朔黄铁路南排河特大桥健康状态评估研究

2016-11-15刘飞

城市道桥与防洪 2016年1期

关键词：桥墩振幅挠度

刘飞

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350）

朔黄铁路南排河特大桥健康状态评估研究

刘飞

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350）

为研究桥梁结构在水流冲刷作用下的健康状态，对朔黄铁路南排河大桥进行了动力测试。测试内容包括梁体横竖向振幅、自振频率、梁底应变、梁跨中挠度、支座横向位移以及桥墩自振频率和墩顶横向振幅。测试结果中除了墩顶横向振幅和桥墩自振频率外均能满足《铁路桥梁检定规范》规定的限值。这说明桥墩的横向刚度偏小，需采取一定的措施进行加固。试验中还比较了脉动法、余振法和冲击振动法等测量自振频率的方法之间的差异，推荐采用冲击振动法测试桥梁自振频率。

重载铁路桥梁；健康状态；动力试验；病害评估

0　引言

朔黄铁路作为我国西煤东运的第二大通道，是一条西起山西省神池站，东至河北省黄骅市黄骅港站的重载铁路。其输送能力大、效率高、运输成本低、经济和社会效益显著。经过十多年的运营，朔黄铁路沿线桥梁已经产生了较为严重的病害。特别是对于跨越河流的桥梁，其不仅承受运营列车的动力荷载，再加上流水冲刷河床以及水质的腐蚀性等原因，其下部结构可能出现地基破坏、刚度下降、耐久性和承载力不足等方面的问题。这些问题严重影响了铁路运营安全性。

本文以朔黄重载铁路南排河大桥为研究对象，对桥梁上部结构的横竖向自振频率、振幅、跨中挠度和跨中应变等动力指标进行了测试；并对该桥典型桥墩进行了横向振幅测试和冲击振动试验。通过与《铁路桥梁检定规范》规定的限值比较，评估了桥梁的在运营荷载下的健康状态。

1　桥梁概况

南排河特大桥（261#桥），桥梁全长601.5 m。上部结构为18孔32 m跨度预应力混凝土简支双片式T梁，图号为专桥2059。梁体支座采用盆式橡胶支座，图号为专桥8156。上行重车线为有缝线路。桥墩基础为钻孔桩基础，桩径1.0 m。其中4#、5#、6#墩位于主河道中。桥梁概貌见图1。

图1　南排河特大桥概貌

2　测试内容和测点布置

为了评估桥梁在重载列车作用下的工作性能以及流水冲刷对桥墩性能的影响。本文对南排河大桥重车上行线第3、5、6孔梁和2～6号墩进行了动力测试。测试内容包括梁体横竖向振幅、自振频率、梁底应变、梁跨中挠度、支座横向位移以及桥墩自振频率和墩顶横向振幅。

测点布置如下：在第3、5、6孔梁跨中布置横向测点，第5孔梁跨中布置竖向测点，第3孔梁跨中竖向布置动挠度计，梁底部布置应变片。第3、4孔梁端布置横向位移计，各墩顶布置横向测点。

3　铁路桥梁性能检定评估标准

桥梁运营性能检定评估主要依据是《铁路桥梁检定规范》［1］，32 m跨度T梁桥所采用的评估标准如下：

（1）当列车静活载（换算至中-活载）作用时，实测桥梁跨中竖向挠跨比通常值不大于1/1800；

（2）列车通过时，桥跨结构在荷载平面处跨中横向振幅行车安全限值［Amax］5%≤L/9 000；

（3）客车列车正常运行时，桥跨结构在荷载平面处跨中最大横向振幅［Amax］5%≤L/7B；

（4）客车列车正常运行时，桥跨结构最小自振频率f≥90/L；

（5）铁路桥梁桥墩墩顶横向振幅通常值［Amax］5%≤（H+Δh）2/100B+0.2；最小横向自振频率为不小于。其中，B为钢梁为主梁中心距（m），预应力混凝土梁为支座中心距（m）；H为墩全高（自基底或桩承台底至墩顶）（m）；Δh和α1为与地基土特征相关的参数。

4　试验结果分析［2-5］

朔黄铁路运营的重载列车车型主要为轴重为21 t的C64K，轴重为23 t的C70A，轴重为25 t的C80等三种运煤列车。其编组形式有5 000 t、10 000 t两种。本文测试了该桥上行重车线在重载列车过桥时的动力响应，并利用冲击振动试验法测试了桥梁的自振频率，最后将测量值与规范值《铁路桥梁检定规范》中的限值进行了比较。

4.1梁体自振频率

本次试验中，用冲击振动试验法对桥墩横向进行了冲击，测试分析了第3、5、6孔横向自振频率，同时采用人在梁跨中跳跃的方式分析了5孔梁体的竖向自振频率。桥梁在横向冲击荷载下的动力响应及频谱见图2。

图2　第5孔梁跨中横向冲击响应频谱图

图3　第5孔梁跨中竖向跳击响应频谱图

通过分析可确定第3、5、6孔梁的横向自振频率分别为2.88 Hz、3.00 Hz、3.00 Hz，识别横向自振频率均高于32 m跨度梁的横向自振频率通常值2.81 Hz。另依据冲击振动试验法的基本原理，从图3可以准确判定第5孔梁的竖向自振频率5.5 Hz。

4.2梁体横竖向振幅

试验测试了在运营列车作用下，第5孔北、南两片梁实测跨中竖向振幅，其统计结果见表1。第3、5、6孔北、南两片梁实测横向振幅统计结果见表2。第5孔梁横向加速度幅值见图4。

图4　第5孔梁横向加速度幅值

从表1中可以看出，第5孔北片梁跨中最大竖向振幅为0.976 mm，南片梁跨中最大竖向振幅为0.547 mm。北侧梁比南侧梁的竖向振幅大，说明两片梁竖向协同工作状态较差并且列车荷载有一定偏心。

从表2中可以看出，第3孔梁跨中最大横向振幅为2.444 mm。第5孔梁北片梁跨中最大横向振幅为1.801 mm，南片梁跨中最大横向振幅为2.42 mm。第6孔梁北片梁跨中最大横向振幅为1.825 mm，南片梁跨中最大横向振幅为1.672 mm。实测梁体跨中横向振幅均小于《桥检规》跨中横向振幅通常值2.54 mm。实测梁跨中横向加速度幅值均小于《桥检规》跨中横向加速度限值1.4 m/s2。

4.3桥墩自振频率

就自振频率的识别，目前国内外常用的方法主要包括环境振动法（脉动法）、结构自由衰减振动法（余振法）和激振模态分析法（模态法）。由于桥墩在环境激励下的响应信号非常微弱、信噪比低，所以用环境振动法很难识别出其自振频率。另外，受车辆重量、道路不平顺以及墩梁耦合等因素的影响，桥梁下部结构在车辆作用下的余振响应频谱非常凌乱，也不易进行模态识别。用模态法可以准确识别出自振频率，但是由于其操作复杂、使用成本高，所以一般不用于下部结构动力测试。近年来北京交通大学战家旺提出了利用冲击振动试验法来测试桥梁和桥墩自振特性，该方法操作简单、测试速度快、识别结果准确。

本次试验，分别利用余振法、脉动法和冲击振动法识别桥墩自振频率，比较3种方法之间识别结果的差别。以5#墩为例进行说明（见图5～图9及表3）。

表1　梁跨中竖向振幅统计结果

表2　梁跨中横向振幅统计结果

图5　5#墩余振响应时程及频谱图

图6　5#梁余振响应时程及频谱图

图7　5#墩脉动响应时程及频谱图

图8　5#梁脉动响应时程及频谱图

图9　5#墩横向冲击响应时程及频谱图

从图5中可以看出在5#墩频谱图在3.125 Hz处出现峰值，但观察图6可以看出，5#梁频谱图也在3.125 Hz处出现峰值，该值与梁的自振频率识别值接近。因此利用余振法识别桥墩自振频率时，容易将梁的频率误判为墩的自振频率。

对于脉动法的结果，从图7中可以看出5#墩脉动响应峰值出现在2.25 Hz，与计算所得桥墩自振频率接近。而5#梁脉动响应峰值也出现在2.25 Hz处，因此，对于刚性桥墩，脉动法测得的卓越频率一般为梁的频率，而对于柔性墩，脉动法测到的卓越频率一般为墩的频率。当频谱图出现多个峰值时，只能主观地将幅值较高的峰值对应的卓越频率确定为桥墩的自振频率，不具有科学性。

表3　墩顶横向振幅统计结果

利用冲击振动试验法对桥墩进行冲击，其动力响应及频谱图见图9。在2.23 Hz处满足180°相位角条件，因此5#墩的横向自振频率为2.23 Hz。可见冲击振动法不仅能够准确识别柔性墩的频率，也可对刚性墩的频率进行识别，且能排除梁与相邻桥墩振动的影响，识别结果较余振法、脉动法更为准确。如果不结合相位谱，仅仅利用响应的幅值谱，很难从复杂的频谱中确定桥墩的自振频率，这是冲击振动试验法的最大优势。

4.4墩顶动挠度和动应变

在运营列车作用下，第3孔北、南两片梁跨中动挠度统计结果见表4，动应变统计结果见表5：从表4中可知，第3孔北、南两片梁在C64K、C70A和C80列车作用下，实测跨中动挠度最大值分别为9.217 mm、10.123 mm和12.279 mm。将C64K、C70A和C80列车荷载下梁体静挠度折算到中-活载作用下的静挠度见表6。可以看出，折算到中活载后的静挠跨比均小于《桥检规》规定的挠跨比限值1/1800。

从表5可以看出，第3孔北、南两片梁中的4个应变测点在C64K、C70A和C80列车作用下的动应变最大值分别为128.3 με、134.1 με和172.0 με。

由此可以得出，梁体处于线弹性阶段，就梁体承载能力而言，结构处于安全状态。

4.5支座横向位移

在运营列车作用下，第3、4孔北侧梁实测梁端支座横向位移统计结果见表7。C64K、C70A和C80列车分别对应的，第3～10孔梁滑动端支座横向位移最大值分别为0.328 mm、0.337 mm、0.301 mm。支座位移均小于《桥检规》梁端支座位移限值2 mm。