高速鐵路橋梁的振動分析與控制

高速鐵路橋梁的振動分析與控制

0路基變形控制2006年4月，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，京滬高速鐵路項目和上海杭州磁浮交通項目獲得國務(wù)院批準(zhǔn)，表明中國已進(jìn)入高速時代。高速鐵路(客運(yùn)專線)體現(xiàn)了高技術(shù)的集成,是一個系統(tǒng)工程。在這個系統(tǒng)工程中,結(jié)構(gòu)工程扮演了重要的角色。高速鐵路軌道等基礎(chǔ)設(shè)施如何達(dá)到高平順性,實(shí)際上也就是對橋梁、路基變形如何正確的控制,是一個十分重要的課題。對橋梁而言,應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性,以保證高速鐵路行車條件下車輛良好的動力性能和運(yùn)行的平穩(wěn)性;同時,應(yīng)結(jié)合橋梁的施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件,選擇合理的結(jié)構(gòu)形式,其中橋梁的豎向剛度、橫向剛度是控制高速鐵路橋梁設(shè)計的關(guān)鍵因素。高速鐵路設(shè)計限制較為嚴(yán)格,導(dǎo)致高速鐵路橋梁的數(shù)量多于普通鐵路。在平原地區(qū)為了少占農(nóng)田或滿足既有交通立體交叉的需要,將大量采用高架橋線路,例如,京滬高速鐵路經(jīng)過的區(qū)域是東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),全長為1300多公里,橋梁占1000多公里,為全長的77%。橋梁是高速鐵路土建工程的重要組成部分,主要功能是為高速列車提供平順、穩(wěn)定的橋上線路,以確保運(yùn)營的安全和旅客乘坐的舒適。高速列車會引起橋梁結(jié)構(gòu)振動,產(chǎn)生環(huán)境噪聲,并且影響結(jié)構(gòu)耐久性。如何減少橋梁結(jié)構(gòu)振動,消除環(huán)境噪聲,提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性,是結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該認(rèn)真面對并研究解決的問題。1預(yù)應(yīng)力混凝土梁的設(shè)計在高速鐵路線上,可大量應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁,對其應(yīng)嚴(yán)格控制過大撓度的產(chǎn)生,達(dá)到“微撓度”甚至“零撓度”的要求,例如磁懸浮列車,由于是卡在其下的軌道梁上,并且“飛”離軌道運(yùn)行的,列車與行車軌道之間的懸浮間隙僅為10mm,所以它不僅要求軌道梁等土建工程的制作、安裝精度十分嚴(yán)格,其誤差要求以mm或0.1mm計量,而且要求列車下的軌道梁在列車運(yùn)營過程中幾乎沒有撓曲變形,因此,軌道梁應(yīng)采用剛度大的預(yù)應(yīng)力混凝土梁或鋼梁,并且,對于預(yù)應(yīng)力混凝土梁,應(yīng)采用荷載平衡法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力配筋設(shè)計,使梁在靜載及部分活荷載作用下不產(chǎn)生撓度,在全部移動活荷載作用下(列車通過時)僅有微小的下?lián)献冃巍４送?橋梁基礎(chǔ)也應(yīng)采用深孔灌注樁技術(shù),確保橋墩柱不發(fā)生沉降,因此,對于高速鐵路橋梁,需嚴(yán)格控制其過大撓度的產(chǎn)生。為此需要建造整體性好、剛度較大的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁,一般采取以下措施:(1)采用整孔箱梁(圖1)。(2)提高簡支梁的高跨比,一般應(yīng)在1/10~1/9之間。(3)可選用連續(xù)梁、組合梁、連續(xù)剛構(gòu)橋和拱橋等剛度較大的結(jié)構(gòu)。(4)為防止車橋共振,對橋梁的自振頻率提出相應(yīng)的限值要求。(5)橋梁墩臺基礎(chǔ)要具有足夠的縱向剛度。最重要的是采用預(yù)應(yīng)力技術(shù),控制好梁的撓度和變形,同時,應(yīng)從設(shè)計和施工兩個方面控制梁的徐變變形。設(shè)計上應(yīng)滿足以下要求:①減小截面上、下緣的應(yīng)力差;②加大高跨比;③保證有效預(yù)應(yīng)力值的準(zhǔn)確性。25m預(yù)應(yīng)力混凝土梁的徐變變形量宜控制在3mm以內(nèi),主要措施是準(zhǔn)確施加預(yù)應(yīng)力,嚴(yán)格保證混凝土的材料特性。施工方面應(yīng)做到:①調(diào)整混凝土的水灰比(不大于0.40)和水泥用量;②張拉預(yù)應(yīng)力時,混凝土強(qiáng)度和彈性模量已達(dá)到設(shè)計要求,并嚴(yán)格實(shí)行“雙控”,嚴(yán)禁超張拉;③張拉期限不小于10d,并且盡可能使混凝土梁的徐變變形在鋪設(shè)軌道前完成。2智能預(yù)應(yīng)力梁的組成目前對撓度的控制仍是一種被動的方法,常用加大橋梁截面來換取其撓度的減小。實(shí)際上,截面的增大,導(dǎo)致恒載增加,這對長期撓度控制是不利的,而且,在多數(shù)情況下增加梁高是不可行的。為此,東南大學(xué)結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目,提出了智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)(IPS)的概念,并開展了試驗和分析研究。IPS是指利用智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(包括傳感器、控制器和作動器)或者利用可調(diào)控的智能錨具根據(jù)外荷載效應(yīng)調(diào)整索力的智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)。它可控制結(jié)構(gòu)撓度,避免長期應(yīng)力產(chǎn)生的不良影響,并大大減少與時間有關(guān)的預(yù)應(yīng)力損失,使結(jié)構(gòu)具有自適應(yīng)性能,從而可對橋梁結(jié)構(gòu)活荷載的撓度做到智能控制。預(yù)應(yīng)力一直作為調(diào)節(jié)內(nèi)力、控制變形的有效手段之一而被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力梁一般是將預(yù)應(yīng)力設(shè)計成固定值施加在梁上,使梁在設(shè)計荷載作用下的變形控制在許可范圍內(nèi)。目前,筆者在探索一種主動控制梁變形的新方法:根據(jù)梁的變形需要能自動調(diào)整梁中預(yù)應(yīng)力的大小,使梁的變形始終控制在設(shè)定的范圍內(nèi),稱之為智能預(yù)應(yīng)力梁。相比較而言,在梁的截面及變形控制目標(biāo)相同時,智能預(yù)應(yīng)力梁比傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力梁能夠承受更大的活荷載,或者說,在同樣的外荷載作用下,智能預(yù)應(yīng)力梁的截面尺寸可設(shè)計得較小,以節(jié)省材料用量,減輕結(jié)構(gòu)自重。按照張拉預(yù)應(yīng)力方式的不同,常將預(yù)應(yīng)力分為端部張拉預(yù)應(yīng)力和橫向張拉預(yù)應(yīng)力兩種體系,端部張拉智能預(yù)應(yīng)力梁,是將液壓伺服千斤頂安裝在錨具和結(jié)構(gòu)之間,根據(jù)梁的變形控制要求進(jìn)行頂升或回縮以改變梁中預(yù)應(yīng)力的大小,從而達(dá)到調(diào)節(jié)內(nèi)力、控制變形的目的。一般而言,端部張拉智能預(yù)應(yīng)力梁除了普通預(yù)應(yīng)力梁所需條件外,還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及動力系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得的監(jiān)控點(diǎn)實(shí)際位移與控制目標(biāo)位移進(jìn)行比較,并根據(jù)各個千斤頂?shù)墓ぷ鳡顟B(tài),結(jié)合某種最優(yōu)控制算法向各個千斤頂發(fā)出頂升或回縮指令,直到所有監(jiān)控點(diǎn)的位移都在許可范圍內(nèi)。智能預(yù)應(yīng)力梁的控制框架如圖2所示。當(dāng)智能預(yù)應(yīng)力梁只在梁跨中設(shè)置一個撓度監(jiān)控點(diǎn)時,稱之為單點(diǎn)控制的智能預(yù)應(yīng)力梁。圖3為東南大學(xué)研制的一種智能預(yù)應(yīng)力梁的模型試驗。圖4為該試驗梁的組成。由于傳感系統(tǒng)是在梁的監(jiān)控點(diǎn)處位移超標(biāo)時才給動力系統(tǒng)發(fā)送信號的,而不需要對監(jiān)控點(diǎn)位移進(jìn)行連續(xù)的反饋,因此可以借鑒限位器的思想,即在外荷載作用下,當(dāng)跨中撓度在傳感系統(tǒng)設(shè)定的限位撓度范圍內(nèi)時,智能預(yù)應(yīng)力梁數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不向動力系統(tǒng)發(fā)出指令,千斤頂維持現(xiàn)狀,當(dāng)跨中撓度智能預(yù)應(yīng)力梁設(shè)定在限位撓度范圍內(nèi)時,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向動力系統(tǒng)發(fā)出指令,千斤頂持續(xù)頂升或回縮直到跨中撓度在限位撓度范圍內(nèi)。3下部結(jié)構(gòu)高速鐵路行車由于具有高速度并要求高舒適性、高安全性、高密度及連續(xù)運(yùn)營等特點(diǎn),對高速鐵路土建工程提出了極為嚴(yán)格的要求,包括:①豎向剛度限值,各國均用撓跨比表示,中國高速鐵路橋梁豎向撓跨比限值為1/1800~1/1000;②橫向剛度限值,通常梁體水平撓度應(yīng)為計算跨度的1/4000。高速鐵路行車要求其下部結(jié)構(gòu)具有較大的抗彎、抗扭剛度。整孔簡支箱梁具有受力明確、外形美觀、剛度大,建成后養(yǎng)護(hù)、維修量少及噪聲小等優(yōu)點(diǎn),因此在各國的高速鐵路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。鋪設(shè)無縫線路的高速鐵路簡支梁橋,當(dāng)下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計縱向水平剛度有較大差別時,以往有人認(rèn)為,個別剛度較大橋墩的存在對全橋其他橋墩及鋼軌的內(nèi)力會產(chǎn)生不利影響,但是,研究表明,橋墩設(shè)計的剛度差限值(15%)可以放寬。PC箱梁的剛度計算和撓度設(shè)計是較為麻煩的,要根據(jù)受力階段選取彈性模量值和箱梁翼板尺寸的折減系數(shù)。當(dāng)設(shè)計的PC箱梁截面較小、剛度不夠大,甚至出現(xiàn)裂縫、撓度較大時,采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù),不失為一種較好的選擇。4跨年齡、跨年齡利用下?lián)先缜叭缡?車速的提高,給橋梁帶來了結(jié)構(gòu)振動及環(huán)境噪聲問題,為此,需要采取一系列結(jié)構(gòu)措施。在建成的線路中,PC箱形橋梁占有絕對優(yōu)勢。其原因是:①剛度大、撓度小,行車舒適度好;②混凝土結(jié)構(gòu)噪聲小;③結(jié)構(gòu)因溫度變化產(chǎn)生的移動對線路位置的影響小;④造價低。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、連續(xù)剛構(gòu)體系是中國公路上常用橋型。近年來,不斷發(fā)現(xiàn)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋主梁跨中出現(xiàn)不同程度的下?lián)?而且長時間內(nèi)還不穩(wěn)定。據(jù)不完全統(tǒng)計,跨徑在100~160m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋,跨中年平均下?lián)?.5~1cm;跨徑在160~220m,跨中年平均下?lián)?~2cm;跨徑在220~270m,跨中年平均下?lián)?~3cm。有些橋梁使用僅10a,已經(jīng)下?lián)?0cm以上。在近20a建成的不少大跨度PC連續(xù)剛架橋、連續(xù)箱梁橋中,最大的問題是斜裂縫多而寬和撓度大,且隨著時間的推移,有的橋梁甚至因此而不得不作結(jié)構(gòu)加固。另一方面,一些工程技術(shù)、研究人員認(rèn)為其原因是混凝土的收縮、徐變及預(yù)應(yīng)力損失沒有計算正確所致,也有的認(rèn)為是沒有好好考慮箱梁的空間作用而引起的。上述說法和論點(diǎn)都有一定道理,但是,還不夠全面,筆者認(rèn)為:①箱梁腹中斜裂縫之所以出現(xiàn)較多是近20a來設(shè)計建成的箱梁橋中沒有配置預(yù)應(yīng)力彎起筋及梁腹過薄等設(shè)計因素所引起的,因為梁腹斜裂縫的出現(xiàn)荷載是與ft、bh0及σp有關(guān)的。有些專家認(rèn)為,配置大量箍筋可以防止斜裂縫的出現(xiàn),這種說法是不正確的,因為箍筋對梁斜截面受剪承載力很有貢獻(xiàn),但對抗裂幾乎是沒有作用的。②PC箱梁撓度過大及其隨著時間的推移而不斷增長的狀況,除上述原因之外,一個不可忽略的原因是薄腹箱梁中的剪切應(yīng)變,尤其是斜裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展會顯著加大截面高度和薄腹箱梁的撓度。關(guān)于這兩個問題,筆者正結(jié)合蘇通長江大橋工程開展進(jìn)一步研究;同時,對PC橋梁,由于混凝土的徐變作用,產(chǎn)生上拱,導(dǎo)致線路縱斷面不平順,影響運(yùn)營線路軌道的幾何變位,不利于維護(hù)、養(yǎng)護(hù)工作,也不利于行車安全和旅客乘坐的舒適性。對此,高速鐵路線上,尤其在橋梁密集的高架線路上,必須嚴(yán)格控制PC梁的徐變上拱量。國外規(guī)程有此規(guī)定,中國還在進(jìn)一步研究之中。總之,筆者認(rèn)為:PC梁的徐變上拱量是可以控制的;箱形截面優(yōu)于T形截面;預(yù)應(yīng)力拋物線束優(yōu)于其他線形束。5cfrp抗震加固工程目前,高速鐵路線上有不少高架橋梁。4a前,筆者在日本一峽谷地段,專門參觀了高速鐵路線上的一座很高很大的高架橋墩柱的CFRP抗震加固工程。中國也有這種工程加固的實(shí)例(圖5)。分析和試驗結(jié)果表明,運(yùn)用CFRP對柱(特別是圓柱)做抗震加固是十分有效的,它既能直接提高混凝土柱、墩的抗剪承載力,又能提高混凝土受約束后的強(qiáng)度。6聲屏障與噪聲控制據(jù)統(tǒng)計,除工廠、企業(yè)和建筑工程外,交通系統(tǒng)引起的環(huán)境噪聲和振動(主要是引起建筑物的振動)也是公眾反映中最為強(qiáng)烈的。多層高架道路、地下鐵道、輕軌交通正日益形成一個立體交通體系。交通密度不斷增加及離建筑物的最短距離小到只有幾米,使得振動和噪聲影響日益增大。交通車輛引起的結(jié)構(gòu)振動盡管對橋梁結(jié)構(gòu)本身影響不大,但是,通過周圍地層向外傳播進(jìn)一步誘發(fā)建筑物的二次振動,特別對古建筑物的結(jié)構(gòu)安全以及居民的工作、生活產(chǎn)生很大影響,因此,該問題引起日本及英、美、德等國家的重視,其中在德國,有學(xué)者提出采用隔振溝、板樁墻等隔振措施和研究建議。噪聲是當(dāng)今世界的公害之一。歐洲鐵路聯(lián)盟已經(jīng)把噪聲控制列入高速鐵路建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)之一。設(shè)置聲屏障,是消障噪聲污染的一項有效措施。聲屏障結(jié)構(gòu)背板可分為混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、砌體;聲屏障吸聲材料主要有膨脹珍珠巖、木屑混凝土、石英砂和泡沫鋁等。設(shè)計聲屏障,要作聲學(xué)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和景觀設(shè)計。聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計,應(yīng)滿足聲屏障構(gòu)件在運(yùn)輸、安裝和使用過程中的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度等要求,要有抗意外沖擊的能力,能經(jīng)得住高速列車脈動風(fēng)壓的考驗及日曬雨淋和長期的疲勞作用。聲屏障,大多采用插入式板。聲屏障材料要選用吸聲效果好、質(zhì)量輕、抗風(fēng)性能好及耐久性能好的。聲屏障板構(gòu)件安裝插入H形鋼骨架中,即成H形鋼是通過橋面預(yù)埋螺栓相連于橋面的。聲屏障,除了直立式聲屏障、弧形聲屏障外,還有全封閉型聲屏障(圖6)。國外已在研究活性粉末混凝土制作整體式聲屏障。中國對聲屏障的研究,最近幾年才開始,目前正在編寫和完善有關(guān)聲屏障設(shè)計規(guī)范。東南大學(xué)正在開展對PC聲屏障結(jié)構(gòu)及加氣輕質(zhì)混凝土(ALC)板聲屏障的研究。ALC板特點(diǎn)是密度小(500~600kg·m-3),能浮在水面上,同時,隔聲、吸聲效果很好,因為混凝土板內(nèi)有大量孔洞。在南京地鐵地面線路兩側(cè),已設(shè)置了ALC板聲屏障。另外,綠化也是一種生態(tài)降噪措施,它可與聲屏障結(jié)合起來使用。7高速鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)工藝研究高速鐵路上的橋梁設(shè)計應(yīng)遵循少維修、免維修的原則,要把橋梁的耐久性放在重要位置。因為在不中斷交通運(yùn)輸?shù)那闆r下進(jìn)行檢查、維修、加固甚至更換是十分困難的,費(fèi)用也是昂貴的,然而,若不及時維修、加固,橋梁耐久性病害將會危及橋梁安全,因此,有學(xué)者建議盡量采用高性能混凝土,有條件時,采用先張法折線配筋預(yù)應(yīng)力筋混凝土橋梁(在青藏線上已有應(yīng)用)。中國即將進(jìn)入一個建設(shè)高速鐵路網(wǎng)的時代。無論是重達(dá)900t的預(yù)制箱梁,還是跨度數(shù)百米的跨江大橋工程,以及大量的墩臺、整體道床、軌枕等,都是由混凝土形成的結(jié)構(gòu)物,基礎(chǔ)設(shè)施中混凝土的重要性更不言而喻?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性與腐蝕、凍融密切相關(guān)。腐蝕既指鋼筋銹蝕,又指結(jié)構(gòu)在環(huán)境物理化學(xué)作用下所導(dǎo)致的性能劣化與破壞。應(yīng)提高混凝土的耐腐蝕、抗凍融和其他方面的性能指標(biāo),從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,因此,東南大學(xué)結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目,對現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性開展了較為系統(tǒng)的研究。中國是橋梁大國,其中大跨度斜拉橋已建成100多座,但是已建斜拉橋,多為鋼索鋼箱梁斜拉橋,且大多是公路大橋,鐵路斜拉橋僅有2座。日本北陸新干線上混凝土斜拉橋的建成,突破了柔性結(jié)構(gòu)在高速鐵路橋梁中應(yīng)用的禁區(qū)。為此,東南大學(xué)結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目的研究,在江蘇鎮(zhèn)江市探索性地建成了一座長為51.5m的