新建高鐵橋梁動力性能檢測技術

王宜航，孟濤，井一鳴，魏顯品

（1.中國鐵路濟南局集團有限公司 兗州工務段，山東 濟寧 272100；2.中國鐵路濟南局集團有限公司 科技和信息化部，山東 濟南 250000）

0 引言

橋梁作為承載列車運行的基礎設施，其動力學狀態以及在列車處于運行工況的動力學響應是保證線路長期服役安全的重要保障［1］。近年來，國內外專家學者針對高鐵橋梁動力性能進行了大量研究，并取得了一些重要成果。胡希冀［2］對高速列車作用下的簡支梁和連續梁在不同工況下的動力性能進行分析，得出了橋梁結構豎向動撓度、加速度和結構阻尼比、結構剛度之間存在非線性關系。楊宜謙等［3］對遂渝鐵路常用跨度無軌道橋梁進行動力性能試驗，得出24、32 m箱梁能夠滿足CRH2型動車組和120 km/h速度等級試驗貨物列車通過時的安全性要求，梁體橫、豎向自振頻率滿足有關規范要求。李志明等［4］以滬昆高鐵某三孔32 m標準跨徑預應力簡支箱梁為研究對象，研究了無砟軌道-橋梁各結構層在不同行車速度下的動力響應規律及軌道結構-橋面協調變形特性。陳緒黎等［5］采用車-橋耦合振動方法，分析了車輛編組、車輛載重、車速3種車輛因素和橋型、跨度、橋梁豎向基頻3種橋梁結構因素對400 km/h高速鐵路橋梁動力系數的影響。耿方方等［6］基于大勝關大橋主梁橫向加速度監測數據，采用主成分分析方法建立了高速鐵路橋梁動力性能異常預警方法。由于針對新建高鐵橋梁動力性能檢測技術方面研究較少，且無標準化、規范化的試驗方法和測試流程可循，因此，進行動力性能試驗，實測橋梁結構受力狀態及動力特征，對于驗證結構設計理論和工程質量、完善高鐵橋梁動力性能檢測技術體系具有重要意義。

1 概況

1.1 工程概況

新建京沈高鐵北京朝陽—承德南段正線特大橋、大橋、中橋共計46座，橋梁總長70.434 km，占線路總長的36.83%。橋梁采用ZK活載設計，梁體混凝土強度等級C50，為單箱單室等高度簡支箱梁，橫橋向支座中心距4.5 m，箱梁截面中心線處高度3.05 m，梁端頂板、底板及腹板局部加厚。橋跨一般以32 m簡支箱梁為主，按等跨方式布置，采用24 m簡支箱梁調整孔跨，跨高速公路、城市道路、河流等的主橋采用特殊結構，主要有跨承唐高速公路大橋（115+95）m矮塔斜拉橋等。鐵路簡支梁球形鋼支座（TJQZ—8360）用于簡支梁，大噸位球型鋼支座（TJQZ—通橋8361）或雙曲面球型減隔震支座（KZQZ）用于連續梁及特殊大跨橋梁。橋墩一般采用圓端形實體墩或圓端形空心墩，一字型橋臺用于雙線預應力混凝土簡支箱梁。

1.2 工點選擇

根據橋梁分布情況，結合代表性橋梁動態檢測原則，選取順義特大橋32 m簡支箱梁、白河特大橋32 m簡支箱梁、跨承唐高速（115+95）m矮塔斜拉橋3座典型橋梁作為檢測工點。其中，跨承唐高速大橋（115+95）m預應力混凝土矮塔斜拉T構為本線橋梁控制性工程，且處于350 km/h區段。試驗動車組為CRH380AJ-0201綜合檢測列車。橋梁現場實況見圖1，動態檢測工點見表1。

圖1 橋梁現場實況

表1 橋梁動態檢測工點

2 檢測內容

在動車組以規定速度運行通過橋梁結構時，為確保動車組能夠平穩運行，不發生劇烈振動，滿足乘坐舒適和軌道狀態等要求，新建高鐵橋梁應具備足夠剛度［7］。需要對梁體豎向振動、橫向振動、振動加速度等方面進行測試，以確保新建高鐵橋梁橫豎向剛度符合相關規范和設計文件要求，滿足動車組列車以350 km/h及以下速度運行時相關標準要求。動態檢測內容［8］見圖2。

圖2 新建高鐵橋梁動態檢測內容

3 檢測方法及測試流程

3.1 測點布置

依據現場橋梁分布狀況及測點選取原則，結合設計資料，測點布置示意見圖3。其中，順義特大橋32 m簡支箱梁、白河特大橋32 m簡支箱梁分別選取簡支梁跨中、梁端、墩頂、活動支座位置作為測點；跨承唐高速（115+95）m矮塔斜拉橋選取115 m跨跨中、95 m跨跨中和梁端位置作為測點。

圖3 測點布置示意圖

3.2 檢測方法

橋梁結構測試方法如下：

（1）橋梁動應變。采用應變式傳感器直接或組成橋路，配合數據采集與處理系統測試。

（2）橋梁豎向撓度和動變形。豎向撓度采用位移計法和傾角儀法；動變形采用位移計法，并配合數據采集與處理系統測試。

（3）橋梁振動特性。自振頻率、阻尼比采用自由振動衰減法或環境微振動法測試。振幅和加速度采用振動傳感器直接測試。強振頻率采用頻譜分析列車通過時的振動時域波形求得。

3.3 測試流程

與傳統橋梁結構試驗不同，高鐵橋梁聯調聯試試驗條件復雜多變，如行車期間限制、設備處于“盲測”狀態以及試驗周期長等，為提高試驗準確性和穩定性，采用IMC數據采集系統，實現模塊化、自動化、實時化測試。

采用IMC數據采集系統，實現數據自動采集、處理和遠程無線傳輸一體化，借助高精度、高穩定性的傳感器，以確保檢測數據有效性，保障橋梁動力性能測試效果。整個檢測系統包括數據傳感系統、采集系統、遠程控制系統、無線傳輸和供電系統，實現了采集無人值守、數據實時分析功能。橋梁動力性能檢測系統及測試流程見圖4，可以看出應變、撓度等數據通過傳感系統進行采集，然后經過數據處理與分析系統進行實時分析，再經過無線傳輸系統進行存儲、顯示、打印和輸出。

圖4 橋梁動力性能檢測系統及測試流程

4 數據分析處理

依據TB 10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》和《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定（試行）》中數據處理原則，采用時域和頻域數據處理方法［9-10］，對檢測數據進行分析處理。其中，分析梁體橫向振動特征能夠評價梁體橫向剛度和橫向激勵特征；分析梁體豎向振動特征能夠評價梁體豎向剛度和列車通過橋梁時是否產生豎向共振現象；分析梁體豎向振動加速度能夠評定列車通過橋梁時，橋上有砟和無砟軌道結構的穩定性。實測數據分析處理結果如下。

4.1 梁體橫向振幅

綜合檢測列車通過測試橋梁時，實測梁體跨中橫向振幅最大值及對應速度見表2。由表2可知，實測橋梁跨中橫向振幅最大值均滿足《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定（試行）》規定的通常值要求。其中，實測梁體跨中橫向振幅與行車速度關系見圖7。

圖7 實測梁體跨中橫向振幅與行車速度關系

表2 實測梁體跨中橫向振幅最大值及對應速度

4.2 梁體豎向振幅

綜合檢測列車通過測試橋梁時，實測梁體跨中豎向振幅最大值及對應速度見表3。由表3可知，實測橋梁跨中豎向振幅最大值均滿足《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定（試行）》規定的通常值要求。

表3 實測梁體跨中豎向振幅最大值及對應速度

實測梁體跨中豎向振幅與行車速度關系見圖8。由圖8可知，實測梁體跨中豎向振幅隨行車速度的提高而增大。實測（115+95）m矮塔斜拉橋在動車組210 km/h速度作用下，由車體長度導致的強振頻率2.30 Hz同梁體二階豎向自振頻率2.23 Hz較為接近，梁體豎向振幅達到峰值。

圖8 實測梁體跨中豎向振幅與行車速度關系

4.3 梁體豎向振動加速度

綜合檢測列車通過測試橋梁時，梁體跨中豎向振動加速度（20 Hz低通數字濾波后）及對應速度見表4，實測梁體跨中豎向振動加速度滿足《高速鐵路工程動態驗收技術規范》規定的限值要求，32 m簡支箱梁也滿足《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定（試行）》規定的通常值要求。

表4 梁體跨中豎向加速度及對應速度

5 結束語

依據動車組通過京沈高鐵北京朝陽—承德南段典型橋梁時測試結果，結合設計文件和標準規范要求［10-12］，對檢測數據進行分析、處理、評判，得出實測橋梁橫、豎向剛度滿足要求，動力性能滿足動車組以350 km/h及以下速度運行時相關標準規范要求。

通過總結新建高鐵橋梁動力性能檢測內容、檢測方法、測試流程和數據分析處理過程，對于建立科學可循的試驗方法和測試流程，有效提高試驗效率，促進聯調聯試及運行試驗各項工作流程化、規范化、標準化具有重要推動作用［11］，對于完善高鐵橋梁動力性能檢測技術體系，保障聯調聯試橋梁動態驗收順利開展具有重要意義。