戴公連 龍綠軍 劉文碩

摘要：開展了行車條件下高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道橋梁系統(tǒng)的動力響應(yīng)現(xiàn)場測試，測試CRH380A001型列車以285～350 km/h時速通過時無砟軌道-32 m標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的動力響應(yīng).通過現(xiàn)場采集與數(shù)據(jù)分析，得到了鋼軌、軌道板、底座板、橋面板的豎橫向加速度幅值，橋墩頂縱橫向絕對位移.結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)各層加速度在列車時速達到295 km/h左右時，急劇增大，之后順?biāo)俳档?，出現(xiàn)陡波峰；車致振動加速度響應(yīng)自鋼軌軌道板底座板橋面板，自上至下呈明顯的遞減趨勢，振動衰減較為明顯.此外，基于實測的梁體自振頻率與阻尼比，分析了梁體動撓度的簡化計算方法，計算結(jié)果與實測梁體動撓度較接近.實驗結(jié)果可為改進數(shù)值分析模型、驗證計算結(jié)果提供依據(jù).

關(guān)鍵詞：高速鐵路；CRTSⅡ型板式無砟軌道；動力響應(yīng)；簡支箱梁橋；現(xiàn)場試驗

中圖分類號：U211.3； U441.3文獻標(biāo)識碼：A

CRTSⅡ型板式無砟軌道具有重量輕、維修養(yǎng)護工作量少、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在我國京津城際、京滬、京廣、滬杭、杭長等客運專線得到廣泛應(yīng)用，截止至2014年10月，國內(nèi)鋪設(shè)里程單線已超過10 000 km.

車致橋梁振動問題，國外早在20世紀(jì)70～80年代便已進行較廣泛的研究[1-2]，取得了比較大的成果.對于鋪設(shè)無砟軌道的高速鐵路橋梁來說，梁軌系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)的動力特性是其重要研究課題之一.夏禾等在法國的Antoing大橋及我國秦沈客運專線上進行了高速列車作用下的動力試驗，得到了梁體、橋墩及車輛的一些動力指標(biāo)[3-4].翟婉明院士根據(jù)秦沈客運專線行車實驗，分析了車軌道橋梁系統(tǒng)的相互作用機制，認為高速列車/橋梁振動分析中需充分考慮軌道結(jié)構(gòu)參振并引入精確的動態(tài)輪軌作用關(guān)系[5].中國鐵道科學(xué)研究院開展時速200～250 km及300～350 km高速鐵路橋梁動力試驗，對常用跨度簡支梁橋以及連續(xù)梁橋的自振特性、剛度參數(shù)、梁體動力響應(yīng)以及動車組通過橋梁時的安全性和平穩(wěn)性進行了分析[6-7].

然而，已有軌道橋梁系統(tǒng)動力特性的研究多為理論分析[8-12]，實驗較少，且試驗多為短期試驗，此次試驗對不同車型、不同時速下梁軌系統(tǒng)的動力響應(yīng)進行了長達5個月的測試.可為改進數(shù)值分析模型、驗證計算結(jié)果提供依據(jù)，對提高高速鐵路橋梁的動力設(shè)計水平、保證行車安全，具有重要意義.

1測試試驗方案

1.1橋梁及CRH380A001型列車介紹

選擇一座12孔32 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑簡支箱梁橋的其中3孔為試驗對象.橋面凈寬12 m，防護墻內(nèi)側(cè)凈寬為8.8 m；線路中心梁高3.05 m，兩側(cè)梁高3.078 m；梁長32.6 m，計算跨度31.5 m.橫橋向支座中心距4.5 m.橋墩采用圓端形低墩，基本約為3.5～5 m，橋臺采用矩形空心臺，基礎(chǔ)采用直徑Φ1.0 m的鉆孔樁，樁長約為21.5～24 m.橋上采用CRTSⅡ型板式無砟軌道.

試驗測得50趟CRH380A001型列車在不同時速激勵下軌道橋梁系統(tǒng)的動力響應(yīng).CRH380A001型列車為8節(jié)編組、4軸，軸距為2.5 m，鉤到鉤距離為Lv，約25 m.定員最大軸重為16 t，空車質(zhì)量35.9 t，轉(zhuǎn)向架質(zhì)量7.3 t，其簧下質(zhì)量2 t[13].實測列車速度分布情況見表1.列車通過橋梁時的車梁墩基礎(chǔ)系統(tǒng)見圖1.

1.2測點布置

選擇與橋臺相接的1，12號兩孔簡支梁及中間6號孔簡支梁為測試對象，在選定橋跨的梁端、1/4跨、1/2跨等關(guān)鍵斷面布置測點，鋼軌、軌道板、底座板、橋面板、墩臺、路基、地面等處均設(shè)有加速度傳感器，總共設(shè)置了120個加速度、59個位移計、9個應(yīng)變.測點布置見圖2，圖中，橋上結(jié)構(gòu)布置的儀器，“中”表示布置在線路中心線，“右線”表示布置在小里程至大里程方向的右線外側(cè)，未經(jīng)說明部分均布置在小里程至大里程方向的左線外側(cè).

1.3測試儀器

采用ICP、941B型拾振器、SMWWYDC25D型位移計等傳感器采樣，并用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)便攜式動態(tài)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)自動采集存儲上傳數(shù)據(jù).ICP由磁座吸附在鋼軌上，橋上位移計用鋼腳架固定，墩頂相對位移計用磁性表座固定，為得到列車運行速度，在鋼軌上粘貼了應(yīng)變花，儀器安裝情況見圖3.

2梁體自振頻率及阻尼比

橋梁橫向、豎向自振頻率及阻尼比，是表征橋梁動力特性、檢驗橋梁動力性能的重要指標(biāo).

參考文獻[14]，計算梁體的一階豎向自振頻率公式為：ω2=π4EI/l4μ，其中l(wèi)為梁體長度，μ為每延米質(zhì)量，取24 540 kg/m.用此公式算得裸梁的自振頻率為5.95 Hz.

參考文獻[7]，實測32 m簡支箱梁的豎向基頻為6.8 Hz.

目前，常見的測試與分析梁體自振頻率的方法有脈動法、車輛余振法、跳梁法及力錘敲擊法等.文中采用車輛余振法，選取6#跨，通過對車輛通過后的余波進行自譜分析，得到梁體（在上部軌道系統(tǒng)作用下）的一階豎向、橫向自振頻率，見表2.

由表中數(shù)據(jù)可知，實測梁體一階豎向自振頻率為6.875～7.5 Hz，梁體一階橫向自振頻率為9.9～10.45 Hz.在上部軌道系統(tǒng)作用下的梁體豎向自振頻率比裸梁的自振頻率大.雖然軌道結(jié)構(gòu)加大了橋梁的荷載，但CRTSⅡ型板式無砟軌道是縱向連續(xù)的，橋跨通過剪力齒槽與底座板固結(jié)在一起，增大了梁端的約束，不同橋跨通過上部軌道結(jié)構(gòu)相互影響，其總體剛度增大.根據(jù)實測信號，得到梁體一階豎向自振的阻尼比為0.06.

加速度的大小可反映軌道橋梁各層結(jié)構(gòu)振動的強弱.為研究車致橋梁振動響應(yīng)在無砟軌道結(jié)構(gòu)各層（鋼軌、軌道板、底座板）以及與橋梁之間的傳遞規(guī)律，在各層結(jié)構(gòu)均布置了加速度傳感器進行測試.

3.1無砟軌道簡支梁橋系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)豎向加速度

以6#跨為例，分析無砟軌道各層及橋面板的豎向加速度響應(yīng).對測得的信號進行時域分析，得到列車不同時速運行下結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)幅值，見圖4.所取值為列車運行時，有載側(cè)加速度響應(yīng)幅值，另外，線路中心跨中截面橋面板的加速度響應(yīng)也對應(yīng)給出.

從圖中可知：

1）當(dāng)列車行駛速度為285～350 km/h時，各層結(jié)構(gòu)豎向振動的加速度幅值隨速度變化在一定范圍內(nèi)波動，呈現(xiàn)一定的隨機規(guī)律性.這是由于車輪與軌道的接觸狀態(tài)不同[15]（即車輛作用在軌道橋梁系統(tǒng)上力的大小、方向、作用點不同）導(dǎo)致的.另外，橋梁結(jié)構(gòu)頻率特性、車輛頻率特性、車軌道橋梁的阻尼、車輛運行速度、軌道不平順等都會影響軌道橋梁系統(tǒng)的加速度響應(yīng)，故結(jié)構(gòu)豎向加速度幅值并不受列車運行速度單一影響.

2）分析各截面的車致振動加速度響應(yīng)，梁端截面處軌道板、底座板、橋面板豎向加速度幅值相比跨中、1/4跨截面較大；而鋼軌豎向加速度幅值在1/4跨截面最小，在梁端截面與跨中相差不大.

3）結(jié)構(gòu)各層豎向加速度幅值速度曲線均在列車速度為295 km/h左右時，急劇增大，之后順?biāo)俳档?，出現(xiàn)陡波峰.同一截面處不同層結(jié)構(gòu)豎向加速度隨速度變化的曲線變化趨勢相近.

列車以一定時速通過橋跨，對軌道橋梁系統(tǒng)產(chǎn)生激勵荷載，使結(jié)構(gòu)受迫振動.參考文獻[16]，其豎向激勵頻率主要取決于列車速度v（km/h）和車長d（m），激勵頻率f激勵=v/（3.6d）=0.011 1 v.當(dāng)激勵頻率為結(jié)構(gòu)自振頻率的1/i（i=1，2，3，…）時，將產(chǎn)生共振或超諧共振，使結(jié)構(gòu)的加速度幅值急劇變大.

由第2節(jié)可知，實測的梁體（在上部軌道系統(tǒng)作用下）的一階豎向自振頻率為6.875～7.5Hz，則其共振速度為619.4～675.7 km/h，二階超諧共振速度為309.7～337.8 km/h.在實測的列車運行速度285～350 km/h范圍內(nèi)，存在二階超諧共振速度.

圖4中實測的各層結(jié)構(gòu)豎向加速度幅值速度曲線，在列車速度為295 km/h左右時，出現(xiàn)二階超諧共振的現(xiàn)象.出現(xiàn)波峰的速度與理論計算的梁體二階超諧共振速度有一點出入，相差不是很大.引起這種差別的原因有：測試數(shù)據(jù)本身存在誤差，包括加速度幅值、列車速度、橋梁自振頻率等；理論計算方法為近似計算，和實際情況有區(qū)別.

4）在CRH380A001列車動荷載作用下，車致振動豎向加速度響應(yīng)自鋼軌軌道板底座板橋面板，呈明顯的遞減趨勢，振動衰減較為明顯.如表3所示.

5）橋面板的振動是研究軌道橋梁系統(tǒng)動力特性的重要指標(biāo).

根據(jù)測試得到的數(shù)據(jù)，線路中心橋面板的豎向加速度相對兩側(cè)較大，最大幅值為4.1 m/s2，接近《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB 10621-2014）限值0.5 g[17].箱梁的橋面板相當(dāng)于一塊薄板固結(jié)在兩塊腹板上面，由圖2可知，橋面板有載側(cè)的測點在箱梁腹板附近，其振動為梁體的整體振動，而線路中心線處橋面板的振動除了梁體的整體振動，還有橋面板的局部振動.UIC規(guī)范中規(guī)定的橋面板加速度為沿線路橋面的加速度，規(guī)范中橋梁豎向加速度限值需說明具體的部位.

3.2無砟軌道簡支梁橋系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)橫向加速度

為研究無砟軌道簡支梁橋系統(tǒng)的橫向振動特性，同樣在跨中和梁端等位置布置了橫向加速度傳感器，以6#跨為例，相應(yīng)截面有載側(cè)各層結(jié)構(gòu)橫向振動加速度幅值見圖5.

行車速度/（km·h-1）

從圖中可以看出：

1）當(dāng)列車行駛速度為285～350 km/h時，各層結(jié)構(gòu)橫向振動的加速度幅值隨速度變化在一定范圍內(nèi)波動.其值在列車速度為295 km/h左右時，出現(xiàn)波峰.

參考文獻[18]，車橋第一種橫向共振速度vbr=3.6fbnd/i（n=1，2，…；i=1，2，…），其中fbn為橋梁的n階橫向自振頻率.

由第2節(jié)可知，實測的梁體（在上部軌道系統(tǒng)作用下）的一階橫向自振頻率為9.9～10.45 Hz，則其共振速度為891.9～941.4 km/h，二階超諧共振速度為445.95～470.7 km/h，三階超諧共振速度為297.3～313.8 km/h.在實測的列車運行速度285～350 km/h范圍內(nèi)，存在三階超諧共振速度.

圖5中實測的各層結(jié)構(gòu)橫向加速度幅值速度曲線，在列車速度為295 km/h左右時，出現(xiàn)三階超諧共振的現(xiàn)象.同豎向加速度，出現(xiàn)波峰的速度與理論計算的梁體三階超諧共振速度相差不大.

2）對比分析各截面的車致振動加速度響應(yīng)幅值可知，鋼軌、軌道板跨中截面橫向加速度幅值相對梁端截面較大，橋面板跨中截面橫向加速度幅值相對梁端截面較小.

3）在CRH380A001列車動荷載作用下，車致振動橫向加速度響應(yīng)由上至下同樣呈明顯的遞減趨勢，振動衰減較為明顯.如表4所示.

01運行下位移動力響應(yīng)

高速鐵路運行速度高，對線路的平順性提出了更高的要求.由于橋梁在高速鐵路中占的比重相當(dāng)大，嚴格控制橋梁的變形十分必要.試驗對梁底及橋墩的絕對位移進行了測試.列車以299 km/h速度通過時，6#跨梁底跨中撓度時程曲線見圖6.

時間/s

4.1豎向動撓度簡化計算

4.1.1列車荷載簡化

一個集中荷載P0以速度v通過橋跨，當(dāng)其到達跨中時，跨中撓度最大，根據(jù)位移互等定理，P0作用在其他截面時，跨中的位移，與車輪作用在跨中時，該截面的位移相等，見圖7.

5結(jié)語

1）當(dāng)列車行駛速度為285～350 km/h時，各層結(jié)構(gòu)加速度幅值隨速度變化在一定范圍內(nèi)波動，加速度幅值行車速度曲線均在列車速度為295 km/h左右時，急劇增大，之后順?biāo)俳档?，出現(xiàn)陡波峰.

2）在CRH380A001列車荷載作用下，車致振動加速度響應(yīng)自鋼軌→軌道板→底座板→橋面板，呈明顯的遞減趨勢，振動衰減較為明顯.

3）橋面板線路中心處豎向加速度相比線路兩側(cè)較大，最大幅值為4.1 m/s2，接近《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB 10621-2014）限值0.5 g.

4）實測列車以不同速度通過時，梁體的最大動撓度為0.566 mm，與簡化計算方法得到的最大動撓度值比較接近，在工程允許的誤差范圍內(nèi)，簡化計算方法可行.橋墩墩頂橫向動位移最大值為0.082 mm，墩頂縱向最大位移為0.160 mm.

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