丁幼亮　 王　超　 王景全　王高新　 吳來義　 岳　青

(1東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(2中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司, 南京 210032)

?

高速鐵路鋼桁拱橋吊桿振動(dòng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與分析

丁幼亮1王超1王景全1王高新1吳來義2岳青2

(1東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(2中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司, 南京 210032)

以大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋吊桿為研究對(duì)象,基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)高速列車通過時(shí)鋼桁拱橋吊桿的振動(dòng)速度進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),通過對(duì)振動(dòng)速度積分的方法來獲得大勝關(guān)大橋吊桿動(dòng)位移幅值的長(zhǎng)期變化規(guī)律.分析結(jié)果表明:吊桿橫向動(dòng)位移幅值顯著大于縱向動(dòng)位移幅值,并且兩者都可以采用廣義極值分布函數(shù)描述其概率統(tǒng)計(jì)特性;吊桿縱向動(dòng)位移幅值與主梁橫向動(dòng)位移幅值存在明顯的相關(guān)性;吊桿橫向振動(dòng)主要由高速列車局部風(fēng)效應(yīng)引起,并且橫向動(dòng)位移幅值與環(huán)境溫度存在明顯的相關(guān)性.因此,吊桿橫向振動(dòng)分析應(yīng)考慮局部風(fēng)場(chǎng)和溫度的共同作用,吊桿縱向振動(dòng)分析應(yīng)考慮與主梁橫向振動(dòng)的耦合作用.

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè);鋼桁拱橋;吊桿;動(dòng)位移;相關(guān)性

京滬高鐵南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋?yàn)榫咚勹F路和滬漢蓉鐵路共用的跨江通道,是世界首座六線鋼桁拱橋.大勝關(guān)大橋具有體量大、跨度大、荷載大、行車速度高等顯著特點(diǎn).為了保障其結(jié)構(gòu)的服役安全,建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的分析建立以健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為平臺(tái)的大橋養(yǎng)護(hù)管理評(píng)價(jià)體系[1].

大勝關(guān)大橋的最長(zhǎng)吊桿長(zhǎng)度接近60 m,易發(fā)生風(fēng)致渦激振動(dòng).為此,李龍安[2]研究了鋼桁拱橋吊桿的風(fēng)致渦激振動(dòng)特性、判別方法以及風(fēng)致振動(dòng)影響因素.李榮慶等[3]采用剛度大、氣動(dòng)外形好的八邊形截面箱形吊桿以及新型吊桿減振器,提高了鋼桁拱橋長(zhǎng)吊桿的抗風(fēng)振性能.然而,上述研究側(cè)重于自然風(fēng)激勵(lì)下的吊桿風(fēng)振響應(yīng)分析及其減振控制.實(shí)測(cè)表明,大勝關(guān)大橋列車荷載大、行車速度高,導(dǎo)致高速列車通過時(shí)長(zhǎng)吊桿振動(dòng)響應(yīng)顯著.Malm等[4]研究發(fā)現(xiàn),列車過橋時(shí)吊桿截面應(yīng)力不均勻分布較明顯,吊桿約60%的變幅循環(huán)應(yīng)力源自車橋振動(dòng),并且跨中吊桿的振動(dòng)位移較大,振動(dòng)疲勞問題更嚴(yán)重;Andersson等[5]認(rèn)為由于吊桿的低阻尼特性,吊桿的振動(dòng)位移較大,因而吊桿超過50%的累積振動(dòng)疲勞破壞與其在列車作用下的振動(dòng)有關(guān);李元兵等[6-7]分析了車輛荷載下橋面振動(dòng)對(duì)拱橋吊桿應(yīng)力的影響,認(rèn)為橋面振動(dòng)是導(dǎo)致吊桿變幅循環(huán)應(yīng)力的主要因素之一.因此,高速列車作用下的大勝關(guān)大橋吊桿的振動(dòng)疲勞問題必須予以重視,利用健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大勝關(guān)大橋長(zhǎng)吊桿開展長(zhǎng)期振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析具有重要意義.

基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大勝關(guān)大橋主梁跨中長(zhǎng)吊桿的縱向和橫向振動(dòng)速度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè).本文詳細(xì)考察了高速列車通過時(shí)吊桿動(dòng)位移幅值的長(zhǎng)期時(shí)變規(guī)律,包括吊桿動(dòng)位移幅值的概率統(tǒng)計(jì)模型、吊桿動(dòng)位移幅值與主梁動(dòng)位移幅值的相關(guān)性以及吊桿動(dòng)位移幅值與環(huán)境溫度的相關(guān)性.研究結(jié)果為后續(xù)深入研究高速列車作用下鋼桁拱橋吊桿的振動(dòng)機(jī)理提供了重要的依據(jù).

1　大勝關(guān)大橋吊桿的動(dòng)位移監(jiān)測(cè)

1.1吊桿動(dòng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

大勝關(guān)大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中在吊桿上安裝了速度傳感器,用以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)吊桿在高速列車通過時(shí)的振動(dòng)響應(yīng).如圖1所示,在主梁跨中1-1斷面處的吊桿上各安裝1個(gè)橫向速度傳感器(編號(hào)ZD-11-06)和縱向速度傳感器(編號(hào)ZD-11-05).速度傳感器位置距離橋面約2 m,其位置布置如圖2所示.2個(gè)速度傳感器的采樣頻率均為200 Hz.本文中橫向均指橫橋向,縱向均指順橋向.

圖1　大勝關(guān)大橋吊桿速度傳感器布置斷面圖(單位:m)

圖2　1-1斷面處吊桿速度傳感器布置圖

采用振動(dòng)速度積分獲得動(dòng)位移時(shí)程的方法來考察大勝關(guān)大橋吊桿動(dòng)位移的長(zhǎng)期變化規(guī)律.由于所采集的速度數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù),因此需要對(duì)其進(jìn)行梯形數(shù)值積分[8],即

(1)

式中,T(f)為對(duì)振動(dòng)速度數(shù)據(jù)積分所得的動(dòng)位移值;t1和t2為某2個(gè)相鄰振動(dòng)速度數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間(t1

1.2吊桿動(dòng)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

首先給出單次列車通過時(shí)吊桿縱向和橫向動(dòng)位移的典型監(jiān)測(cè)結(jié)果,如圖3所示.可看出,高速列車通過時(shí)吊桿縱向和橫向動(dòng)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果均呈現(xiàn)出明顯的單峰曲線形式,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到吊桿動(dòng)位移幅值.圖3中縱向和橫向動(dòng)位移幅值分別為0.61和1.31 mm.因此,高速列車通過時(shí)鋼桁拱橋吊桿的橫向動(dòng)位移幅值明顯大于縱向動(dòng)位移幅值.

(a) 縱向動(dòng)位移

(b) 橫向動(dòng)位移

圖4給出了2014年全年吊桿縱向和橫向動(dòng)位移幅值的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果.從圖中可看出,縱向和橫向

(a) 縱向動(dòng)位移幅值

(b) 橫向動(dòng)位移幅值

動(dòng)位移幅值的變化區(qū)間分別為[0.01,1.70] mm和[0.01, 15.32] mm,這表明高速列車通過時(shí)吊桿縱向和橫向動(dòng)位移幅值存在一定的變化.因此,詳細(xì)考察長(zhǎng)期列車荷載作用下吊桿動(dòng)位移幅值的時(shí)變規(guī)律,對(duì)于揭示吊桿振動(dòng)機(jī)理、準(zhǔn)確評(píng)估吊桿疲勞性能具有重要意義.

2　吊桿動(dòng)位移幅值的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析

2.1吊桿動(dòng)位移幅值的概率統(tǒng)計(jì)分析

下面對(duì)2014年全年吊桿縱向和橫向動(dòng)位移幅值進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析.本文選用如下廣義極值分布函數(shù)來描述其概率密度統(tǒng)計(jì)特性[9]:

(2)

式中,T為吊桿動(dòng)位移幅值；r, b, a分別為形狀參數(shù)、位置參數(shù)和尺度參數(shù).利用式(2)對(duì)吊桿縱向和橫向動(dòng)位移幅值的概率密度進(jìn)行最小二乘擬合,即可確定參數(shù)取值.2014年吊桿縱向和橫向動(dòng)位移幅值的概率密度柱狀圖及其廣義極值分布函數(shù)擬合曲線如圖5所示,參數(shù)估計(jì)值如表1所示.

表1　廣義極值分布函數(shù)的參數(shù)估計(jì)值

(b) 橫向動(dòng)位移幅值

由圖5可見,采用廣義極值分布函數(shù)可以較好地描述其概率密度統(tǒng)計(jì)特性.這表明,利用長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可對(duì)高速列車通過時(shí)吊桿的縱向和橫向動(dòng)位移幅值進(jìn)行概率意義上的準(zhǔn)確把握,并且這些數(shù)據(jù)為今后深入研究吊桿的隨機(jī)振動(dòng)分析方法以及從概率意義上準(zhǔn)確把握吊桿的振動(dòng)性能提供了重要基礎(chǔ).

2.2吊桿動(dòng)位移幅值與主梁動(dòng)位移幅值的相關(guān)性分析

為了研究高速列車通過時(shí)鋼桁拱橋的主梁振動(dòng)對(duì)吊桿振動(dòng)的影響,圖6分別給出了吊桿縱向和橫向動(dòng)位移幅值與主梁橫向和豎向動(dòng)位移幅值的相關(guān)性分析結(jié)果.其中,主梁動(dòng)位移幅值根據(jù)相同斷面(見圖1中1-1斷面)的主梁速度傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算.采用相關(guān)系數(shù)R表征吊桿動(dòng)位移幅值與主梁動(dòng)位移幅值的線性相關(guān)性,其表達(dá)式為

(3)

從圖6中可看出:① 吊桿縱向動(dòng)位移幅值與主梁橫向動(dòng)位移幅值的線性相關(guān)性較好,其相關(guān)系數(shù)為0.853 9,而吊桿縱向動(dòng)位移幅值與主梁豎向動(dòng)位移幅值的線性相關(guān)性較差,其相關(guān)系數(shù)僅為0.437 6.這表明,高速列車通過鋼桁拱橋時(shí)引起的主梁橫向振動(dòng)將會(huì)激發(fā)吊桿縱向振動(dòng),吊桿縱向振動(dòng)分析時(shí)必須考慮與主梁車致橫向振動(dòng)的耦合作用.② 吊桿橫向動(dòng)位移幅值與主梁橫向和豎向動(dòng)位移幅值的線性相關(guān)性均較差,其相關(guān)系數(shù)僅為0.108 4和0.090 5.根據(jù)以上規(guī)律,可推斷吊桿橫向振動(dòng)主要由高速列車局部風(fēng)效應(yīng)引起.

2.3吊桿動(dòng)位移幅值與溫度的季節(jié)相關(guān)性分析

從圖4可看出,2014年全年的吊桿橫向動(dòng)位移幅值呈現(xiàn)出兩邊大、中間小的趨勢(shì)性變化特點(diǎn),而吊桿縱向動(dòng)位移幅值則在全年表現(xiàn)出平穩(wěn)隨機(jī)變化特點(diǎn).為此,本節(jié)進(jìn)一步考察溫度的季節(jié)變化對(duì)吊桿動(dòng)位移幅值的影響.由圖4(b)可知,吊桿橫向動(dòng)位移幅值的觀測(cè)時(shí)間序列可以看成一個(gè)由不同頻率成分組成的數(shù)字信號(hào)序列,其中隨著溫度趨勢(shì)變化的部分表現(xiàn)為低頻率(長(zhǎng)周期)的變化;受到列車隨機(jī)荷載影響的隨機(jī)部分,則表現(xiàn)為高頻率(短周期)的顫動(dòng).為此,本文采用多樣本平均方法研究吊桿動(dòng)位移幅值與溫度的季節(jié)相關(guān)性特征[10].溫度取大勝關(guān)大橋拱頂?shù)臏囟葌鞲衅鞅O(jiān)測(cè)

(a) 吊桿縱向和主梁橫向動(dòng)位移幅值相關(guān)性

(b) 吊桿縱向和主梁豎向動(dòng)位移幅值相關(guān)性

(c) 吊桿橫向和主梁橫向動(dòng)位移幅值相關(guān)性

(d) 吊桿橫向和主梁豎向動(dòng)位移幅值相關(guān)性

數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上計(jì)算吊桿動(dòng)位移幅值的日平均值以及結(jié)構(gòu)的日平均值.京滬高鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間大致為每天06:00—24:00,因此取該時(shí)段的吊桿動(dòng)位移和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行日平均值計(jì)算.

圖7給出了吊桿動(dòng)位移幅值與溫度的季節(jié)相關(guān)性分析結(jié)果.可看出,吊桿橫向動(dòng)位移幅值與溫度之間呈現(xiàn)十分明顯的季節(jié)相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)為0.879 8,并且表現(xiàn)為溫度低動(dòng)位移幅值大,溫度高動(dòng)位移幅值小的季節(jié)變化特征.而吊桿縱向動(dòng)位移幅值與溫度之間沒有明顯的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)僅為0.239 7.這表明,吊桿橫向振動(dòng)與結(jié)構(gòu)溫度存在某種密切的相關(guān)性,如何在吊桿風(fēng)致橫向振動(dòng)分析中考慮溫度作用的影響是今后需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容.

(a) 縱向動(dòng)位移幅值

(b) 橫向動(dòng)位移幅值

3　結(jié)論

1) 高速列車通過時(shí)鋼桁拱橋吊桿的橫向動(dòng)位移幅值較大,而吊桿縱向動(dòng)位移幅值相對(duì)較小.長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,采用廣義極值分布函數(shù)可以較好地描述吊桿橫向和縱向動(dòng)位移幅值的概率密度統(tǒng)計(jì)特性.

2) 吊桿縱向動(dòng)位移幅值與主梁橫向動(dòng)位移幅值存在明顯的相關(guān)性,而與主梁豎向動(dòng)位移幅值的相關(guān)性不明顯.這表明高速列車通過時(shí)引起的主梁橫向振動(dòng)將會(huì)激發(fā)吊桿縱向振動(dòng),吊桿縱向振動(dòng)分析中必須考慮與主梁橫向振動(dòng)的耦合作用.

3) 吊桿橫向振動(dòng)與主梁橫向和豎向振動(dòng)的相關(guān)性均不明顯,這表明吊桿橫向振動(dòng)主要由高速列車局部風(fēng)效應(yīng)引起,并且橫向動(dòng)位移幅值與環(huán)境溫度存在相關(guān)性,溫度低時(shí)動(dòng)位移幅值大,溫度高時(shí)動(dòng)位移幅值小.

References)

[1]金輝. 京滬高鐵南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋養(yǎng)護(hù)模式探討[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù), 2013, 10(6): 51-55.

Jin Hui. Discussion on maintenance method of Beijing—Shanghai high-speed railway of Nanjing Dashengguan Changjiang River Bridge [J].ModernTransportationTechnology, 2013, 10(6): 51-55.(in Chinese)

[2]李龍安. 鋼桁拱橋吊桿風(fēng)致振動(dòng)影響因素分析[J]. 橋梁建設(shè), 2008, 38(3):19-22.Li Longan. Analysis of influential factors of wind-induced vibration of steel truss arch bridge hangers [J].BridgeConstruction, 2008, 38(3):19-22.(in Chinese)

[3]李榮慶, 朱世峰, 李東超. 新型吊桿減振器(TLMD)在南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋中的應(yīng)用[J]. 世界橋梁, 2012, 40(6): 68-72.

Li Rongqing, Zhu Shifeng, Li Dongchao. Application of new type of TLMD to hangers of Dashengguan Changjiang River Bridge in Nanjing City [J].WorldBridges, 2012, 40(6): 68-72.(in Chinese)

[4]Malm R, Andersson A. Field testing and simulation of dynamic properties of a tied arch railway bridge[J].EngineeringStructures, 2006, 28(1):143-152. DOI:10.1016/j.engstruct.2005.07.011.

[5]Andersson A, Karoumi R. Attenuating resonant behavior of a tied arch railway bridge using increased hanger damping[C]//6thInternationalConferenceonBridgeMaintenance,SafetyandManagement. Stresa, Lake Maggiore, Italy, 2012:2572-2577. DOI:10.1201/b12352-393.

[6]李元兵, 張啟偉. 振動(dòng)對(duì)拱橋短吊桿截面應(yīng)力分布的影響[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 37(2): 159-164, 233.

Li Yuanbing, Zhang Qiwei. Vibration effect on cross-sectional stress distribution of short suspenders in arch bridges [J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience), 2009, 37(2): 159-164,233.(in Chinese)

[7]趙洪平, 李元兵. 拱橋吊桿損傷退化機(jī)理及壽命評(píng)估研究進(jìn)展[J]. 城市道路與防洪, 2010(1): 119-125. DOI:10.3969/j.issn.1009-7716.2010.01.036.

Zhao Hongping, Li Yuanbing. Study on damage degenerating mechanism and life evaluation of arched bridge suspender [J].CityBridges&Flood, 2010(1): 119-125. DOI:10.3969/j.issn.1009-7716.2010.01.036. (in Chinese)

[8]吳康雄, 張紅光. 橋梁動(dòng)撓度計(jì)算速度積分方法[J]. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 6(1):15-18. DOI:10.3969/j.issn.1672-9331.2009.01.004.

Wu Kangxiong, Zhang Hongguang. The calculation of dynamic deflection from bridge measuring velocity[J].JournalofChangshaUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience), 2009, 6(1):15-18. DOI:10.3969/j.issn.1672-9331.2009.01.004.(in Chinese)

[9]Xia H W, Ni Y Q, Wong K Y, et al. Reliability-based condition assessment of in-service bridges using mixture distribution models [J].Computers&Structures, 2012, 106: 204-213. DOI:10.1016/j.compstruc.2012.05.003.

[10]Ding Y L, Li A Q, Sun J, et al. Research on seasonal correlation of wavelet packet energy spectrum and temperature of Runyang Suspension Bridge [J].ScienceinChinaSeriesE:TechnologicalSciences, 2009, 52(6):1776-1785. DOI:10.1007/s11431-008-0357-5.

Long-term monitoring and analysis of hanger vibration on high-speed railway steel truss arch bridge

Ding Youliang1Wang Chao1Wang Jingquan1Wang Gaoxin1Wu Laiyi2Yue Qing2

(1Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2China Railway Major Bridge (Nanjing) Bridge and Tunnel Inspect & Retrofit Co., Ltd., Nanjing 210032, China)

Taking Dashengguan Yangtze River Bridge as the research object, based on the structural health monitoring system, the vibration velocity responses of the hanger were long-termly monitored when the high-speed train passed. Then the long-term variation regularity of dynamic displacement was further obtained through the integration of vibration velocity responses. The analysis results indicate that the dynamic displacement amplitudes of the hanger in the transverse direction are much larger than those in the longitudinal direction, and their probability characteristics can be described by the generalized extreme value distribution function. There is a significant correlation between the dynamic longitudinal displacement amplitudes of the hanger and the transverse dynamic displacement amplitudes of the main girder. The transverse vibration of the hanger is mainly caused by the local wind effect of the high-speed train, and the transverse dynamic displacement amplitudes of the hanger and the ambient temperature have an obvious correlation. Accordingly, the local wind field and the temperature should be taken into consideration in the transverse vibration analysis of the hanger, and the coupling effects of the transverse vibration of the main girder should be considered in the longitudinal vibration analysis of the hanger.

structural health monitoring; steel truss arch bridge; hanger; dynamic displacement; correlation

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.029

2015-10-08.作者簡(jiǎn)介: 丁幼亮(1979—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,civilding@163.com.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)青年科學(xué)家專題資助項(xiàng)目(2015CB060000)、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578138)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2242016K41066).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.029.

TU318; U442

A

1001-0505(2016)04-0848-05

引用本文: 丁幼亮，王超，王景全,等.高速鐵路鋼桁拱橋吊桿振動(dòng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(4):848-852.