大懸臂狀態實體模型，分析列車經過引起振動對斜拉橋的動力穩定性，得到結論如下。

（1）斜拉橋轉體結構的主要振型為繞轉盤轉動，在列車經過引起的振動作用下可能發生，轉體施工監控有必要考慮。

（2）現場實測列車振動數據，經過建模分析，振動引起的轉動力矩小于該橋梁的摩阻力矩，所以不會產生轉動失穩現象。

（3）對轉體斜拉橋進行了振動響應分析，得到最大懸臂端振幅、加速度和梁體應力均小于限值，所以在列車振動作用下該橋梁處于安全狀態。

本文在轉體穩定性、轉體監控等方面對斜拉橋轉體進行了詳細的闡述，希望能對相似工程的質量保障提供幫助。

參考文獻

[1] Bucinskas Paulius，Ntotsios Evangelos，Thompson David J.，Andersen Lars V.. Modelling train-induced vibration of structures using a mixed-frame-of-reference approach[J]. Journal of Sound and Vibration，2021，491.

[2] 徐光政.淺析公鐵交叉轉體跨越涉路施工安全技術評價[J].公路，2016（5）：109-115.

[3] 魏龍.地鐵列車運行誘發的振動對環境的影響研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2016.

[4] 李平，羅信偉.高速列車誘發橋隧段線路振動特性試驗研究[J].鐵道建筑，2019，59（4）：148-151，156.

[5] Li Yixian，Zhu Ledong，Qian Cheng，Jian Xudong，Sun Limin. The time-varying modal information of a cable-stayed bridge： Some consideration for SHM[J]. Engineering Structures，2021，235.

[6] Wei Biao，Hu Zhangliang，He Xuhui，Jiang Lizhong.System-based probabilistic evaluation of longitudinal seismic control for a cable-stayed bridge with three super-tall towers[J].Engineering Structures，2021，229.