蔣麗忠，聶磊鑫，周旺保，張云泰，余建，柴喜林

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2.中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心，湖南長沙，410075)

隨著我國高速鐵路行車速度和荷載幅度不斷增大，軌道-橋梁系統(tǒng)的動力響應(yīng)日益引起重視。行進(jìn)的列車會對軌道系統(tǒng)和橋梁產(chǎn)生動力沖擊作用[1]，引起動態(tài)變形和共振現(xiàn)象[2-3]。在各國高速鐵路快速發(fā)展的過程中，主要采用數(shù)值模擬或與現(xiàn)場試驗驗證相結(jié)合的方法來研究高速列車-軌道-橋梁系統(tǒng)的動力相互作用關(guān)系。

為了保證列車在高速鐵路橋上運(yùn)行的安全性及車輛對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)規(guī)律，董亮等[4-6]以實際工程為背景，采用數(shù)值模擬的方法建立了車輛-軌道-橋梁的動力分析仿真模型，計算并分析了列車的安全性和舒適性指標(biāo)以及軌道-橋梁動力響應(yīng)的一般規(guī)律。為了增加數(shù)值仿真模型和理論模型的可信度，國內(nèi)外許多文獻(xiàn)采用了現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析相結(jié)合的方法驗證模型的正確性。XIA 等[7-9]將數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果進(jìn)行比較驗證了所建立的數(shù)值模型，并計算分析了車-橋的動力響應(yīng)；GARINEI 等[10-11]針對高速鐵路橋梁、路基進(jìn)行了大量相關(guān)的現(xiàn)場動力試驗；孫常新等[12-14]研究了高速列車對路基動力響應(yīng)的影響，結(jié)果表明模擬和試驗結(jié)果的規(guī)律性一致；劉鵬輝等[15-17]基于驗證后的數(shù)據(jù)模型分析了車輛-軌道-橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性。這些研究為鐵路橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的研究奠定了基礎(chǔ)。然而，對于行車條件下高速鐵路橋梁動力響應(yīng)，現(xiàn)場測試成本高、組織困難，室內(nèi)試驗相比現(xiàn)場試驗更簡單可行。由于國內(nèi)外缺乏室內(nèi)橋上行車試驗平臺，目前室內(nèi)試驗研究成果仍然較少，因此，有必要開展列車-軌道-橋梁系統(tǒng)的動力響應(yīng)及行車室內(nèi)試驗研究，這對高速鐵路車橋動力理論及設(shè)計應(yīng)用具有重要意義。

本文根據(jù)高速鐵路橋梁的構(gòu)造特點進(jìn)行實驗室縮尺模型試驗，縮尺比例為1∶10。通過縮尺模型試驗對行車作用下的高速鐵路CRTSII 型無砟軌道橋梁的動力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，分析不同車速情況下橋跨上不同位置不同構(gòu)件的豎向位移時程，探明不同構(gòu)件和位置受行車作用的動力響應(yīng)差異，揭示行車速度對各構(gòu)件動力響應(yīng)的影響規(guī)律，為后續(xù)研究提供試驗依據(jù)和參考。

1 試驗概述

1.1 試驗?zāi)Ｐ图皡?shù)

試驗?zāi)Ｐ蜑?1跨CRTSII型無砟軌道高速鐵路簡支梁橋一體化縮尺模型，縮尺比為1∶10，在模型兩側(cè)配備行車系統(tǒng)的加速裝置和減速裝置，如圖1所示。為保證行車試驗的可行性和準(zhǔn)確性，縮尺模型在行車試驗中始終處于彈性工作狀態(tài)，各構(gòu)件截面嚴(yán)格保證幾何相似和材料相似，試驗?zāi)Ｐ拖嗨票热绫? 所示。試驗?zāi)Ｐ椭校壍?橋梁結(jié)構(gòu)部分由橋墩、支座、主梁和軌道系統(tǒng)組成，軌道系統(tǒng)包括滑動層、底座板、CA 砂漿層、軌道板、扣件、鋼軌、剪力齒槽、剪切鋼筋、L型側(cè)向擋塊等。上部結(jié)構(gòu)整體布置示意圖如圖2所示，各構(gòu)件詳細(xì)參數(shù)如下。

圖2 軌道-橋梁結(jié)構(gòu)布置圖Fig.2 Track-bridge structure layout

表1 試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)相似比Table 1 Similarity ratio of experimental model parameter

圖1 試驗?zāi)Ｐ图把b置Fig.1 Test model and devices

1)橋墩。橋墩選用Q235 鋼材，高度為500 mm，沿橋梁橫向?qū)挾葹?00 mm，縱向?qū)挾葹?00 mm，厚度為10 mm的空心矩形橋墩截面。

2)主梁。主梁選用Q235鋼材，每跨簡支梁長度為3 260 mm，梁高為180 mm，截面尺寸如圖2(c)所示，其中，為防止結(jié)構(gòu)發(fā)生局部扭轉(zhuǎn)或屈曲變形，在中間分段布置板厚為8 mm輔助支撐板。

3)底座板。底座板選用Q235鋼材，等效縮尺設(shè)計后寬度為295 mm，厚度為8.5 mm，縱向連續(xù)鋪設(shè)。

4)軌道板。軌道板選用Q235鋼材，等效縮尺設(shè)計后長度為645 mm，寬度為255 mm，厚度為9 mm，軌道板之間作縱向連續(xù)處理。

理解是背誦的基礎(chǔ)。只有在課堂上充分研讀課文，引導(dǎo)學(xué)生品悟語言文字、感悟意境，才能真正讓學(xué)生融入言語情境，體會內(nèi)容，讀出感情，從而熟讀成誦。以教學(xué)古詩《送元二使安西》為例，引導(dǎo)學(xué)生讀出故事發(fā)生的時間、地點、環(huán)境，學(xué)生腦海中便能呈現(xiàn)出鮮活的畫面感：渭城初春的清晨，天氣帶著涼意，雨中的客舍和柔柳，讓人感到清新而又親切。然而，好朋友分別，依依不舍之情油然而生，尤其是老師介紹到寫作背景——元二要去的，是塞外荒漠，等待他的，將是孤身漂泊，前途渺茫。課行此處，詩人的情感和詩的意境互相交融，學(xué)生融情入境，便能讀出留戀，讀出深情，更加深入地理解了文本，從而為背誦打下了基礎(chǔ)。

5)承軌臺。相似設(shè)計縮尺后，采用長度為29 mm、寬度為80 mm、厚度為4 mm的鋼片模擬。承軌臺與軌道板之間通過螺栓連接，單塊軌道板上設(shè)置10對承軌臺，其中心線縱向間距為65 mm。

6)CA砂漿層。在底座板頂面和軌道板底面之間填充厚度為3 mm、寬度為255 mm 的巴斯夫ConipurM867F聚氨酯膠。

7)滑動層。在梁體上方用巴斯夫ConipurM867 F 聚氨酯膠(實際高鐵橋梁中兩布一膜層中使用的膠黏劑)粘貼寬度為295 mm、厚度為3 mm 的低密度聚乙烯土工膜。

8)剪切鋼筋。剪切鋼筋選用Q420鋼材，采用直徑為2 mm、長度為20.5 mm 的螺桿。剪切鋼筋布置見圖2(a)，每塊軌道板在梁縫兩側(cè)各設(shè)2排剪切鋼筋，每排2 根，即每塊承軌臺中心線下各1根。

9)剪力齒槽。剪力齒槽選用Q345鋼材，設(shè)置在固定支座上方。采用直徑為2 mm、長度為20.5 mm 的螺栓，在每塊軌道板下設(shè)置間距為27 mm 的2 排鋼條，每排各7 根，共14 根，其中，軌道板中心線上2 根，軌道板中心線兩側(cè)各6 根，鋼條沿橋梁橫向的間距為42 mm，2排鋼條的中心線距固定支座梁端188 mm，如圖2(a)所示。

10)側(cè)向擋塊。側(cè)向擋塊選用Q235 鋼材，鋼制L型側(cè)向擋塊長度為27 mm，底寬為10 mm，頂寬為30 mm，高度為21.5 mm。擋塊與梁底焊接在一起，與底座板和軌道板接觸的3個面設(shè)置厚度為1 mm的硫化橡膠墊板。從距固定支座處剪力齒槽中心線800 mm 處開始設(shè)置側(cè)向擋塊，間隔為800 mm，單跨梁共計12個側(cè)向擋塊。

11)鋼軌。采用CHN60 型鋼軌按1:10 進(jìn)行縮尺，選用紫銅澆筑而成。

13)支座。支座布置如圖2(b)所示。在軌道-橋梁結(jié)構(gòu)整體縮尺模型制作中，支座基本原則和需求為：橋梁梁體在行車試驗中需處于彈性工作狀態(tài)，不發(fā)生局部扭轉(zhuǎn)屈曲等變形，具有足夠的剛度。支座內(nèi)的承壓橡膠板提供梁端部轉(zhuǎn)動的需要，聚四氟乙烯板提供梁端與橋墩之間相對滑動的位移需要。橡膠板厚度為4 mm，聚四氟乙烯板的厚度為0.5 mm。

14)車輛。車輛模型如圖1 所示。車輛外形采用CRH380AL 型動車組車頭外形[18]，幾何縮尺比為1∶10，車輛具有2對轉(zhuǎn)向架，前后間距為1.75 m，每對轉(zhuǎn)向架包含2對車輪，輪距為0.25 m。車輛總體質(zhì)量為108 kg。

1.2 試驗工況及測量方案

1.2.1 試驗工況

本試驗通過行車設(shè)備的加速裝置為列車提速，共設(shè)置5 種車輛初始速度，分別為4，5，6，7 和8 m/s。車輛通過測試段時，因行駛距離較短，摩擦力等環(huán)境因素對速度影響較小，可認(rèn)為其速度均勻變化，最后，通過位于測試段的IP67 反射型光纖傳感器測速系統(tǒng)獲取列車經(jīng)過時的真實速度，測速裝置如圖1所示。

1.2.2 測點布置

整個試驗?zāi)Ｐ凸灿?1 跨簡支梁，由于測量設(shè)備有限，選取橋梁中間跨(6號跨)的軌道-橋梁系統(tǒng)進(jìn)行測量。采用VIC-3D高速系統(tǒng)中的高速攝像機(jī)測量橋墩及跨內(nèi)的鋼軌、軌道板、底座板和主梁的豎向位移響應(yīng)，在對中跨區(qū)域測量后，通過相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。為了得到更高的測量精度和空間分辨率，高速攝像機(jī)的測量范圍取半跨簡支梁長度。

VIC-3D 高速系統(tǒng)分析基于樣品表面的散斑圖案進(jìn)行觀測，因此，需要在測量對象布置適當(dāng)?shù)纳邎D樣，結(jié)構(gòu)測點布置如圖3所示。對于橋墩與主梁，可以直接將整體散斑圖直接布置在結(jié)構(gòu)相應(yīng)區(qū)域內(nèi)，測量場位移。對于軌道系統(tǒng)，由于底座板、軌道板和鋼軌的豎向間距太小，因此，采用分段等間距測量，即等間距在構(gòu)件上布置測點。

圖3 VIC-3D高速攝像系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)測點布置圖Fig.3 VIC-3D high-speed camera system and layout of structural measuring points

2 試驗結(jié)果處理及分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)采集與處理

為提高采集精度，隨著行車速度提高，采集幀率也應(yīng)適當(dāng)提高，車速4，5，6，7和8 m/s對應(yīng)的采集幀率分別為800，1 000，1 200，1 400 和1 600 Hz。以行車速度4 m/s 時為例，結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖如圖4所示?？梢姡涸谳?軌接觸的位置，豎向位移云圖顏色偏深，說明輪對與橋-軌系統(tǒng)接觸位置的局部效應(yīng)顯著。經(jīng)高速攝像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件對高分辨率圖像處理后得到原始位移時程，顯然，原始位移信號中含有較多噪聲信號。為準(zhǔn)確分析行車對軌道-橋梁系統(tǒng)的動力響應(yīng)規(guī)律，需對原始信號進(jìn)行降噪處理。相比于傅里葉變換，對于振動信號，小波變換對其中的高頻白噪聲處理優(yōu)勢更大[19]，因此，本文基于Origin數(shù)據(jù)處理軟件，采用小波變換默認(rèn)閾值法對位移響應(yīng)時程進(jìn)行降噪處理。經(jīng)不同參數(shù)下的降噪結(jié)果對比確定降噪處理最佳參數(shù)為：小波類型采用Daubechis10，降噪5次。以車速4 m/s和8 m/s時的跨中鋼軌變形時程信號為例，降噪前后鋼軌變形時程曲線對比如圖5所示。

圖4 高速攝像機(jī)采集的結(jié)構(gòu)豎向變形云圖Fig.4 Vertical deformation nephogram acquired by highspeed camera

2.2 不同速度下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)規(guī)律

為研究行車對高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響規(guī)律，分析車速為4，6 和8 m/s 下鋼軌、軌道板、底座板和主梁的跨中豎向位移時程變化規(guī)律，如圖6所示。由圖6可知，在同一行車速度下，不同構(gòu)件層的豎向位移時程曲線的峰值及其形狀均有顯著差異；底座板、軌道板、鋼軌的豎向位移響應(yīng)峰值依次增大，這是因為扣件和CA砂漿層的彈簧阻尼效應(yīng)降低了軌下結(jié)構(gòu)的車輛動力效應(yīng)；主梁和底座板的豎向位移時程曲線形狀基本一致，這是因為滑動層豎向剛度近似剛性，其阻尼效應(yīng)不明顯。各構(gòu)件的豎向位移時程曲線形狀均有2處突變，其中，鋼軌時程曲線形狀突變幅值最大，軌道板、底座板和主梁的鋼軌時程曲線形狀突變幅值依次減弱，說明輪對與橋-軌系統(tǒng)接觸位置的局部效應(yīng)非常顯著，且因?qū)娱g阻尼效應(yīng)的影響，輪對局部作用對軌道板、底座板和主梁的動力變形的影響依次減弱。對于不同的行車速度，同一構(gòu)件層的豎向位移時程曲線形狀基本一致，但震蕩幅值波動較大。以主梁為例，隨行車速度的增加，主梁豎向位移時程曲線震蕩波動明顯增大，與車速4 m/s時相比，車速8 m/s時的震蕩幅值增大約75%。

圖6 不同車速構(gòu)件豎向位移時程曲線Fig.6 Time-history curves of components vertical displacement at different speeds

不同行車速度下各構(gòu)件順橋向位置豎向位移峰值如圖7所示。由圖7可知，不同順橋向位置的豎向位移峰值有顯著差異。距跨中位置越近，主梁和底座板的豎向位移峰值越大，其增幅分別為23%～86%和32%～75%，而軌道板和鋼軌的豎向位移峰值增大趨勢并不明顯；列車運(yùn)行速度對構(gòu)件的豎向位移峰值有一定影響，當(dāng)行車速度為8 m/s時，各構(gòu)件層的豎向位移峰值均達(dá)到最大。各構(gòu)件層的豎向位移實測最大值與行車速度的關(guān)系曲線如圖8所示。從圖8可以看出：各構(gòu)件層的豎向位移實測最大值隨速度增大呈波動增大趨勢。綜上可知：列車作用下的CRTSII 型無砟軌道高速鐵路簡支梁橋各構(gòu)件的豎向位移響應(yīng)受行車位置、行車速度等因素影響顯著，在實際工程中應(yīng)關(guān)注臨界速度，避免軌道結(jié)構(gòu)過大變形而造成損傷。

圖7 不同車速下各構(gòu)件順橋向位置豎向位移峰值Fig.7 Vertical displacement peaks of component position along bridge at different speeds

圖8 車速與構(gòu)件豎向位移實測最大值的關(guān)系Fig.8 Relationship between driving speed and actual maximum vertical displacement of components

2.3 不同速度下結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)變化

動力系數(shù)能夠反映結(jié)構(gòu)動力增大效應(yīng)，基于降噪處理后的位移響應(yīng)時程曲線，各層動力系數(shù)δ可按下式進(jìn)行計算[20]：

式中，Smax為動力荷載作用下實測檢測部位的動力變形最大值，Smin為與Smax在同一周期內(nèi)的實測動力變形極小值。

構(gòu)件豎向位移動力系數(shù)與行車速度的關(guān)系如圖9所示。從圖9可以看出：鋼軌、軌道板、底座板和主梁的動力系數(shù)隨行車速度的增大均出現(xiàn)不同程度的波動，且整體上呈現(xiàn)隨行車速度的增大而增大的趨勢；主梁與底座板的動力系數(shù)相近，在1.1～1.3 范圍內(nèi)波動；軌道板及鋼軌動力系數(shù)相近，在1.3～1.7范圍內(nèi)波動，說明CA砂漿層的阻尼效應(yīng)使主梁及底座板的動力系數(shù)明顯小于軌道板及鋼軌的動力系數(shù)，調(diào)整CA砂漿層的彈簧阻尼參數(shù)能有效控制移動列車作用下橋梁-軌道系統(tǒng)動力特性。

圖9 車速與構(gòu)件豎向位移動力系數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between speed and dynamic coefficient of components vertical displacement

3 結(jié)論

1)層間阻尼效應(yīng)使不同構(gòu)件層的豎向位移時程曲線的峰值和形狀有顯著差異，底座板、軌道板、鋼軌的豎向位移響應(yīng)峰值依次增大，主梁和底座板的豎向位移時程曲線形狀基本一致。

2)對于不同的行車速度，同一構(gòu)件層的豎向位移時程曲線形狀基本一致；隨行車速度的增加，各構(gòu)件的豎向位移時程曲線震蕩波動明顯增大。

3)輪對與橋-軌系統(tǒng)接觸位置的局部效應(yīng)非常顯著，且因?qū)娱g阻尼效應(yīng)的影響，輪對局部作用對軌道板、底座板和主梁的動力變形的影響依次減弱。

4)隨行車速度的增大，鋼軌、軌道板、底座板和主梁的動力系數(shù)整體上呈波動增大的趨勢；軌道板和鋼軌動力系數(shù)比較接近且明顯大于主梁和底座板的動力系數(shù)，調(diào)整CA砂漿層阻尼參數(shù)能有效控制移動列車作用下橋梁-軌道系統(tǒng)動力特性。