铁路桥墩横向振幅超限问题探讨及解释

铁路桥墩横向振幅超限问题探讨
刘旭明（哈尔滨铁路局佳木斯工务段）
【摘要】随着我国既有线路的大规模提速,桥梁墩台横向振幅超限问题日益突出,严重影响了行车安全, 本文对绥佳下行线格界河桥梁横向振动振幅超限问题进行了车- 梁- 墩体系横向振动规律探讨。

1 绥佳下行线格界河桥桥墩基础加固检测概况
该桥位于绥佳线汤原～望江之间，2000年建成通车。

桥全长133.9米。

上
部结构为6孔20.0m预应力砼梁；下部结构为椭圆型砼桥墩，T型砼桥台。

砼扩
大基础，各墩基地地质均为砾砂。

由于基底地质软弱，2003年将所有桥墩基础
用钢筋混凝土桩加固，两桥台没加固。

桥检队于2004年7月对该桥全部桥墩及
第一、二孔梁进行了横向振动试验，振幅超限，进行了限速。

2007年对桥墩部
分的地基进行了加固，加固后桥检队于2007年9月，利用编组试验列车作激振
源，再次对全桥进行了振动试验。

实测桥墩、梁的横向振幅（见下表）满足《检
规》第10.0.7条要求，桥墩部分地基加固效果较好。

格界河桥桥墩、台技术数据和横向振幅通常值表
注：桥台横向振幅通常值采用的是经验值。

格界河桥梁技术数据和横向振幅通常值表
2相关问题的提出
随着近年列车车载重量增大、速度提高、通车频率增加,加剧了列车过桥时的动力响应,使得列车过桥时只能限速通过,成为列车提速的瓶颈。

桥梁结构的振动可以分为上部结构梁的振动和下部结构墩的振动。

只有桥墩的刚度很大时上部结构梁的振动响应才合理,而对于高墩、轻型墩或桥墩地基刚度较弱时这种假定误差较大，墩顶横向振幅超过《铁路桥梁检定规范》的限值。

首先桥墩横向刚度设计规范和检定规范没有很好的衔接。

《铁路桥涵设计规范》中第8. 2. 3 条规定,墩台顶帽的弹性水平位移应符合下列规定:顺桥方向或横桥方向
式中,L—桥梁跨度(m) ,当L < 24 m时, L 按24 m计算;当为不等跨时,L 采用相邻跨中的较小跨度;
△—墩台顶帽处的水平位移(mm) 。

包括由于墩台身和基础的弹性变形, 以及基地土弹性变形的影响。

设计规范的上述规定其墩顶位移只是梁部结构跨度的函数,是参照苏联规范制定的,主要是为保证线路有良好的方向性,是为保证线路的行车条件而定的。

《铁路桥梁鉴定规范》对铁路桥墩横向振幅和最低频率的参考限值表
其中的限值是根据99个桥墩的实测资料经统计归纳得到的, 由于没有将桥墩横向刚度指标和列车运营的安全性、平稳性指标相联系,使得桥墩横向刚度指标只能根据试验、经验定性的给出。

检定规范表(见上表) 中的墩顶位移是墩身高度H 和均宽B 的函数,与跨度L 无关,是根据列车动载作用下,墩顶横向振幅的实测数据统计归纳得到的。

两者没有衔接起来,使得满足设计规范的桥梁无法通过检定规范。

其次桥梁的横向刚度包括桥墩和梁体两个部分,从目前各国规范来看,一般从限制墩的横向水平位移和梁端水平折角来控制桥墩的横向刚度;从梁体横向变形来控制梁体的横向刚度,也有从梁体横向自振频率出发控制梁体的横向刚度和横向振动。

桥梁的横向刚度、变形及横向振动是一个涉及面广而又十分复杂的系统问题,在静力学中包括了承台、桩及土基础结构及复杂的约束问题;在动力学中包括了复杂的车桥横向耦合振动问题。

车桥横向动力学问题在国际上可供参考的研究资料也很少,对这个问题的认识由于缺乏系统研究目前还处在相当模糊的阶段。

3车- 梁- 墩体系横向振动的规律
车桥系统是一个复杂的振动系统,影响因素较多,以往的研究中多关注梁而忽略了墩的影响,这在研究竖向振动是可行的。

而实际横向振动中墩的影响较大,所
以要搞清楚车- 梁- 墩体系横向振动的机理,并掌握其规律性。

3. 1车- 梁- 墩体系的振动研究
研究桥墩横向刚度问题,不能抛开梁而单独研究墩,只有针对车- 梁- 墩体系进行系统的动力分析,才能得出合理的结论。

（可参阅夏禾,陈英俊. 《车- 梁- 墩体系动力相互作用分析》土木工程学报,1992 ）文章提出列车过桥时有一个临界速度,墩顶横向位移在临界车速时达到最大,并指出临界车速与车辆的蛇行运动频率和桥墩的自振频率有关。

分析了高墩桥梁的横向振动特性和横向刚度,指出低墩和高墩的墩顶振幅相对较小,而具有相对较小横向刚度的中等高度桥墩墩顶振幅较大;并建议根据列车的脱轨安全度来评价桥梁的横向刚度。

所以对桥墩横向刚度问题应加强梁- 墩横向刚度合理值的，并进行桥墩梁体的三维仿真耦合计算。

对车- 梁- 墩体系的横向振动分析,目前的分析方法为分别建立车辆和桥梁(梁- 墩) 的振动方程,假定轨道和梁的振动一致,根据轮轨接触几何关系和轮轨作用力将车辆振动和桥梁振动联系起来,同时在车- 梁- 墩系统中引入外部激励;在处理轮轨接触关系和外部激励的引入中,有两种基本的处理方法。

一种是采用轨道不平顺和轮对的蛇行波同时作为外部激励,另一种是轮轨之间通过蠕滑力来耦和,而外部激励仅采用轨道不平顺。

3. 2桥梁模型
根据桥梁类型的不同可将振动方程写成矩阵的形式（鲍达尔[苏联] . 铁路桥梁与机车车辆的相互作用. 铁道部专业设计院标准规范管理处译,1987）
{ qb}—桥梁各自由度的位移列向量;
{ Fb}—作用于桥梁上的荷载列向量, 是桥梁振动状态和轨道不平顺的函数。

3.3外部激励源
轮轨之间的关系通过蠕滑力来耦和,蠕滑力包括纵横向蠕滑力和摇头蠕滑力矩,在重力刚度、重力角刚度和蠕滑力的作用下,轮轨之间的相对位移不断地发生变化,使得车辆不断地蛇行运动。

考虑了轮轨接触关系后,外部激励源只有轨道不平顺。

轨道不平顺可分为4 种（参阅王福天. 车辆动力学 . 北京:中国铁道出版社,1989.）: ①轨道高低不平顺,即轨道顶面沿轨道延长线的高低不平; ②轨道方向不平顺,即左右两根钢轨沿轨道延长方向在横平面内的弯曲不平顺; ③轨道水平不平顺,即左、右轨对应点的高差所形成的沿线路方向的不平顺; ④轨距不平顺,即左右两轨沿轨道长度方向的轨距偏差。

产生列车横移和侧滚振动的主要是方向不平顺、水平不平顺和轨距不平顺,高低不平顺主要引起列车的竖向振动。

在车梁墩振动分析中常采用轨道不平顺功率谱和实测轨道不平顺。

3.4综合指标Si
依据《铁路桥梁梁墩体系墩顶横向振幅的参数影响分析》一文对收集到的1 000多座桥墩进行的多个不同结构形式(包括墩身截面不同、上部结构不同、基础形式不同等)桥墩进行分类以后,分析了上百种不同的因素和墩顶最大振幅的关系,经过比较和筛选,最终挑出一种与最大振幅比较有规律的综合因素- 综合指标Si ,即
式中, m—一孔梁的活载质量(按《铁路桥涵设计规范》中的第3. 3. 1 条取值80 kN/ m) ,kg ;
mp——桥墩的质量,kg ;
mb 一孔梁重(含道碴) ;
f—桥墩横向自振频率,Hz。

结论：综合指标Si 越大，墩顶最大振幅越小。

4结束语
以往研究多注重梁的横向刚度,而忽视了桥墩刚度的影响,没有将桥墩横向刚度和列车运营安全性指标相联系,且没有对轻型桥墩作专门的研究。

通过对桥墩实测墩顶横向振幅的统计分析,找出了与桥墩横向刚度相关度最好的综合影响因素- 综合指标。

拟以综合指标为基础建立一种桥墩横向刚度综合评价体系,根据列车的脱轨安全度来确定桥墩横向刚度参考限值。

结构类型桥墩的墩顶横向刚度- 综合指标- 行车安全性和平稳性指标三者间的对应关系,即建立桥墩横向刚度的综合指标评价体系。

根据综合评价体系,由行车安全性和平稳性指标来确定桥墩横向刚度值。

参考文献
[1 ]夏禾,陈英俊. 车- 梁- 墩体系动力相互作用分析土木工程学报,1992 ,25
[2 ]曹雪琴. 铁路桥梁刚度鉴定标准的研究. 上海铁道大学,1999
[3 ]王福天. 车辆动力学. 北京:中国铁道出版社1989.
[4 ]铁运函[2004 ]120 号,铁路桥梁检定规范.
[5]中华人民共和国国家标准GB5595 —1985. 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范. 北京:中国标准出版社,1986
[6 ]鲍达尔[苏联] . 铁路桥梁与机车车辆的相互作用 . 铁道部专业设计院标准规范管理处译,1987.
[7 ]日本铁路结构设计标准和解释·混凝土结构. 铁道部第三勘测设计院译,1996.
[8 ]绥佳下行线格界河桥（K347＋639）桥振动试验报告
[9 ] 李运生. 铁路桥墩横向振动理论和试验研究. 北京:北京交通大学, 2005.
既有线工务系统墩台超限解释
依据论文综合指标Si
式中, m—一孔梁的活载质量(按《铁路桥涵设计规范》中的第3. 3. 1 条取值80 kN/ m) ,kg ;
mp——桥墩的质量,kg ;
mb —一孔梁重(含道碴) ;
f—桥墩横向自振频率,Hz。

m活载质量及mb一孔梁重(含道碴)均为铁道线路系统，线上部分，除个别情况，不宜更改，可看成定数。

mp桥墩的质量可进行维修更改，mp桥墩质量的增大，mp/3+ mb为分母，
在m是定数的情况下，系数相应变小，综合指标Si也就相应变小，依据论文“综合指标Si 越大，墩顶最大振幅越小”的结论。

墩顶最大振幅反而变大。

所以，在考虑方案时尽量避免增大桥墩附属质量。

f桥墩横向自振频率可以依据“铁路桥墩横向振幅和最低频率的参考限值
表”进行推导。

其中桥墩横向自振频率f是墩身高度H1 和均宽B 的函数. 同样桥墩均宽B墩身高度H1越小，自振频率f越大，综合指标Si越大，墩顶最大振幅越小。

同样墩身高度H1桥墩均宽B越大，综合指标Si 越大，墩顶最大振幅越小。

如果有条件应进行桥墩梁体的三维仿真耦合计算及相应动力分析。

以便在数学模型基础上及时计算模拟加固维修前后的效果，并在施工过程中及时修改，积累相应振动超限维修经验。