地震作用下高速鐵路橋梁動力響應試驗分析

孟 鑫，劉鵬輝，王 巍，王一干，董振升，楊宜謙

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081）

引言

地震是一種突發的地殼劇烈運動，因地震而毀壞的橋梁數量遠遠多于由風振、船撞等其他原因而破壞的橋梁［1-3］。中國規劃的“四縱四橫”客運專線大多處于地震區，高速鐵路橋梁抗震性能、地震預警研究是近年來的熱點問題。

文獻［1-3］利用有限元軟件建立了車輛-軌道-橋梁（路基、接觸網立柱、聲屏障）耦合系統動力學模型，研究地震時列車的運行安全性，得到了高速鐵路地震預警系統的報警閾值，探討了地震發生時高速列車在橋上安全運行的臨界速度問題。馬莉等［4］確定了中國高速鐵路地震預警方法、搭建了地震監測臺站及鐵路局中心系統，將鐵路沿線的地震監測臺站和地方臺站的預警信息進行融合，提高沿線臺站P波預警的準確性和時效性，并在大西高速綜合試驗中進行了歷時兩年的現場試驗。余志武等［5］針對多動力（列車、地震、側風）作用下高速列車-軌道-橋梁系統動力學理論與關鍵技術開展了模型試驗、現場測試、理論分析與數值仿真，提出基于概率密度演化理論的多動力作用下軌道-橋梁系統隨機振動分析方法和基于可靠度理論的橋上行車安全評定方法，研發了高速鐵路軌道-橋梁系統試驗平臺和成套試驗技術，提出高速鐵路軌道-橋梁系統抗震設防、防風設計理念和評估方法，并研發了抗震防風及減災技術。由于地震的偶發性，地震作用下橋梁動力響應研究多以仿真計算、室內振動臺試驗的方法為主，實橋現場試驗數據較少。在某高速鐵路聯調聯試橋梁動力性能測試期間，發生了“九寨溝地震（7.0級）”，橋梁測點完整記錄了地震作用下橋梁動力響應實測數據。分析研究各類試驗數據，可得到真實的橋梁動力響應特征，可為橋梁抗震計算、橋梁運營性能評估和鐵路地震預警提供參考。

1 試驗概況

2017年8月8日21時19分，四川省 阿壩州 九寨溝縣發了7.0級地震。據國家強震動臺網中心測定，震中位于北緯33.20°、東經103.82°，震源深度20 km［6］。橋 址 距 離 震 中 約195 km，位 于 北 緯32.50°、東經105.85°。橋址周邊分布有3個強震動觀測臺站，國家強震動臺網中心發布的地震記錄分析如表1所示，由地震觀測儀器獲取的地震烈度最大值為4.0。

表1 九寨溝地震強震動記錄Tab.1 Seismic station records of Jiuzhaigou earthquake

某高速鐵路設計速度為250 km/h，橋梁采用ZK活載設計。聯調聯試橋梁動力性能測試了24 m簡支箱梁、32 m簡支箱梁和（76+144+76）m連續箱梁。簡支箱梁采用通橋（2009）2229系列梁圖，大跨度連續箱梁特殊設計。橋梁支座采用球型鋼支座。橋墩主要采用圓端形墩，嵌巖樁基礎，地質條件為弱風化的白云質灰巖。橋上采用CRTS-I型雙塊式無砟軌道，直線、平坡。試驗橋梁概況及測點布置如表2和圖1所示。橋梁設計地震參數取值：地震動峰值加速度為0.1g（相當于地震基本烈度七度），地震動反應譜特征周期為0.45 s。

圖1 橋梁結構形式及動力響應測點布置示意圖Fig.1 Bridge structure and dynamic response test points layout

表2 試驗橋梁概況Tab.2 Basic information of the test bridge

采用891-II型傳感器，采集橋梁跨中截面橋面頂板的振動信號，用硬件積分將速度信號轉換為振幅，傳感器通頻帶2-100 Hz。加速度通頻帶0.5-80 Hz，按照規范要求采用20 Hz低通數字濾波后取值。橋梁撓度測試采用位移計法，由梁體底板吊錘至地面。梁體底板應變采用弓式應變計測試。

高速鐵路聯調聯試期間，在橋梁上布置了大量試驗測點，完整記錄了地震作用下橋梁動力響應實測數據。橋梁動力性能測試內容包括：結構振動（梁體橫向和豎向振幅、梁體橫向和豎向加速度、墩頂橫向振幅）、結構動位移（梁體豎向撓度、墩梁橫向位移、梁縫橫向位移、梁端豎向轉角）、結構動應變等。振動測點采用891-II型傳感器，應變采用弓式應變計，位移測點采用差動式位移計等。各類傳感器與橋梁結構緊密連接，真實反映橋梁結構的動力響應。

2 地震作用下橋梁結構振動響應特征

2.1 結構振動及地震預警時間

地震產生的多種地震波中，主要有質點運動方向與波動方向平行的P波（壓縮波）、質點運動方向與波動方向垂直的S波（剪切波）。P波傳播速度較快（約為5.5-7 km/s），但振動強度較弱，一般不會造成破壞性后果；S波傳播速度較慢（3.2-4 km/s），但振動強度大，是造成破壞性后果的主要原因［7-9］。

地震作用下實測橋梁結構梁體跨中的橫向、豎向振動響應典型時域波形如圖2所示。P波、S波作用下橋梁結構動力響應波形特征、數值大小區分明顯。不同形式的孔跨結構在地震P波作用下，振動響應變化趨勢均較為平緩，數值較小。在S波作用下橋梁結構響應迅速增大，振動響應最大值約為P波作用下的2-5倍。S波作用（約20 s）結束后，橋梁結構進入較長時間的自由振動衰減，直至相對靜止。綜合各類測試數據判斷，距離震中195 km的橋梁結構處于彈性工作狀態。

圖2 地震作用下梁體跨中振動響應典型時域波形Fig.2 Typical time domain waveform of vibration response of bridge structure under earthquake action

地震預警基于P波傳播速度比S波快（約為3倍）的原理而提出的［8］。橋址處P波到達時間與S波到達時間間隔約為25.5 s，橋址距震中約195 km，假定P波波速是S波波速的3倍，推算得到P波波速約為5.60 km/s，S波波速約為3.23 km/s，P波抵達橋址時間約為34.8 s。假定數據分析和信息傳遞時間為10 s，如鐵路地震預警系統與“國家強震動臺網中心”信息融合后，距震中195 km橋址處“異地震前預警”時間約為50 s，如僅在高速鐵路沿線布設監測點，“現地地震P波預警”時間約為15 s。

2.2 橋梁結構振動頻譜分析

地震作用下橋梁結構動力響應是對不同頻率振動分量響應的疊加，地震波中與結構固有頻率接近的諧波分量會被放大，其余頻率諧波分量將保持原有作用或者被抑制［7-9］。對不同測點位置的橋梁結構動力響應時域波形進行傅里葉變換，頻譜分析結果如圖3所示。

圖3 地震作用下橋梁結構動力響應幅值譜圖Fig.3 Typical frequency domain waveform of vibration response of bridge structure under earthquake action

振動在傳播過程中高頻成分衰減快于低頻成分。對橋梁結構振動響應的頻譜分析可知，振動峰值集中在1.1-1.7 Hz區段，與橋梁結構較小數值的自振頻率吻合。墩高36.5 m的3#橋墩橫向自振頻率為1.61 Hz，（76+144+76）m連續箱梁橫向和豎向第1階自振頻率為1.22和1.46 Hz。橋梁結構以低頻橫向振動為主，橫向振動數值大于豎向。

由于高速鐵路24，32 m簡支箱梁橫向自振頻率一般大于20 Hz，地震作用下簡支箱梁橫向振動響應以較低頻率的橋墩振動為主；24，32 m簡支箱梁豎向自振頻率為5.42，10 Hz，實測豎向自振頻率處的振動響應雖然有峰值但數值較小。地震作用下（76+144+76）m連續箱梁橫向振動表現為橋墩和梁體的耦合振動，橋墩橫向振動幅值大于76 m邊跨跨中梁體，144 m中跨跨中橫向振動梁體幅值大于橋墩；豎向振動以連續箱梁1階自振頻率為主。地震作用下不同墩高的橋墩橫向振動以3#墩（墩高最高）的自振頻率為主。

2.3 橋梁結構振動時域分析

橋梁結構由不同跨度箱梁、不同高度橋墩組成。將橋梁不同位置處的實測波形進行局部放大并疊加，進行時域分析，可得到結構在地震作用下整體振動特征，如圖4所示。

圖4 地震作用下橋梁結構振動響應時域波形Fig.4 Typical time domain waveform of vibration response of bridge under earthquake action

地震作用下橋梁結構以整體橫向振動為主，各孔箱梁、橋墩運動方向一致。振動幅值大小依次為：墩高36.5 m的3#墩振動幅值最大，32 m梁和76 m邊跨幅值接近且小于3#墩，墩高25 m的2#墩次之，144 m中跨的墩梁耦合振動特征明顯，24 m梁幅值最小。

連續箱梁的豎向振動幅值大于簡支梁，邊跨與中跨的振動方向相反，與連續箱梁1階振型一致。

3 地震與動車作用下橋梁動力響應數據分析

地震波由橋墩經支座傳遞至梁體，進而影響橋上軌道結構的穩定性；動車作用由軌道結構傳遞至梁體，經支座傳遞至橋墩，二者的作用路徑相反。橋梁的設計荷載包括了列車活載和地震力特殊荷載，分析橋梁結構振動、位移、應變實測數據，可得到兩種荷載作用下的橋梁工作狀態對比。

3.1 橋梁振動響應對比

地震與動車作用下的橋梁振動響應實測數值如表3所示。高速鐵路聯調聯試期間，橋上運行的試驗動車為CRH380AJ-0203綜合檢測列車，平均軸重12.85 t，試驗速度范圍180-275 km/h。地震發生前后的橋梁動力響應數據均來自同一列動車。

表3 地震與動車作用下橋梁振動響應最大值對比Tab.3 Maximum comparison of bridge vibration response under seismic action and multiple unit train action

地震作用下橋梁結構橫向振幅數值遠大于動車作用，墩高36.5 m的3#橋墩墩頂橫向振幅差異最為顯著，最大值為1.29 mm，幅值比約為43倍；76 m邊跨跨中梁體橫向振動幅值比約為18倍。由于動車質量較小、激勵能量有限，橋上正線輪軸橫向力實測值小于17 kN，實測各梁型梁體及橋墩橫向動力響應數值均較小。大跨度橋梁橋上存在多節車輛，各節車輛之間的振動相位不同而被相互抵消，且連續箱梁質量較大，實測大跨度連續箱梁橫向振動數值小于簡支箱梁。

地震作用下梁體豎向振幅與橋梁跨度呈正相關，144 m連續箱梁中跨豎向振幅數值最大，為0.80 mm。動車作用下梁體豎向振幅與梁體豎向下撓同時發生，剛度相對較小的連續箱梁豎向振幅小于簡支梁。動車作用下24，32 m簡支箱梁跨中豎向振幅略大于地震作用。連續箱梁跨中豎向振幅動車作用小于地震作用，76 m邊跨幅值比約為2.5倍，144 m中跨幅值比約為6.1倍。

實測動車組列車作用下的梁體橫向和豎向加速度均大于地震作用。動車作用下橫向和豎向加速度最大值為0.26和1.42 m/s2，地震作用下橫向和豎向加速度最大值為0.15和0.19 m/s2。

3.2 橋梁其他參數對比

地震與動車作用下橋梁位移、應變、撓度最大值對比如表4所示。地震作用下的實測數值小于動車作用，說明橋梁梁體位移、應變、撓度參數相對于振動參數而言，對地震響應不敏感。地震發生前后，橋梁結構無殘余變形，處于彈性工作狀態。

表4 地震與動車作用下橋梁位移、應變、撓度最大值對比Tab.4 Maximum comparison of bridge displacement，strain and deflection under seismic action and multiple unit train action

由上節振動響應數據可知，動車作用下的橫向振動小于地震作用，但地震作用下橋梁結構以整體橫向振動為主，實測橋墩與梁體、橋面梁縫橫向相對位移數值均較小，且與動車作用接近。實測動車組列車作用下的縱向梁體應變、梁體豎向撓度大于地震作用，與振動響應規律一致。

3.3 橋墩振動狀態分析

由3.1節橋梁振動響應對比分析可知，地震作用下墩高36.5 m的3#橋墩橫向振動占據主導地位，墩頂橫向振幅最大值為1.29 mm，動車作用下的墩頂橫向振幅最大值僅為0.03 mm，二者幅值比約為43倍。3#橋墩支撐的32 m梁、76 m梁跨中橫向振幅數值同樣較大，與動車組作用最大值幅值比約為9倍、18倍。速度為275 km/h的動車作用下橋墩振動響應時域波形及幅值譜如圖5所示。

圖5 動車作用下橋墩振動響應時域波形及幅值譜圖Fig.5 Waveforms of pier vibration response in time domain and frequency domain under multiple unit train action

由實測數值、振動時域波形、幅值譜圖對比分析可知，橋墩在地震和動車兩種荷載作用下的工作狀態差異明顯。地震作用下橋墩以1階自振頻率、整體振動為主，橫向振幅數值較大。動車作用下橋墩以列車強振頻率、局部振動為主，橫向振幅數值較小。列車對橋梁的強振頻率主要取決于列車速度和車輛長度［10-12］。

3.4 地震前、后橋梁振動狀態對比

高速鐵路橋梁需要控制動車作用下的梁體豎向振動加速度、橫向和豎向振幅等動力響應參數，以保證橋上軌道結構的穩定性［10-12］。將地震發生前后、動車作用下橋梁振動參數進行對比，判斷橋梁工作狀態有無異常，是否滿足運營要求。

以連續箱梁76 m邊跨和3#橋墩為例，不同速度動車作用下實測梁體和橋墩振動數值如圖6-9所示，豎向加速度按照規范要求采用20 Hz低通數字濾波。從整體趨勢看，梁體和橋墩動力響應數值隨行車速度的提高緩慢增大，由于軌道不平順狀態、車輛狀態和車速等因素的綜合影響，動力響應實測值存在一定的離散性。對比地震發生前后梁體和橋墩動力響應數值可知，不同車速動車作用下的梁體振動趨勢一致、數值大小相當。

圖6 梁體橫向振幅與行車速度關系圖Fig.6 Relationship diagram of beam body lateral amplitude and train speed

另外，通過對地震發生前后橋梁結構自振頻率、動車作用下撓跨比和梁端豎向轉角等參數進行對比可知，該處橋梁結構工作狀態無異常變化，能夠滿足運營要求。地震前后橋梁自振頻率幅值譜如圖10所示，圖中不同顏色為地震前后不同時間采集波形的分析結果。

圖7 梁體豎向振幅與行車速度關系圖Fig.7 Relationship diagram of beam body vertical amplitude and train speed

圖8 梁體豎向加速度與行車速度關系圖（20 Hz濾波）Fig.8 Relationship diagram of beam body vertical acceleration and train speed（20 Hz filtering）

圖10 地震前后橋梁自振頻率幅值譜圖Fig.10 Natural frequency of bridge structure before and after the earthquake

4 結論

地震作用下高速鐵路橋梁動力響應實測試驗數據稀少，通過對地震作用下的高速鐵路橋梁結構動力響應特征及地震預警時間進行分析，并將地震作用下和動車作用下的實測數據進行時域和頻域對比，得出如下結論：

（1）地震S波作用下橋梁結構動力響應迅速增大，最大值約為P波作用下的2-5倍，P波作用下橋梁結構動力響應變化趨勢較為平緩。距震中195 km橋址處“異地震前預警”時間約為50 s，“現地地震P波預警”時間約為15 s。

（2）地震作用下橋梁結構以高墩的低頻、整體橫向振動為主，橫向振動數值大于豎向。連續箱梁橫向振動表現為橋墩和梁體的耦合振動。梁體豎向振動以結構自振頻率為主。動車作用下橋梁以列車強振頻率、局部振動為主。

（3）地震作用下橋梁結構橫向振幅數值遠大于動車作用，墩頂橫向振幅最大幅值比約為43倍，梁體跨中橫向振動最大幅值比約為18倍。地震作用下梁體豎向振幅與橋梁跨度呈正相關，動車作用下的簡支梁豎向振幅略大于地震作用，動車作用下的連續豎向振幅小于地震作用。實測動車組列車作用下的梁體橫向和豎向加速度均大于地震作用。應變、位移等參數相對于振動參數而言，對地震響應不敏感。

（4）距離震中約195 km高速鐵路橋梁，將地震發生前后、動車作用下的橋梁振動參數進行對比，試驗數據表明該處橋梁結構工作狀態無異常變化，能夠滿足運營要求。