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南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋主梁加速度響應(yīng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與分析

2020-03-30 02:44惠汝海陳斌
鐵道建筑 2020年2期
關(guān)鍵詞:主跨過(guò)橋車(chē)速

惠汝海 陳斌

(1.京滬高速鐵路股份有限公司,北京 100038;2.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司,南京 210061)

鐵路橋梁振動(dòng)加速度過(guò)大不僅會(huì)影響橋梁的使用壽命和軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,也會(huì)影響運(yùn)行列車(chē)的安全性和舒適性。關(guān)于橋梁振動(dòng)加速度的限值,我國(guó)鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定[1],橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動(dòng)加速度不應(yīng)超過(guò)1.4 m/s2。參考國(guó)外對(duì)橋梁振動(dòng)加速度的限值要求,我國(guó)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)橋面的最大豎向加速度做出規(guī)定[2]:有砟軌道不應(yīng)超過(guò)3.5 m/s2,無(wú)砟軌道不應(yīng)超過(guò)5.0 m/s2。

設(shè)定鐵路橋梁振動(dòng)響應(yīng)限值的目的在于確保軌道線路(包括道床等)的長(zhǎng)期穩(wěn)定與列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全(防止跳軌)。但該限值在大跨度鐵路橋梁上如何應(yīng)用尚無(wú)明確要求,主要有2 方面的原因。一是大跨度橋梁設(shè)計(jì)條件不一,結(jié)構(gòu)形式多樣,其中僅橋面寬度就可在十幾米至幾十米范圍內(nèi)變化,橋面振動(dòng)加速度限值在橋面上對(duì)應(yīng)的具體位置難以統(tǒng)一[3]。二是實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,大跨度橋梁整體振動(dòng)的加速度遠(yuǎn)小于該限值,而橋面的局部振動(dòng)加速度又因受諸多干擾而難以準(zhǔn)確測(cè)量。因此,在運(yùn)營(yíng)階段,自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在被學(xué)術(shù)界和工程界廣泛接受并應(yīng)用[4]。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋是京滬高速鐵路、滬漢蓉鐵路及南京地鐵S3 號(hào)線(寧和線)的共用越江通道。主橋長(zhǎng)1 615 m,采用2 聯(lián)(84+84)m 連續(xù)鋼桁梁+6 跨(108+192+336+336+192+108)m 連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)[5]。主跨336 m,鋼桁拱矢高84 m,矢跨比1/4,拱頂處桁高12 m,拱腳處桁高53 m;邊跨連續(xù)鋼桁梁桁高16 m,節(jié)間長(zhǎng)均為12 m。橋梁橫立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁橫立面布置(單位:m)

橋梁結(jié)構(gòu)橫向由3片主桁組成,主桁中心距15 m,上游側(cè)為兩線滬漢蓉鐵路,下游側(cè)為兩線京滬高速鐵路,兩邊桁的外側(cè)挑懸臂托架為地鐵行車(chē)道。橋梁橫截面布置見(jiàn)圖2。2011 年1 月11 日,滬漢蓉鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng);同年6 月30 日,京滬高速鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng);南京地鐵S3 號(hào)線(寧和線)暫未開(kāi)通,橋面也未鋪設(shè)鋼軌。目前滬漢蓉鐵路每天通行列車(chē)約44 對(duì),過(guò)橋車(chē)速145~295 km/h,通常車(chē)速為205 km/h;京滬高速鐵路約78 對(duì),過(guò)橋車(chē)速165~300 km/h,通常車(chē)速為245 km/h。

圖2 橋梁橫截面布置(單位:m)

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

南京大勝關(guān)大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2011 年6月建設(shè)完成并投入使用,對(duì)主橋重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部位實(shí)施長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容有:橋址環(huán)境監(jiān)測(cè)、鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè)、位移變形監(jiān)測(cè)、特殊部位監(jiān)測(cè)、行車(chē)監(jiān)測(cè)[6]。部分監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)表1。

表1 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2 主梁加速度分析

橋梁振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。其中豎向振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)分別位于主橋各跨跨中截面,即截面2,4,11,15,18,20;橫向振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)分別位于主跨和次邊跨跨中截面,即截面4,11,15,18。

圖3 橋梁振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)截面布置(單位:m)

以北京側(cè)主跨跨中(截面11)為代表測(cè)點(diǎn),在列車(chē)過(guò)橋時(shí)進(jìn)行主梁橫橋向加速度和豎向加速度的監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4??芍?,列車(chē)過(guò)橋時(shí)主梁橫橋向和豎向振動(dòng)加速度響應(yīng)明顯,單一列車(chē)過(guò)橋時(shí)的加速度振動(dòng)響應(yīng)對(duì)稱分布良好,起始到衰減過(guò)程明顯,信噪比較高。限于篇幅,本文僅以北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度(JSD-11-04)為例對(duì)大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋振動(dòng)加速度響應(yīng)進(jìn)行深入分析[7]。

圖4 北京側(cè)主跨跨中主梁橫向及豎向加速度時(shí)程曲線

2.1 工況劃分

根據(jù)車(chē)-線-橋耦合理論,列車(chē)過(guò)橋時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)主要跟列車(chē)、線路、橋梁等3 方面因素有關(guān)[8]。為研究列車(chē)過(guò)橋時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度響應(yīng)變化規(guī)律,根據(jù)目前大橋運(yùn)行情況,按照行駛線路、行駛方向和列車(chē)編組等3個(gè)因素,將每天列車(chē)過(guò)橋狀況劃分為9種工況。列車(chē)過(guò)橋工況劃分及各工況單日過(guò)車(chē)頻次見(jiàn)表2,其中工況1—8為單一列車(chē)過(guò)橋工況。

表2 列車(chē)過(guò)橋工況劃分及各工況單日過(guò)車(chē)頻次

2.2 峰值分析

以工況1 為例進(jìn)行峰值分析。按20 Hz 低通濾波提取其加速度峰值,并進(jìn)行概率密度統(tǒng)計(jì),見(jiàn)圖5。可知,單一列車(chē)過(guò)橋工況下,列車(chē)引起的加速度峰值集中在固定的變化區(qū)間,且服從正態(tài)分布。橫向加速度峰值最大為0.030 m/s2,峰值概率密度最大對(duì)應(yīng)加速度為0.016 m/s2,均遠(yuǎn)小于鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)規(guī)定的橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動(dòng)加速度amax不應(yīng)超過(guò)1.4 m/s2的規(guī)定[1,9-10]。

圖5 單一列車(chē)過(guò)橋作用下(工況1)北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度(JSD-11-04)峰值分析

2.3 加速度峰值與車(chē)速相關(guān)性分析

鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)對(duì)橫向振動(dòng)加速度的限定適用于旅客列車(chē)行駛速度最高不超過(guò)200 km/h 的條件[1],而實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí),京滬高速鐵路和滬漢蓉鐵路的通常過(guò)橋車(chē)速都超過(guò)了200 km/h。為評(píng)價(jià)高速行駛條件下橋梁和列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全性,選取京滬線的工況1 和滬漢蓉線的工況5,進(jìn)行橫向振動(dòng)加速度峰值與列車(chē)車(chē)速的相關(guān)性分析,見(jiàn)圖6??芍?,加速度峰值與車(chē)速不存在線性相關(guān)性,而是密集分布在2~3 個(gè)通常運(yùn)營(yíng)車(chē)速區(qū)間范圍內(nèi),且通常運(yùn)營(yíng)車(chē)速區(qū)間范圍內(nèi)的加速度峰值集中程度不高,離散性較大。

圖6 單一列車(chē)過(guò)橋作用下北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度(JSD-11-04)峰值與車(chē)速相關(guān)性分析

2.4 加速度峰值與軸重相關(guān)性分析

為保證列車(chē)行車(chē)安全,大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未能在軌道上安裝傳感器直接對(duì)列車(chē)軸重進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為進(jìn)一步分析加速度峰值密集分布在通常車(chē)速區(qū)間而離散性較大的原因,通過(guò)截面11處下橫梁在不同工況作用下的局部應(yīng)變大小來(lái)間接測(cè)量列車(chē)軸重,見(jiàn)圖7??芍煌r下,同一測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程峰值和峰值數(shù)量明顯不同,可以間接反映列車(chē)軸重和軸數(shù)[11]。

圖7 單一列車(chē)過(guò)橋作用下北京側(cè)主跨跨中下游側(cè)下橫梁典型應(yīng)變時(shí)程曲線

選取工況1 和工況5 作用下,橫向振動(dòng)加速度峰值與截面11 處下橫梁的局部應(yīng)變(列車(chē)軸重)進(jìn)行相關(guān)性分析,見(jiàn)圖8。其中,工況1 的車(chē)速區(qū)間為242~248 km/h,工況5為200~210 km/h。

圖8 單一列車(chē)過(guò)橋作用下北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度(JSD-11-04)峰值與列車(chē)軸重相關(guān)性分析

采用線性相關(guān)性模型y=kx+b對(duì)二者進(jìn)行線性擬合。其中,x為局部應(yīng)變,y為橫向振動(dòng)加速度峰值,k為比例系數(shù),b為截距。對(duì)工況 1,取k=0.000 3,b=-0.001,則工況 1 的擬合優(yōu)度r=0.41;對(duì)工況 5,取k=0.000 3,b=-0.006,則工況 5 的擬合優(yōu)度r=0.50。同一工況在保持車(chē)速相對(duì)不變的情況下,0.4<r<0.8,表明橋梁橫向振動(dòng)加速度峰值與列車(chē)軸重存在線性相關(guān)性,但并不顯著。根據(jù)車(chē)-線-橋耦合理論,認(rèn)為其主要原因與軌道的幾何線形有關(guān)。由于軌道線形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏,有待進(jìn)一步完善研究。

2.5 多列車(chē)交匯工況分析

若2 列及以上列車(chē)同時(shí)在橋上行駛,可任意組合成72 種組合。本文以北京側(cè)主跨跨中下橫梁進(jìn)行典型分析。根據(jù)其局部應(yīng)變響應(yīng)的變化規(guī)律,將交匯工況分為動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)無(wú)疊加和動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加2 大類,見(jiàn)圖9??芍?,動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)無(wú)疊加的工況表示列車(chē)未在北京側(cè)主跨跨中交匯,應(yīng)變時(shí)程表現(xiàn)為多個(gè)獨(dú)立的波峰,且各個(gè)波峰峰值相差不大;動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加的工況表示列車(chē)剛好在北京側(cè)主跨跨中交匯,應(yīng)變峰值約為單一列車(chē)過(guò)橋工況下應(yīng)變峰值的2 倍。

圖9 交匯工況下北京側(cè)主跨跨中下游側(cè)下橫梁典型應(yīng)變時(shí)程

動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)無(wú)疊加交匯工況下橫向加速度峰值分析見(jiàn)圖10??芍瑒?dòng)應(yīng)變響應(yīng)無(wú)疊加交匯工況下,橫向加速度峰值變化規(guī)律與單一列車(chē)過(guò)橋工況類似,集中在固定的變化區(qū)間,且服從正態(tài)分布;與單一列車(chē)過(guò)橋工況相比,其橫向加速度峰值略大,最大值為0.033 m/s2,峰值概率密度最大處對(duì)應(yīng)的加速度為0.019 m/s2。

圖10 動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)無(wú)疊加交匯工況下北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度(JSD-11-04)峰值分析

動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加交匯工況下橫向加速度峰值分析見(jiàn)圖11。可知,動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加交匯工況下,橫向加速度峰值較為離散;相比單一列車(chē)過(guò)橋工況,其橫向加速度峰值明顯偏大,最大值為0.042 m/s2,約為單一列車(chē)過(guò)橋工況的1.4倍。加速度峰值概率密度呈現(xiàn)雙峰特性,概率密度最大處對(duì)應(yīng)的加速度為0.027 m/s2,約為單一列車(chē)過(guò)橋工況的1.6 倍。該交匯工況下,加速度峰值未呈現(xiàn)線性增加的現(xiàn)象,認(rèn)為跟實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下2列及以上列車(chē)交匯時(shí)的激振頻率很難完全同步有關(guān)。

圖11 動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加交匯工況下北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度(JSD-11-04)峰值分析

綜上,在目前的運(yùn)行條件下,大勝關(guān)橋梁橫向振動(dòng)加速度峰值未發(fā)現(xiàn)線性增加或激增的現(xiàn)象,加速度響應(yīng)正常,能保證列車(chē)的行車(chē)安全。

3 結(jié)論

本文以南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋北京側(cè)主跨跨中橫向振動(dòng)加速度(JSD-11-04)為例,研究了列車(chē)過(guò)橋時(shí)的加速度峰值,分析了加速度峰值與列車(chē)車(chē)速、與軸重等的相關(guān)性。大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋其他加速度測(cè)點(diǎn)也有類似的結(jié)果。分析表明:

1)在單一列車(chē)過(guò)橋工況下,列車(chē)引起的加速度峰值集中在固定的變化區(qū)間,且服從正態(tài)分布。

2)列車(chē)過(guò)橋時(shí),橋梁振動(dòng)加速度峰值與車(chē)速不存在線性相關(guān)性。

3)車(chē)速相對(duì)不變的情況下,橫向振動(dòng)加速度峰值與列車(chē)軸重存在線性相關(guān)性。

4)動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有疊加交匯工況下,加速度峰值約為單一列車(chē)工況的1.4倍。結(jié)合振動(dòng)加速度峰值與列車(chē)軸重的線性相關(guān)性特點(diǎn),可為修訂既有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警閾值提供依據(jù),使系統(tǒng)更便于指導(dǎo)橋梁管養(yǎng)和列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)。

5)針對(duì)今后健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或升級(jí),可以利用加速度峰值間接評(píng)估列車(chē)過(guò)橋時(shí)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),減少結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置,節(jié)省投資。

6)橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用,可以進(jìn)一步融合軌道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,為橋區(qū)軌道的幾何形位控制和軌道養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

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