某铁路简支钢桁梁桥振动测试分析研究

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摘要：横向振幅超限是我国早期铁路桥梁随着铁路的几次提速而显露出来的一个普遍的问题，存在较大的安全隐患。铁路钢桁梁的振动特性的精确计算分析是限制横向振幅及以此为目的的维修项目的前提条件。但是其振动特性的精确计算和测试尚存在一定的难度和离散性。

本文主要对某桥的横向自振特性测试情况进行简要分析，以了解简支钢桁梁振动特点和规律，为分析横向振幅超限的原因、刚度的影响因素及类似检测项目的实施提供参考和依据。

关键词：铁路钢桁梁桥；振动特性；频率

中图分类号：X731 文献标识码： A

一、桥梁概况

某桥桥式组成为12孔跨径31.7m预应力混凝土梁和5孔跨径64m上承式栓焊钢桁梁，桥梁全长为737.6m，均为简支体系桥梁。其中，简支钢桁梁跨度为64m，桥跨结构立面布置如图1所示。主桁高8m，主桁中心距为5.75m，宽跨比为1/10.61。

图1 某桥13#墩―18#台立面布置图

13#～15#墩为二阶直坡式圆形空心墩，墩身高度分别为：33.2m、33.2m、35.976m。其中，墩身上半部份外径为6.2m，壁厚为0.9m，高度均为20.2m。墩身下部外径为6.8m，壁厚为1.2m。

16#、17#墩为斜坡式圆端形实心桥墩，墩身上半部分坡度为50：1，高度为20m，下半部分坡度为90：1，高度分别为13m、13.5m。桥墩为钻孔灌注桩基础，圆形承台外径为11.2m，厚度为2.7m。灌注桩桩径为1.1m，共10根，沿半径为4.3m的圆形均匀布置。

日常运营过程中发现该桥横向振幅较大，振感明显，有必要对其进行振动测试以便了解其横向振动特性。

二、振动测试

（1）测点布置

本次测试以获取梁体自振特性为目的，在钢桁梁梁端及跨中上下弦处均布置位移测点，在跨中布置脉动拾振器。测试过程中以每一单跨为研究对象，布置如图2所示。

图2 测点布置图

（2）主要测试结果

1）测试频率

图3为该桥第2跨梁体脉动测试的典型频谱图，其余桥跨振动测试结果大体类似，均存在两个峰值，测试结果如表1所示。

图3 频谱分析对比图

表1 测试频率统计表/Hz

经过对各个桥跨进行多次测试发现，振动具有一定的规律性，主要有以下几点：

（1）各桥跨跨中上下弦测点振动频率基本上始终保持一致，振动方向相同，跨中上弦位移略大于下弦位移。

（2）桥跨结构梁端上下弦测点振动频率基本相同，但是存在振动方向相同和相反两种振型。梁端测点与跨中上下弦测点相比，横桥向位移相对较小。

（3）梁体振动以水平摆动为主，存在轻微的扭转振型。

三、理论计算分析

1）理想简支模型计算分析

根据桥梁实际杆件截面尺寸建立桥梁上部结构模型，边界条件为理想简支，主要计算结果如下所示。

表2 简支钢桁梁振动特性表

从计算结果可见，与测试结果存在明显的差异。经分析，主要体现在一下两点。

（1）测试信息综合反映整个桥跨的振动特性。测试结果中含有桥墩的振动特性。通过对桥墩模型计算分析，测试的第一阶振动特性基本上反映桥墩的横向振动特性。

（2）桥墩及支座作为简支梁的边界条件，当桥墩较高、刚度较小时对梁体的横向振动特性存在影响，此时已经不是理想的简支边界。

2）桥墩高度的影响

桥墩作为边界条件，对上部结构的振动特性不可避免的存在影响，在仅考虑上部结构的模型中必须加以考虑，否则计算结果必然存在误差。

桥墩横向抗弯刚度可简单的表示为单位力作用下位移的倒数。在墩顶施加一横桥向的单位力，在截面保持不变的情况下其横桥向位移将随着墩身高度的增加而增大。其横桥向抗弯刚度则相对较小。

本文以第13#--14#墩间跨为例，分析墩身高度对简支梁振动特性的影响。通过静力计算，两桥墩的横桥向抗弯刚度分别为8.3×107、9.1×107kN/m，将桥墩刚度输入模型，计算结果为2.24HZ。由此也可以看出，边界条件对桥跨甚至上部结构振动特性影响较大。通过对此模型进行扩展，不断改变桥墩横向抗弯刚度，得到横向抗弯刚度对梁体上部结构的影响曲线，如图4所示。

图4 桥墩横向抗弯刚度对梁体自振频率影响曲线

从图中可以看出，当桥墩的横向抗弯刚度小于3×108N/m，桥墩横向抗弯刚度的对梁体的自振特性影响较大。当仅建立上部结构模型时必须考虑桥墩横向抗弯刚度的影响。当超过这一数值时，存在的影响相对较小。本算例未考虑相邻桥跨间的相互影响。

四、小结及建议

（1）测试过程中应考虑高墩的影响。

在自振特性测试过程中，桥墩的自振特性同样可以反映出来，尤其是自振频率相对较小时。当两自振频率相近时，在测试时应仔细识别、去伪存真。

桥墩的横向抗弯刚度，作为边界条件对梁体的自振特性存在影响。一般情况下，高墩的横向抗弯刚度有减弱梁体横向抗弯刚度的趋势。计算分析过程中，不能仅考虑梁体而忽略桥墩抗弯刚度的影响。

（2）测试过程中发现存在轻微的扭转，其原因主要有以下两点：一、梁体抗扭刚度不足，梁体本身存在扭转变形；二、桥墩横向振动的影响，相邻两个桥墩横向振动幅度相差较大或振动方向相反而造成梁体存在扭转的假象。而在本例中由于墩顶未设置测点，故而无法识别。因此建议，类似的测试中应在墩顶处布置测点以便更好地测试、分析振型。

（3）本次检测以单跨为测试对象，对于连续高墩的桥跨结构进行测试，不足以掌握桥跨结构的振动特性。因此，建议类似项目综合考虑多跨布置测点。

参考文献

[1] 姚玲森.桥梁工程 [M] .北京，人民交通出版社，2003

[2] 曹雪芹.钢桁梁桥横向振动 [M] .北京，中国铁道出版社，1991

[3] 中华人民共和国铁道部.铁路桥梁检定规范 [M] .北京，中国铁道出版社，2004