地震作用下高速铁路桥梁动力响应试验分析

孟 鑫，刘鹏辉，王 巍，王一干，董振升，杨宜谦

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081）

引言

地震是一种突发的地壳剧烈运动，因地震而毁坏的桥梁数量远远多于由风振、船撞等其他原因而破坏的桥梁［1-3］。中国规划的“四纵四横”客运专线大多处于地震区，高速铁路桥梁抗震性能、地震预警研究是近年来的热点问题。

文献［1-3］利用有限元软件建立了车辆-轨道-桥梁（路基、接触网立柱、声屏障）耦合系统动力学模型，研究地震时列车的运行安全性，得到了高速铁路地震预警系统的报警阈值，探讨了地震发生时高速列车在桥上安全运行的临界速度问题。马莉等［4］确定了中国高速铁路地震预警方法、搭建了地震监测台站及铁路局中心系统，将铁路沿线的地震监测台站和地方台站的预警信息进行融合，提高沿线台站P波预警的准确性和时效性，并在大西高速综合试验中进行了历时两年的现场试验。余志武等［5］针对多动力（列车、地震、侧风）作用下高速列车-轨道-桥梁系统动力学理论与关键技术开展了模型试验、现场测试、理论分析与数值仿真，提出基于概率密度演化理论的多动力作用下轨道-桥梁系统随机振动分析方法和基于可靠度理论的桥上行车安全评定方法，研发了高速铁路轨道-桥梁系统试验平台和成套试验技术，提出高速铁路轨道-桥梁系统抗震设防、防风设计理念和评估方法，并研发了抗震防风及减灾技术。由于地震的偶发性，地震作用下桥梁动力响应研究多以仿真计算、室内振动台试验的方法为主，实桥现场试验数据较少。在某高速铁路联调联试桥梁动力性能测试期间，发生了“九寨沟地震（7.0级）”，桥梁测点完整记录了地震作用下桥梁动力响应实测数据。分析研究各类试验数据，可得到真实的桥梁动力响应特征，可为桥梁抗震计算、桥梁运营性能评估和铁路地震预警提供参考。

1 试验概况

2017年8月8日21时19分，四川省 阿坝州 九寨沟县发了7.0级地震。据国家强震动台网中心测定，震中位于北纬33.20°、东经103.82°，震源深度20 km［6］。桥 址 距 离 震 中 约195 km，位 于 北 纬32.50°、东经105.85°。桥址周边分布有3个强震动观测台站，国家强震动台网中心发布的地震记录分析如表1所示，由地震观测仪器获取的地震烈度最大值为4.0。

表1 九寨沟地震强震动记录Tab.1 Seismic station records of Jiuzhaigou earthquake

某高速铁路设计速度为250 km/h，桥梁采用ZK活载设计。联调联试桥梁动力性能测试了24 m简支箱梁、32 m简支箱梁和（76+144+76）m连续箱梁。简支箱梁采用通桥（2009）2229系列梁图，大跨度连续箱梁特殊设计。桥梁支座采用球型钢支座。桥墩主要采用圆端形墩，嵌岩桩基础，地质条件为弱风化的白云质灰岩。桥上采用CRTS-I型双块式无砟轨道，直线、平坡。试验桥梁概况及测点布置如表2和图1所示。桥梁设计地震参数取值：地震动峰值加速度为0.1g（相当于地震基本烈度七度），地震动反应谱特征周期为0.45 s。

图1 桥梁结构形式及动力响应测点布置示意图Fig.1 Bridge structure and dynamic response test points layout

表2 试验桥梁概况Tab.2 Basic information of the test bridge

采用891-II型传感器，采集桥梁跨中截面桥面顶板的振动信号，用硬件积分将速度信号转换为振幅，传感器通频带2-100 Hz。加速度通频带0.5-80 Hz，按照规范要求采用20 Hz低通数字滤波后取值。桥梁挠度测试采用位移计法，由梁体底板吊锤至地面。梁体底板应变采用弓式应变计测试。

高速铁路联调联试期间，在桥梁上布置了大量试验测点，完整记录了地震作用下桥梁动力响应实测数据。桥梁动力性能测试内容包括：结构振动（梁体横向和竖向振幅、梁体横向和竖向加速度、墩顶横向振幅）、结构动位移（梁体竖向挠度、墩梁横向位移、梁缝横向位移、梁端竖向转角）、结构动应变等。振动测点采用891-II型传感器，应变采用弓式应变计，位移测点采用差动式位移计等。各类传感器与桥梁结构紧密连接，真实反映桥梁结构的动力响应。

2 地震作用下桥梁结构振动响应特征

2.1 结构振动及地震预警时间

地震产生的多种地震波中，主要有质点运动方向与波动方向平行的P波（压缩波）、质点运动方向与波动方向垂直的S波（剪切波）。P波传播速度较快（约为5.5-7 km/s），但振动强度较弱，一般不会造成破坏性后果；S波传播速度较慢（3.2-4 km/s），但振动强度大，是造成破坏性后果的主要原因［7-9］。

地震作用下实测桥梁结构梁体跨中的横向、竖向振动响应典型时域波形如图2所示。P波、S波作用下桥梁结构动力响应波形特征、数值大小区分明显。不同形式的孔跨结构在地震P波作用下，振动响应变化趋势均较为平缓，数值较小。在S波作用下桥梁结构响应迅速增大，振动响应最大值约为P波作用下的2-5倍。S波作用（约20 s）结束后，桥梁结构进入较长时间的自由振动衰减，直至相对静止。综合各类测试数据判断，距离震中195 km的桥梁结构处于弹性工作状态。

图2 地震作用下梁体跨中振动响应典型时域波形Fig.2 Typical time domain waveform of vibration response of bridge structure under earthquake action

地震预警基于P波传播速度比S波快（约为3倍）的原理而提出的［8］。桥址处P波到达时间与S波到达时间间隔约为25.5 s，桥址距震中约195 km，假定P波波速是S波波速的3倍，推算得到P波波速约为5.60 km/s，S波波速约为3.23 km/s，P波抵达桥址时间约为34.8 s。假定数据分析和信息传递时间为10 s，如铁路地震预警系统与“国家强震动台网中心”信息融合后，距震中195 km桥址处“异地震前预警”时间约为50 s，如仅在高速铁路沿线布设监测点，“现地地震P波预警”时间约为15 s。

2.2 桥梁结构振动频谱分析

地震作用下桥梁结构动力响应是对不同频率振动分量响应的叠加，地震波中与结构固有频率接近的谐波分量会被放大，其余频率谐波分量将保持原有作用或者被抑制［7-9］。对不同测点位置的桥梁结构动力响应时域波形进行傅里叶变换，频谱分析结果如图3所示。

图3 地震作用下桥梁结构动力响应幅值谱图Fig.3 Typical frequency domain waveform of vibration response of bridge structure under earthquake action

振动在传播过程中高频成分衰减快于低频成分。对桥梁结构振动响应的频谱分析可知，振动峰值集中在1.1-1.7 Hz区段，与桥梁结构较小数值的自振频率吻合。墩高36.5 m的3#桥墩横向自振频率为1.61 Hz，（76+144+76）m连续箱梁横向和竖向第1阶自振频率为1.22和1.46 Hz。桥梁结构以低频横向振动为主，横向振动数值大于竖向。

由于高速铁路24，32 m简支箱梁横向自振频率一般大于20 Hz，地震作用下简支箱梁横向振动响应以较低频率的桥墩振动为主；24，32 m简支箱梁竖向自振频率为5.42，10 Hz，实测竖向自振频率处的振动响应虽然有峰值但数值较小。地震作用下（76+144+76）m连续箱梁横向振动表现为桥墩和梁体的耦合振动，桥墩横向振动幅值大于76 m边跨跨中梁体，144 m中跨跨中横向振动梁体幅值大于桥墩；竖向振动以连续箱梁1阶自振频率为主。地震作用下不同墩高的桥墩横向振动以3#墩（墩高最高）的自振频率为主。

2.3 桥梁结构振动时域分析

桥梁结构由不同跨度箱梁、不同高度桥墩组成。将桥梁不同位置处的实测波形进行局部放大并叠加，进行时域分析，可得到结构在地震作用下整体振动特征，如图4所示。

图4 地震作用下桥梁结构振动响应时域波形Fig.4 Typical time domain waveform of vibration response of bridge under earthquake action

地震作用下桥梁结构以整体横向振动为主，各孔箱梁、桥墩运动方向一致。振动幅值大小依次为：墩高36.5 m的3#墩振动幅值最大，32 m梁和76 m边跨幅值接近且小于3#墩，墩高25 m的2#墩次之，144 m中跨的墩梁耦合振动特征明显，24 m梁幅值最小。

连续箱梁的竖向振动幅值大于简支梁，边跨与中跨的振动方向相反，与连续箱梁1阶振型一致。

3 地震与动车作用下桥梁动力响应数据分析

地震波由桥墩经支座传递至梁体，进而影响桥上轨道结构的稳定性；动车作用由轨道结构传递至梁体，经支座传递至桥墩，二者的作用路径相反。桥梁的设计荷载包括了列车活载和地震力特殊荷载，分析桥梁结构振动、位移、应变实测数据，可得到两种荷载作用下的桥梁工作状态对比。

3.1 桥梁振动响应对比

地震与动车作用下的桥梁振动响应实测数值如表3所示。高速铁路联调联试期间，桥上运行的试验动车为CRH380AJ-0203综合检测列车，平均轴重12.85 t，试验速度范围180-275 km/h。地震发生前后的桥梁动力响应数据均来自同一列动车。

表3 地震与动车作用下桥梁振动响应最大值对比Tab.3 Maximum comparison of bridge vibration response under seismic action and multiple unit train action

地震作用下桥梁结构横向振幅数值远大于动车作用，墩高36.5 m的3#桥墩墩顶横向振幅差异最为显著，最大值为1.29 mm，幅值比约为43倍；76 m边跨跨中梁体横向振动幅值比约为18倍。由于动车质量较小、激励能量有限，桥上正线轮轴横向力实测值小于17 kN，实测各梁型梁体及桥墩横向动力响应数值均较小。大跨度桥梁桥上存在多节车辆，各节车辆之间的振动相位不同而被相互抵消，且连续箱梁质量较大，实测大跨度连续箱梁横向振动数值小于简支箱梁。

地震作用下梁体竖向振幅与桥梁跨度呈正相关，144 m连续箱梁中跨竖向振幅数值最大，为0.80 mm。动车作用下梁体竖向振幅与梁体竖向下挠同时发生，刚度相对较小的连续箱梁竖向振幅小于简支梁。动车作用下24，32 m简支箱梁跨中竖向振幅略大于地震作用。连续箱梁跨中竖向振幅动车作用小于地震作用，76 m边跨幅值比约为2.5倍，144 m中跨幅值比约为6.1倍。

实测动车组列车作用下的梁体横向和竖向加速度均大于地震作用。动车作用下横向和竖向加速度最大值为0.26和1.42 m/s2，地震作用下横向和竖向加速度最大值为0.15和0.19 m/s2。

3.2 桥梁其他参数对比

地震与动车作用下桥梁位移、应变、挠度最大值对比如表4所示。地震作用下的实测数值小于动车作用，说明桥梁梁体位移、应变、挠度参数相对于振动参数而言，对地震响应不敏感。地震发生前后，桥梁结构无残余变形，处于弹性工作状态。

表4 地震与动车作用下桥梁位移、应变、挠度最大值对比Tab.4 Maximum comparison of bridge displacement，strain and deflection under seismic action and multiple unit train action

由上节振动响应数据可知，动车作用下的横向振动小于地震作用，但地震作用下桥梁结构以整体横向振动为主，实测桥墩与梁体、桥面梁缝横向相对位移数值均较小，且与动车作用接近。实测动车组列车作用下的纵向梁体应变、梁体竖向挠度大于地震作用，与振动响应规律一致。

3.3 桥墩振动状态分析

由3.1节桥梁振动响应对比分析可知，地震作用下墩高36.5 m的3#桥墩横向振动占据主导地位，墩顶横向振幅最大值为1.29 mm，动车作用下的墩顶横向振幅最大值仅为0.03 mm，二者幅值比约为43倍。3#桥墩支撑的32 m梁、76 m梁跨中横向振幅数值同样较大，与动车组作用最大值幅值比约为9倍、18倍。速度为275 km/h的动车作用下桥墩振动响应时域波形及幅值谱如图5所示。

图5 动车作用下桥墩振动响应时域波形及幅值谱图Fig.5 Waveforms of pier vibration response in time domain and frequency domain under multiple unit train action

由实测数值、振动时域波形、幅值谱图对比分析可知，桥墩在地震和动车两种荷载作用下的工作状态差异明显。地震作用下桥墩以1阶自振频率、整体振动为主，横向振幅数值较大。动车作用下桥墩以列车强振频率、局部振动为主，横向振幅数值较小。列车对桥梁的强振频率主要取决于列车速度和车辆长度［10-12］。

3.4 地震前、后桥梁振动状态对比

高速铁路桥梁需要控制动车作用下的梁体竖向振动加速度、横向和竖向振幅等动力响应参数，以保证桥上轨道结构的稳定性［10-12］。将地震发生前后、动车作用下桥梁振动参数进行对比，判断桥梁工作状态有无异常，是否满足运营要求。

以连续箱梁76 m边跨和3#桥墩为例，不同速度动车作用下实测梁体和桥墩振动数值如图6-9所示，竖向加速度按照规范要求采用20 Hz低通数字滤波。从整体趋势看，梁体和桥墩动力响应数值随行车速度的提高缓慢增大，由于轨道不平顺状态、车辆状态和车速等因素的综合影响，动力响应实测值存在一定的离散性。对比地震发生前后梁体和桥墩动力响应数值可知，不同车速动车作用下的梁体振动趋势一致、数值大小相当。

图6 梁体横向振幅与行车速度关系图Fig.6 Relationship diagram of beam body lateral amplitude and train speed

另外，通过对地震发生前后桥梁结构自振频率、动车作用下挠跨比和梁端竖向转角等参数进行对比可知，该处桥梁结构工作状态无异常变化，能够满足运营要求。地震前后桥梁自振频率幅值谱如图10所示，图中不同颜色为地震前后不同时间采集波形的分析结果。

图7 梁体竖向振幅与行车速度关系图Fig.7 Relationship diagram of beam body vertical amplitude and train speed

图8 梁体竖向加速度与行车速度关系图（20 Hz滤波）Fig.8 Relationship diagram of beam body vertical acceleration and train speed（20 Hz filtering）

图10 地震前后桥梁自振频率幅值谱图Fig.10 Natural frequency of bridge structure before and after the earthquake

4 结论

地震作用下高速铁路桥梁动力响应实测试验数据稀少，通过对地震作用下的高速铁路桥梁结构动力响应特征及地震预警时间进行分析，并将地震作用下和动车作用下的实测数据进行时域和频域对比，得出如下结论：

（1）地震S波作用下桥梁结构动力响应迅速增大，最大值约为P波作用下的2-5倍，P波作用下桥梁结构动力响应变化趋势较为平缓。距震中195 km桥址处“异地震前预警”时间约为50 s，“现地地震P波预警”时间约为15 s。

（2）地震作用下桥梁结构以高墩的低频、整体横向振动为主，横向振动数值大于竖向。连续箱梁横向振动表现为桥墩和梁体的耦合振动。梁体竖向振动以结构自振频率为主。动车作用下桥梁以列车强振频率、局部振动为主。

（3）地震作用下桥梁结构横向振幅数值远大于动车作用，墩顶横向振幅最大幅值比约为43倍，梁体跨中横向振动最大幅值比约为18倍。地震作用下梁体竖向振幅与桥梁跨度呈正相关，动车作用下的简支梁竖向振幅略大于地震作用，动车作用下的连续竖向振幅小于地震作用。实测动车组列车作用下的梁体横向和竖向加速度均大于地震作用。应变、位移等参数相对于振动参数而言，对地震响应不敏感。

（4）距离震中约195 km高速铁路桥梁，将地震发生前后、动车作用下的桥梁振动参数进行对比，试验数据表明该处桥梁结构工作状态无异常变化，能够满足运营要求。