新菏线跨京广特大桥振动异常的检定

2010-07-30魏树林许光宏罗锦章

铁道建筑 2010年4期

魏树林，许光宏，罗锦章

(郑州铁路局工务检测所，郑州 450052)

1 桥梁及初步测试概况

新菏线上行跨京广特大桥，单线，全长3 016.1 m，由326孔8 m普通钢筋混凝土梁、9孔16 m、1孔24 m以及1孔32 m预应力混凝土梁组成。8 m梁设橡胶支座，16 m梁设弧形支座，32 m梁设摇轴支座。8 m梁下部结构为双柱式钢筋混凝土拼装式桥墩，扩大基础，地基经强夯加固;16 m梁下为双柱式钢筋混凝土桥墩，钻孔桩基础;24 m、32 m梁下部为板式钢筋混凝土桥墩，钻孔桩基础。桥址处属黄河冲积平原，基础置于砂黏土或粉砂中。桥上为无缝线路，其中西段位于曲线。于1985年建成开通运营。通过列车为全列煤炭。

2009年5 月发现列车通过时该桥梁振动显著。振动试验发现梁跨中横向振幅达8.49 mm，超出行车安全限值(0.89 mm)[1]854%。墩顶横向振幅达7.96 mm(《铁路桥梁检定规范》对轻型桥墩振动没有规定，相似外观的桥墩通常值为0.39 mm)。扩大基础顶最大横向横向振幅为0.30 mm。由于实测梁跨、墩顶、基顶横向振幅巨大，超乎以往的实测经验，试验后立即对桥梁采取了限速运营等措施。

2 试验布置

为探求桥梁横向振幅过大的原因，拟进一步通过测振仪、测挠仪取得该桥梁体、桥墩以及基础的振动、位移数据，分析列车作用下的桥梁结构振动、位移状态信息。

试验中重点测试了振动显著的257#墩、基础以及左右梁体，测点布置示意如图1、图2。

挠度仪靶标位于墩顶，将同时测取墩顶横向、竖向位移，以期能探测到诸如基低承载力不均、软弱地基、墩身与基础连接缺陷等桥梁下部结构病害，同时复核测振仪测得的墩顶横向、竖向振动。

图1 试验测点布置示意

图2 257#墩墩顶及基顶测点布置

3 试验成果分析

3.1 桥梁振幅、频率及位移

由于列车限速，本试验列车通过时速度为26～38 km/h，实测梁跨中横向振幅达6.78 mm，超出行车安全限值662%;加速度满足运营性能检验值。墩顶横向振幅达5.57 mm、竖向0.58 mm。基顶横向振幅达0.29 mm、竖向0.18 mm。列车通过时梁跨、墩顶振动频率1.2～1.6 Hz。脉动试验数据显示梁墩体系自振频率为1.81 Hz。

测挠仪实测列车通过时墩顶竖向下沉0.33～0.50 mm，向南横向偏移0.36～1.60 mm，竖向振幅0.46～0.87 mm(测振仪所得约为0.25 mm)，横向振幅4.54～5.69 mm(与测振仪所得相当)。

3.2 典型的振动时域图

1)实测自由状态下、列车作用下的数据表明:梁跨、墩顶横向振动大小接近;基顶、基础旁地面振动大小接近;各振动波形较一致。基顶四个竖向振动，在自由状态下竖向振动基本一致，列车作用下竖向振动相位基本接近，北侧的2个测点(①、④)与南侧的2个测点(②、③)分别位于基线两侧。

2)墩顶竖向测点显示，自由状态下4个竖向振动基本一致(图3);列车作用下振动相位南北基本相对，也可见同一时刻④测点与其它测点分别位于基线两边的峰或谷(图4)。

图3 在自由状态下墩顶竖向振动

3)墩顶、基顶纵向振动。

自由状态及列车作用下的墩顶、基顶纵向振动，见图5、图6，图中较大幅值者为墩顶之。

3.3 墩顶横向振动组成分析

根据弹性结构小变位叠加原理，墩顶横向振动的幅值(Δ)，包含有双柱墩身在横向水平力作用下的弹性变位(δ1)、基础横向振动变位(δ2)以及基础竖向转动引起的墩顶横向几何变位(δ3)，即 Δ =δ1+δ2+δ3，其中δ1为墩身横向刚度的表征，δ2、δ3为基础稳定度的表征。结构变位示意图7所示。

上述Δ、δ2直接测得，δ3通过布置于基础顶部的4个竖向测振仪实测数据求出基础的竖向转动轴及其转动角度，即可得到墩顶处的横向几何变位。最后由:δ1= Δ － δ2－ δ3确定 δ1。通过分析比较 δ1、δ2和 δ3在墩顶横向总变位中所占的比重，以作为墩身横向刚度大小及基础稳定度的重要判据。

图4 在列车通过下墩顶竖向振动

经对实测数据分析，基础南侧的竖向振动明显大于北侧。墩顶振幅以墩身在横向水平力作用下的弹性变位δ1为主，约占85%，基础横向振动变位 δ2约占5%，基础竖向转动引起的墩顶横向几何变位 δ3约占10%。即墩顶横向振幅中基础的影响约占到15%。

4 引起墩顶横向振动异常的原因分析

4.1 地基不良对梁跨、墩顶横向振动的影响

实测位移数据显示货车通过257#墩顶竖向下沉及向南横向偏移，且南侧偏弱;基础竖向振动中南侧振动大于北侧，且基础导致的墩顶横向振动达15%。实测显示存在地基压缩量较大或地基不良的可能。

图5 在自由状态下墩顶、基顶纵向振动

图6 在货车通过下墩顶、基顶纵向振动

图7 墩顶横向变位示意

该墩南侧为积水洼地，北侧为乡村公路的地形、地物上的缺陷，与偏大的实测值相吻合。另外273#基础地基所处环境优于257#基础地基，273#基础振动明显小于257#基础。

竣工资料显示该桥扩大基础中有189个地基进行了强夯处理，以使其砂黏土地基承载力达到150 kPa以上的设计要求。根据该桥实施的强夯工艺，其单击夯击能较小，地基有效加固深度分别为4～5 m、3 m两种，夯击有效加固深度较浅[2];竣工资料显示其竣工检测的范围与数量略小，因此该桥基础存在强夯后不满足设计的可能。另外在运营后该处地貌发生了较大变迁，存在由于排水条件变化造成的地基浸水，形成性能不良的地基(如256#、257#间的坑洼)。

地基、基础、桥墩、梁跨在列车通过时振动将相互影响，在列车通过形成的联合动力反应机构中，地基与基础的相互作用取决于地基和基础的相对质量和相对刚度。该拼装式双柱型桥墩截面较小，在墩顶有较大振幅的状态下，易开裂，开裂后的桥墩、基础结构体系，横向动力性能极差(由欧拉公式，结构由一端固结、一端铰接结构变为两端均铰接，临界荷载将缩小1/2)。地基不良可以造成地基上的结构状态以及动力响应异常。该桥多处墩身底部出现环状裂缝，这些桥墩往往埋置较差，基顶外露，也存在排水较差的地形等可导致不良地基的条件。

4.2 特有的桥式及桥梁体系自振频率等原因

C62货车以30～60 km/h速度通过，将对该8 m跨度梁形成1.24～2.48 Hz(由 v/l车长×2得到)的强振频率，而脉动试验显示自由状态下桥梁体系(8 m梁跨、橡胶支座、双柱型墩)以1.81 Hz频率自由振动，另外根据该桥地基地质，地基自由振动频率为1.5～2.5 Hz[3]。当结构自身频率与外界作用力频率接近，容易形成准共振，可见桥梁的地基动力响应对整个桥梁体系极为不利。1.81 Hz的作用频率，相应的货车速度为43.8 km/h，所以40 km/h左右的货车速度是造成该桥梁结构较大动力响应的最不利速度，30 km/h～60 km/h的货车速度对于该桥亦较不利，与实测较一致。另外该多跨长桥还存在以下不利的因素:一是容易造成不良车况车辆形成的振动持续，再是易发生车桥体系准共振，实测振动时域图中可见较大振幅在列车通过中持续的现象。