高速列车通过时钢-混凝土组合梁桥的结构动力特性.pdf

2 8 世 界 桥 梁 2 0 1 o年第 1 期 高速列车通过时钢一混凝土组合梁桥 的结构动力特性 编译尹双庆 ( 中铁 大桥 局集 团桥 科院有 限公 司， 湖北 武 汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘要 ： 塞西亚桥位于意大利新建都灵 一米兰高速铁路线上， 为 7跨简支钢 一混凝土组合 梁铁路桥 ， 总 长 3 2 2 m。介绍高速列车通过时该桥 的现场动力测试 及动 力响应预测计算 模型 的试 验验证 。对高速列 车( 行 车速度 2 8 8 k m h ) 通过时的该桥 动力 响应进行预测， 并将预测结果与试验数据 进行 比较研究 ， 给出高速列车激励作用下钢 混 凝土组合梁铁路桥的结构特性。 关 键 词 ：高 速铁 路 桥 ； 组 合 梁 ； 简 支 梁 ； 桥 梁试 验 ； 动 力特 性 ； 数 值 模 拟 ； 结 构 分析 中图分类号：U 4 4 8 1 3 ； U4 4 8 2 1 6 文献标志码 ： A 文章编号： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 2 8 0 4 1 引 言 钢 一混 凝 土组 合 梁桥 由于在设 计 、 工 期及 造价 方 面具有优势 ， 广 泛 应用 于 高速 铁 路线 上 。欧 盟委 员会 D E T AI L S研究项 目的 目的是改进 钢 一混凝 土 组合梁 桥的设 计 、 安 全 性 及耐 久 性 。为达 到 这一 目 的， 进行了这类桥梁的结构分析及试验 ， 以得到桥梁 实际承载 力 、 结构 模 态及 抗疲 劳性 方 面更 多 准确 的 信 息 。作 为该研究 项 目试 验 的 一部 分 ， 对 意大 利 的 1 座 7跨钢 一混 凝 土组合 梁铁 路桥 塞 西亚 ( S e s i a ) 桥 ， 进行 了环境激 励及意 大利 E T R 5 0 0 Y 型高速 列 车通 过条件 下的试 验 。 本 文介绍 高速列 车通过 时塞西亚桥 的现场 动力 测试及对 该桥动 力 响应 预 测计 算 模 型 的试 验验 证 。 从环境振 动数据 的模态分 析 中 ， 提 取桥梁 振型 ， 对 高 速列车通 过时桥 梁 的动 力 响应 进行 预 测 ， 并将 预 测 结 果与试验 数据进 行 比较 研 究 ， 给 出高 速列 车 激 励 作 用下钢 一混 凝土组 合梁铁 路桥 的结构特 性 。 2塞西亚桥试 验 2 1 桥 梁简介 塞 西亚桥位 于意大 利新建都 灵 一米 兰高速铁 路 线上 ， 是 1 座跨 度为 4 6 m 的 7 跨 简支钢 一混凝土 组 合梁铁路桥 ， 全桥总长 3 2 2 m， 见 图 1 。组合梁 中的钢 箱粱为双箱截面， 箱梁下部分 由底板及 3块腹板组 成 ， 箱 梁上混凝 土板 宽 1 3 6 m， 厚 0 4 m， 采用 剪力 钉与箱 梁连接 ， 见 图 2 。每 跨梁 的总重约 为 1 3 8 0 t 。 2 2 测 点布置 传感器布置的选定是为了能分析竖向及水平向 的整体及局部结构动力特性。由于桥梁尺寸较大， 图 1 高速列车通过时的塞西亚桥 Q l 8 0 0 2 5 0 0 2 5 0 02 5 0 0 2 5 0 0 1 8 0 0 6 9 5 0 2 3 0 0 UZ3 j UZa 单位 m 图 2 塞 西亚桥组合梁截面 仅 对都灵 至米 兰方 向 的第 2 跨 梁进 行 了试 验 ， 试 验 均 在环境 激励及 E TR 5 0 0 Y型高 速列 车通 过桥梁 的 条件下进行， 测试 了桥梁上不同点位处的加速度及 动应 变 ， 并 在桥梁 的第 1跨及 第 3跨布 置 了少 量 的 传感器 ， 以评 定 两相 邻 跨 间 的动 力耦 合作 用 。桥 梁 上加速 度传感 器 的布置见 图 3 。所有 的测 试通 道均 以 x Yz z F表 示 ， 其 中 X表示 桥 梁跨 度 的编 号 ( 第 1 、 2 、 3跨 ) ； Y 表 示 主 梁 ( A、 B、 C) 或 加 劲肋 ( D、 E ) ； z z 表示截面编号( 第 1 1 5号) ； F表示方向( X、 Y、 Z ) 。 纵向应变采用光纤传感器测试， 传感器用于测 试 间距为 1 m 或 1 2 m 的两 点 的相 对 位移 。测 试 在以下 2个截面上进行 ： 一个是紧邻桥墩的截面， 另 一 个是 桥跨 1 4点 位 处 的截 面 ， 见 图 4 。在 同一 断 收稿 日期： 2 0 0 9 1 1 1 0 编译者简介： 尹双庆 ( 1 9 7 2 一) 。 男 ， 工程 师， 1 9 9 2年毕业 于武汉铁路桥 梁学校 铁道桥梁专业 ， 2 0 0 0年毕业于 中南大学铁道桥梁专业 ( E - ma i l y s q 2 0 0 3 2 0 0 3 y a h o o c o rn c n) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高速列 车通过 时钢 一混凝 土组 合梁桥的结构动力特性 尹双庆 2 9 ( a ) 竖 向 ( b )水平 向 单位：m m 图 3传 感 器 布 置 示 意 面 4个不同的高度上 ， 总共布置 了 8个传感器 ， 用来 置及轨道可实现相邻桥跨 间的连接， 这种连接清楚 测 试截 面 的上 、 下 部局 部应 变 。 同时 ， 还 将传感 器 连 地 反 映在桥 梁 的动力 特性 中 。图 7示 出对称 情况 下 接 到轨 枕上 ， 以测 试道 碴层 的应 变 ， 见 图 5 。 识 别 的振型 。 1 3 3 0 0 表 1 环 境 振 动 测试 中 识 别 的 固 有 频 率 及 阻 尼 比 ( a )紧 邻桥墩截 面 睇 m心J ( b ) 1 4 桥跨 处截面 单位：m m 图 4应 变测 试 截 面 示 意 图 5光 纤传 感 器 安 装 3模 态分 析 采用 环 境 振动 、 自由振 动 及列 车 通 过 时记 录 的 数据 进 行 模 态 分 析 。采 用 参 考 随 机 子 空 问 识 别 ( S t o c h a s t i c S u b s p a c e I d e n t i f i c a t i o n ， S S I ) 法识 别 桥 梁 的模 态振 型 。从环 境振 动数 据 的模态 分析 中提 取 8个 振 型 ， 见 表 1 。在相 邻桥 跨 动力 特 性 的基 础 上 ， 可将桥 梁 的振型 细分 为对 称及 不 对 称 振型 ， 见 图 6 。 这表明虽然桥跨间是静力不耦合 的， 但道碴、 连接装 ( a )对 称 ( b ) 小 对 称 图 6识 别 的 振 型 根据 自由振动 数 据 的模 态 分 析 ， 紧 随着 列 车离 开桥 梁第 2跨 后 ， 识 别 出与 对称 振 型一 致 的 3个振 型 ， 但 没有 识别 出 2阶 扭转 振 型 。从 记 录的 列 车通 过时 数据 的模 态分析 中 ， 识 别 出 1阶 、 2阶对 称 弯 曲 振 型 。这表 明列 车 通 过 时 ， 受 到激 励 的主 要 是 对称 振 型 。表 2比较 了从 不 同振动 数据 中识 别 的固有频 率 ， 可 见 当列 车在 桥 上 时 ， 1阶 弯 曲频 率 降 低 ， 这 可 归 因于列 车 的质 量及 车 一桥相 互耦合 作 用 。 表 2不 同振 动 数 据 中 识 别 的 固 有 频 率 的 比 较 删 列车强迫振动 环境振动 1 阶竖向弯曲 3 9 0 2 3 0 3 6 7 2 8 1 4 1 4 2 1 7 1阶扭转 9 1 3 1 2 5 9 0 0 1 8 4 2 阶竖向弯曲 1 0 4 1 2 3 8 1 0 5 4 4 2 7 1 0 4 4 2 6 4 4塞 西亚 桥计 算模 拟分 析 建 立塞 西 亚桥 的计 算 模 型 ， 见 图 8 。 由于 列 车 通 过时受 到 激励 的 主 要是 对 称 振 型 ， 所 以根 据 环 境 振动数据推导的对称模态特性对模型施加适 当的边 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 世 界 桥 梁 2 0 1 0 年第 1期 ( a )4 1 4 H z 时1 阶竖 向弯曲振型 ( b )9 0 0 H Z 时1 阶 扭转振型 图 7识别的对称模态 的振型 图 8塞 西亚 桥 计 算模 型 界 条件 。通 过限制 轨道与道 碴 间的纵 向位 移来模 拟 轨 道与道碴 间的 连续 性 ， 见 图 9 。选 择 线 性 弹 簧单 元 C o mb i n l 4 来 模拟有 帽剪力 钉 。混凝 土 板 与钢箱 梁 的相应 节 点 由弹簧 单元 在 纵 向上 连接 ， 并 在其 它 方向上耦合。弹簧单元的特性根据剪力钉推出试验中 得到 的荷 载 一滑移 曲线定 义 。将计 算得 到的 固有频 率与环境振动数据 中识别的对称振型的频率进行比 较 ， 见表 3 。由表 3 可知 ， 计算与实测结果 吻合很好 。 轨道 轨 枕 道 碴 桥 梁 图 9轨道一道碴模型 表 3环 境 振 动测 试 与 数 值 模 型 的 固 有频 率 比较 5 桥梁 动力响 应预测 对列 车通 过 时 的桥 梁动 力 响应进 行 预测 ， 并 将 预测结果 与试 验结果 进行 了 比较 。预测模 型包括列 车及桥 梁 2个 子 系 统 。将 2个 子 系统 通 过 耦 合 轨 道 、 车 轮的位移 连接 在 一 起 ， 并假 定 轨道 、 车 轮 间完 全接触。在时域范围内， 采用迭代方式 ， 求解该耦合 系统 运动 的动力 方程式 。 振动测 试 中考虑 的列 车是 意 大利 E T R5 0 0 Y型 高速 列车 ， 由 1 辆牵 引机 车后 接 8节 客运 车箱 及 再 接 1 辆 机车组 成 。机 车长 1 9 7 m， 客运车箱 长 2 6 1 m， 机车及客运车箱平均静力轴向荷载分别为 1 7 6 4 k N 及 1 1 2 9 k N， 试 验 中， 列 车 速 度 设 定 为 2 8 8 k m h 。图 1 0示 出跨 中处 ( 见 图 3中 2 b 0 8点 ) 竖 向 位移 的计 算 时 程 。列 车 通 过 时 的 最 大 位 移 达 1 9 mm。这表 明与 同类 的长 约 4 5 m 跨 桥梁 比， 塞西 亚 桥 的刚度非 常大 。 量 潍 时间 s 图 l O 2 b 0 8点 处 的 竖 向 位移 的计 算 时 程 比较 了经 3 O Hz 低 通滤 波后各 测点 的竖 向加速 度的试验时程和预测时程 ， 发现试验及预测结果吻 合 良好， 说 明模型能很好地再现桥梁 的动力特性。 在时域范围内， 加速度具有大约相同的最 大值。在 预测 及实测 谱 中 ， 观察 到与 4 Hz 时桥 梁 1 阶弯 曲频 率对应 的峰值 。超 过 2 0 Hz 较高频 率 的现 有主要峰 值可归因于较高的振型 ， 如 3阶扭转振型及 3阶弯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高速列车通过时钢 一混凝土组合梁桥 的结构 动力 特性 尹双庆 3 1 曲振 型 。 图 1 1比较 了列 车通 过 时的 $ 1 6点 见 图 4 ( b ) 处 的预测 及实 测应变 。预测及 实测 的应 变 幅几乎 相 同 。在 时程 范 围 内 ， 可 以清 楚 地 区分 出 四轮 列 车 的 通 过 。 2 搓 图 1 1 S 1 6点 处 应 变 的预 测 及 实 测 时 程 比 较 在计 算模 型 中 ， 用 弹 簧 单 元 C o mb i n 1 4来 模 拟 连接 钢箱 梁与 混凝 土 板 的剪 力 钉 。 图 1 2示 出 1支 剪力 钉受 力 的典型 时程 。剪力 钉受 力 时程作 为一 种 输入 数据 ， 对 于实验 室 疲 劳 试 验 及 疲 劳分 析 是 非 常 有 意 义的 。根据 整个 列 车通过 期 间的数 值分 析 中得 到 的剪 应 力 时 程 ， 可 以 采 用 雨 流 计 数 法 ( r a i n f l o w c o u n t i n g me t h o d ) 将其 转 换 为应 力 幅 值 谱 。剪 力 钉 的疲劳寿命可以在设计规范所给的疲劳耐久模型的 基 础上 进行 预测 。 6 结 论 本 文主 要介 绍意 大利新 建 都灵 一米 兰高 速铁 路 塞 西亚 桥 的动力试 验 及对列 车 通过 时引起 该桥 振 动 预 测 的试 验 验 证 。在 动 力试 验 中 ， 采用 光 纤 传 感 器 时 l 刚S 图 l 2 1支 剪 力 钉 中剪 力 的 典 型 时 程 测试 了加 速度 及轴 向应 变 。根 据 相邻桥 跨 的动力 特 性 ， 桥梁 的振 型可 大致 分为对 称及 不对 称振 型 ， 这 表 明虽然桥跨 间是静力不耦合的， 但道碴、 连接装置及 轨道 可实 现相 邻桥跨 间的连接 。 采用 车 一 桥相 互 作 用模 型 ， 预 测 了列 车 通 过 时 桥梁 的动 力特性 。该 预测 方法 通过 与试 验结果 进行 比较 ， 证 明是有 效 的 。本 文 建议 的车 桥 相互 作 用 模 型 可用 于考 虑 了列 车通 过时 的桥 梁动 力特性 的合 理 桥 梁设计 。 本 文 的研究 给 出了对钢 一混 凝土 组合 梁铁路 桥 结 构性 能 的更好 了解 。根 据 测 试 及模 拟 应 用 ， 可 以 得 出结 论 ： 试 验结 果 及 数值 模 拟 对 于 桥 梁结 构 健 康 监 测 系统 的设 计非 常 有用 。 参 考 文 献 ： 1 K a i L i u ， Ge e r t L o mb a e r t ， Gu i d o D e R o e c k ， e t a 1 Th e St r uc t u r a l Be ha v i o r of a Comp os i t e Br i dge Dur i n g t h e P a s s a g e o f Hi g h S p e e d Tr a i n s J S t r u c t u r a l E n g i n e e r i ng I nt e r na t i o na l ，2 009，1 9( 4)：4 27 431 欢 迎订 阅 2 0 1 0年度 世 界 桥 梁 世 界 桥 梁 ( 刊号 I S S N 1 6 7 1 7 7 6 7 、 C N 4 2 1 6 8 1 U、 邮 发 代 号 3 8 5 5 ) 季 刊 ( 每 季 末 月 1 7日出 版 ) ， 大 1 6开本 ( 8 0页 ) ， 每册 定价 l 2 O 0元 全 年定 价 4 8 O 0元 。 全 国各地 邮局 订 阅 ， 编辑 部 亦可 办理 邮购 。 世 界 桥 梁 持有广告经营许可证 ， 代办广告设计 ， 收费合理 ， 时效持久 ， 欢迎洽谈。 编辑 部地 址 ： 武汉 市建设 大 道 1 0 3号 电话 ： ( 0 2 7 ) 8 3 5 5 0 0 8 1 E ma i l ： s j q l b j b p u b l i c wh h b c n s j q l z t mb e c c o m 邮编 ： 4 3 0 0 3 4 传 真 ： ( 0 2 7 ) 8 3 3 6 0 0 0 5 世 界 桥 梁 编辑部 2 O 1 O年 3月 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m