高速铁路列车对既有结构的动力影响分析

高速铁路列车对既有结构的动力影响分析

摘要:本文研究高速列车通过桥梁时,其对周围环境和既有建筑结构的振动影响分析方法。研究中,采用车桥耦合方法计算列车通过桥梁时的轮轨间竖向相互作用力,进而得到桥梁基底作用力并以Duhamel时程积分推算列车通过时临近结构物的振动状态,评估新桥高速列车通过对旧桥的动力影响程度。

关键词:高速列车铁路桥梁车激振动振动传播

高速铁路作为一种铁路新型运输方式,具有安全、快速、节能的优点,但同时高速铁路的开行也会对沿线环境产生不利作用,高速铁路的振动亦会通过其线桥结构、基础传播至临近建筑结构,影响到临近建筑结构的使用安全与稳定。

京石客运专线京广线改右线特大桥(以下简称新桥)与京广线上行百孔桥(以下简称旧桥)并行,两桥承台间最小间距仅 1.84m,新建线路为单线高速线路,将通过350km/h速度级动车组,列车通过时的动力效应有可能引起既有线结构的二次振动,影响既有结构的使用性能。本文针对上述工程,分析京石客运专线高速列车通过上述工点时列车对既有结构的动力影响,参照目前百孔桥临近京石客运专线使用状态,评估高速列车动力荷载对上述结构使用性能的影响程度。

1 计算分析方法

本文研究背景中既有铁路桥及新建桥墩见图1。

尽管两桥相距很近,但新桥桩基础和旧桥扩大基础之间无结构联系,不存在两桥梁静力相互作用的可能性,新桥对旧桥的影响以动力影响为主。由于高速旅客列车对桥梁施加的作用力以竖向为主,且两桥相邻部分为直线区段,列车匀速通过,可只考虑新桥垂向振动对旧桥的影响,而忽略横向和纵向作用力的贡献。同时,新桥为柱桩基础,竖向力作用面分别在地面以下2m～3m的承台底和地面以下25m～35m的桩底;旧桥为扩大基础,竖向力作用面在地面以下3m～5m的基底。因此可认为新桥动力作用对旧桥的影响,主要体现在其对旧桥基础的影响。换言之,如新桥列车通过时旧桥基础的振动未超出其常见振幅,则可认为新桥对旧桥的影响不致引起旧桥的安全问题。

采用车辆动力计算与现场实测相结合的方式进行分析和评估,其步骤如下:(1)计算列车通过桥梁时的轮轨间竖向相互作用力;(2)由桥上列车作用力,计算桥梁基底作用力;(3)以聚能力锤敲击新桥桥墩位置处,实测旧桥临近墩承台顶的三方向振动状态,推算新线桥承台至既有线承台之间的振动传递规律;(4)利用前三步之研究结果,以Duhamel 时程积分推算列车通过时旧桥承台的振动;(5)实测既有线过路列车通过时旧桥承台顶的三方向振动状态;(6)将计算得到的旧桥承台顶的振动与实测结果进行对比,评估新桥高速列车通过对旧桥的动力影响程度。

2 计算新线承台处竖向作用力

计算中,考虑京石客专通过车型为350km/h的高速列车,采用德国ICE3动力分散式高速列车参数进行计算。采用德国低干扰谱转换的时域不平顺样本(截止波长80m)作为轨道不平顺激励[1]。当ICE3列车以350km/h通过新桥时,由车桥动力计算方法[2],列车轮对对轨道竖向作用力典型时程见图2,底竖向作用力可由简支梁结构力矩平衡方程解出,其典型时程见图3。由计算结果可见,ICE3高速列车各节车辆对桥梁基底产生周期性作用力,其峰值约为1024kN,作用周期大致为0.25s,为一节车辆(长度24.775m)通过桥墩位置的时间。

3 土体—结构振动传播规律试验及分析

为研究振动波在旧桥基础周围土体中的传播规律进行现场试验,其方法是:以聚能力锤敲击新桥承台中心位置的地面,测量该敲击作用下旧桥承台的三向振动加速度。

试验中采用了两套数据采集设备,一套用于采集力锤数据,一套用

于采集桥墩加速度数据,两套设备之间通过北京交通大学自行开发的GPS信号同步系统实现同步采集。在新、旧桥12#墩处测量,该处两桥承台距离 2.45m,敲击点选择在新桥12#墩中心偏旧桥方向2.45-1.84=0.61m处。偏安全考虑,认为两桥的12#墩在线路方向上无位置差,试验中测量了临近敲击点的旧桥12#和13#墩新线侧墩表面中心的三向振动加速度,测量及敲击点位置见图4。试验中共在新桥12#墩附近进行了5次敲击,前三次测量12#墩身加速度,前两次测量13#墩身加速度,其试验统计数据见表1,表中X、Y、Z方向依次为线路方向、横桥向和竖直方向。由于试验条件的限制,无法提前开挖新桥基础土体,因此试验中在新桥12#墩中心位置地面敲击。设计图纸显示,施工完成后该承台上覆盖土仅为0.5m左右,对力的传播影响甚微,可认为敲击点的偏差对试验结果无显著影响。

经分析,在X、Y、Z三方向上单位冲量对12#墩产生加速度分为对13#墩产生加速度的3.09倍、4.83倍和4.33倍。考虑到13#墩信号中信噪比较小,实际两者单位冲量加速度之比应更为悬殊。试验中还测量到过路货车通过时,12#墩在三方向上振动计算峰值依次为2.2491m/s2、0.9483m/s2和3.7709m/s2。

4 旧桥承台振动计算

将新桥上通行的列车通过其下部结构对旧桥基础的作用力,视为一系列冲击荷载,利用Duhamel积分可求得全过程中旧桥桥墩的振动状态。鉴于三次记录差异很小,单位冲击对旧桥12#墩产生的加速度时程采用上述三者的平均值。经计算,ICE3列车通过时,12#墩X、Y、Z 三方向加速度时程峰值分别为0.1972m/s2、0.2867m/s2和0.1405m/s2。

考虑到上述计算中仅考虑了新桥12号墩敲击的影响,偏安全考虑,由实测数据,假设振动波每传递一孔,在三方向上的加速度衰减 3.09倍、4.83倍和4.33倍,由等比数列计算公式,所有桥墩在三方向产生振动加速度为12号墩产生振动加速度的1.48倍、1.26倍和1.30倍,即:可认为在所有桥墩处列车荷载激励下,12#墩产生的三方向振动加速度峰值依次为0.2918m/s2、0.3612m/s2和0.1827m/s2。

因此,计算列车通过新桥时致使旧桥12#墩产生三方向振动加速度均显著小于实测列车通过旧桥时该墩振动加速度,三方向上前者分别为后者的1/7.71、1/2.63和1/20.64。

5 研究结论

京石客运专线京广线改右线特大桥通过ICE3高速列车或类似列车时,对既有京广线上行百孔桥的动力影响大大低于既有线桥梁本身列车通过所造成的振动,因此,两座桥梁不致引起显著的动力相互作用。