大准铁路32 m预应力混凝土梁桥横向动力性能试验研究

兰晓峰，刘鹏辉，尹 京，董振升

(1.神华准格尔能源有限责任公司 大准铁路公司工务段，内蒙古 010300;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

大(同)准(格尔)铁路1997年全线建成通车，是一条煤炭专用线，正线全长264 km，线路等级为Ⅰ级单线电气化铁路，全线各类桥梁共计141座，其中梁式桥102座556孔。自开通运营以来，对大准铁路不同跨度的桥梁进行过检定，出现问题最多的是横向振幅超限，尤其是32 m预应力混凝土梁式桥横向振动过大。

本文对大准铁路8座桥的21孔32 m预应力混凝土简支梁(梁图号专桥－2040、专桥2059，专桥2039)、60个桥墩(墩高从3.67～33.36 m，墩类型有圆形墩，圆端形墩，矩形墩，柔性墩)进行了桥梁横向振动测试。测试车辆类型有 C62、C64、C70、C80、C80H、C80BH、K18AK 以及 C62、C64、C70的混编列车，车辆编组分5 000 t和万吨列车，空、重车最高行车速度80 km/h，检测主要以运营货列为主。本文根据上述横向振动测试数据，综合分析32 m预应力混凝土梁的横向动力性能。

我国铁路桥梁检测主要是按照2004年《铁路桥梁检定规范》(后面简称为《桥检规》)来实施和评价的。《桥检规》中指出铁路桥梁运营性能检验有行车安全限值和通常值两种判别值，行车安全限值是保证列车以规定的速度安全通过，桥梁结构必须满足的限值，超过此值，应立即采取必要的措施。通常值是合格桥梁在正常运营中实测值的上限(挠度、振幅)、下限(频率)。铁路桥梁在运营过程中，如超过此值，应仔细检查桥梁结构是否存在隐藏的病害，同时调查列车曾否产生异常激励。

1 梁体横向自振频率

梁体横向自振频率可综合反映梁跨结构横向刚度的大小，通过环境微振动法测得的时域信号进行谱分析，得到桥梁的横向自振频率。实测大准线32 m预应力混凝土梁的横向自振频率在4.10～4.40 Hz之间。

2 梁体跨中横向振动

图1、图2分别为货列重车和货列空车作用下32 m预应力混凝土梁体跨中横向振幅与速度的关系。由于运营货列速度低，范围窄，车辆类型多，32 m预应力混凝土梁跨中横向振幅离散性大，与速度的关系不明显。从整体趋势来看，货列重车作用下梁体跨中横向振幅大于货列空车作用下横向振幅(表1)，且与列车编组有关。对于大部分桥梁，运营货列空车作用下，C62、C64或 C62+C64+C70明显比 C80、K18AK 作用下梁体跨中横向振幅大;C62+C64+C70重车、C80重车、K18AK重车作用下跨中横向振幅相差不大，但比C80空车、K18AK空车作用下跨中横向振幅大。货列空车作用下32 m预应力混凝土梁的跨中横向振幅均满足《桥检规》行车安全限值90/L=3.56 mm的要求;货列重车作用下墩高在20 m以上的32 m预应力混凝土梁的跨中横向振幅不满足《桥检规》行车安全限值3.56 mm的要求，其中下脑亥东沟大桥第3孔32 m预应力混凝土梁在C80重车速度34.6 km/h时跨中横向振幅达到了6.54 mm，接近《桥检规》行车安全限值的2倍。

图1 货列空车跨中横向振幅与速度的关系

图2 货列重车跨中横向振幅与速度的关系

表1 32 m梁实测跨中横向振幅 mm

3 墩梁耦合振动分析

车辆—梁体—桥墩横向振动是一种耦合的随机振动，列车作用下桥梁的横向动力响应包含桥墩和梁体的横向弯曲振动。为分析桥墩和梁体弯曲振动的耦合特性，将下脑亥东沟大桥第4孔32 m预应力混凝土梁跨中横向振动波形与扣除两端桥墩的横向振动进行联合分析如图3所示，两端桥墩横向振动在梁体跨中横向振动中占有较大比例。图4为货列重车作用下扣除两端桥墩横向振幅后32 m预应力混凝土梁跨中横向振幅与速度的关系，从图4中可以看出，下脑亥东沟大桥扣除两端桥墩横向振幅后的跨中横向振幅最大值仅为1.86 mm，满足《桥检规》行车安全限值3.56 mm的要求。

图3 梁体跨中横向振幅与扣除两端桥墩横向振幅

图4 货列重车作用下扣除两端桥墩后的跨中横向振幅与速度的关系

为分析桥墩和梁体弯曲振动的耦合特性，将大准铁路32 m预应力混凝土梁跨中横向振幅较大的3孔梁跨中横向振幅最大值及出现最大值时对应的两边桥墩横向振幅、扣除两端桥墩横向振幅后的跨中横向振幅进行综合分析。下脑亥东沟大桥第2孔32 m梁位于墩高分别为25.36 m、28.38 m，横向自振频率分别为1.67 Hz、1.34 Hz的桥墩上，在 C80重车速度为40.1 km/h时激振频率0.92～1.07 Hz下，桥墩横向振动幅值分别为1.77 mm、4.49 mm，梁体最大横向振幅为4.53 mm，扣除两端墩顶横向振幅后为1.40 mm。下脑亥东沟大桥第3孔32 m梁位于墩高分别为28.38 m、33.38 m，横向自振频率分别为1.34 Hz、1.30 Hz的桥墩上，在C80重车速度为34.6 km/h时激振频率0.84～0.93 Hz下，桥墩横向振动幅值分别为4.87 mm、4.44 mm，梁体最大横向振幅为6.54 mm，扣除两端墩顶横向振幅后为2.26 mm;下脑亥东沟大桥第4孔32m梁位于墩高分别为33.38 m、16.28 m，横向自振频率为1.30 Hz、2.17 Hz的桥墩上，在 C80重车速度为34.6 km/h时激振频率0.84～0.93Hz下，桥墩横向振动幅值分别为4.30 mm、1.17 mm，梁体横向振幅为4.45 mm，扣除两端墩顶横向振幅后为1.68 mm。从试验结果可见，目前，大准线32 m梁桥的横向振动过大的主要原因并非32 m梁自身的横向弯曲振动，而是桥墩引起的，所以在大准线上32 m预应力混凝土梁桥的横向振动控制中应重点针对桥墩进行治理。

4 墩顶横向振动

由于大准铁路32m预应力混凝土梁桥的横向振动在很大程度上是由于桥墩的横向振动过大引起的，桥墩横向振动与货列的激励频率、桥墩的自振特性有关，而货列的激励频率因货列的类型、编组、速度的不同而变化。桥墩横向振幅与桥墩横向自振频率的关系见图5。从墩顶横向振幅和自振频率的关系来看，货列重车和货列空车作用下墩顶横向振幅随桥墩横向自振频率的增大而减小，墩横向自振频率在1.0～2.5 Hz时，墩顶横向振幅最大，这与货车横向激励频率有关(图6)，实测货车在速度80 km/h范围内横向激励频率为0.5～1.8 Hz，与中高墩的有载自振频率可能接近，尤其是墩高>20 m的高墩，由于其有载自振频率低，在货列重车速度较低时就可能导致横向共振现象。

图5 桥墩横向振幅与桥墩横向自振频率的关系

图6 桥墩横向强振频率与速度的关系

桥墩横向振幅与墩高的关系见图7。从图7可以看出，货列空车作用下桥墩横向振幅随墩高的增长规律与货列重车有所不同，货列重车作用下桥墩横向振幅随着墩高的增加基本呈线性增大趋势，货列空车作用下桥墩横向振幅在墩高<20 m时随墩高的增加基本呈线性增长趋势，但在墩高>20m时随墩高的增加桥墩横向振幅增长缓慢。这主要是随着墩高的增大，桥墩质量较大，桥墩质量与活载质量之比较大，而货列空车作用下激励能量有限，桥墩横向振幅增长缓慢。实测货列重车作用下桥墩横向振动过大，实测桥墩横向振幅大部分不在《桥检规》墩顶横向振幅通常值范围内;货列空车作用下墩高>20 m的桥墩横向振幅大部分在《桥检规》通常值范围内。

图7 桥墩横向振幅与墩高的关系

5 结论

货列重车作用下梁体跨中横向振幅大于货列空车作用下横向振幅，且与列车编组有关。货列空车作用下32 m预应力混凝土梁桥的跨中横向振幅均满足《桥检规》)行车安全限值的要求;货列重车作用下墩高>20 m的32 m预应力混凝土梁桥的跨中横向振幅不满足《桥检规》)行车安全限值的要求。

目前大准线32 m预应力混凝土梁桥的横向振动过大的主要原因并非32 m预应力混凝土梁自身的横向弯曲振动引起的，而是桥墩引起的，桥墩横向振动与货列的激励频率、桥墩的自振特性有关。所以在大准线上32 m预应力混凝土梁桥的横向振动控制中应重点针对桥墩进行治理，尤其是墩高>20 m的高墩，由于其有载自振频率低，在货列重车速度较低时就可能导致横向共振现象。

［1］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号 铁路桥梁检定规范［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［2］王福天.车辆系统动力学［M］.北京:中国铁道出版社，1994.

［3］李谷.转8A转向架横向摆振问题探讨［J］.中国铁道科学，1996，17(1):32 －42.

［4］李谷.再论货车转向架的摆振问题［J］.中国铁道科学，1998，19(1):49-60.