高速铁路桥梁的振动分析与控制

高速铁路桥梁的振动分析与控制

0路基变形控制2006年4月，经国务院批准，京沪高速铁路项目和上海杭州磁浮交通项目获得国务院批准，表明中国已进入高速时代。高速铁路(客运专线)体现了高技术的集成,是一个系统工程。在这个系统工程中,结构工程扮演了重要的角色。高速铁路轨道等基础设施如何达到高平顺性,实际上也就是对桥梁、路基变形如何正确的控制,是一个十分重要的课题。对桥梁而言,应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性,以保证高速铁路行车条件下车辆良好的动力性能和运行的平稳性;同时,应结合桥梁的施工技术和经济条件,选择合理的结构形式,其中桥梁的竖向刚度、横向刚度是控制高速铁路桥梁设计的关键因素。高速铁路设计限制较为严格,导致高速铁路桥梁的数量多于普通铁路。在平原地区为了少占农田或满足既有交通立体交叉的需要,将大量采用高架桥线路,例如,京沪高速铁路经过的区域是东部经济发达地区,全长为1300多公里,桥梁占1000多公里,为全长的77%。桥梁是高速铁路土建工程的重要组成部分,主要功能是为高速列车提供平顺、稳定的桥上线路,以确保运营的安全和旅客乘坐的舒适。高速列车会引起桥梁结构振动,产生环境噪声,并且影响结构耐久性。如何减少桥梁结构振动,消除环境噪声,提高桥梁结构耐久性,是结构工程师应该认真面对并研究解决的问题。1预应力混凝土梁的设计在高速铁路线上,可大量应用预应力混凝土桥梁,对其应严格控制过大挠度的产生,达到“微挠度”甚至“零挠度”的要求,例如磁悬浮列车,由于是卡在其下的轨道梁上,并且“飞”离轨道运行的,列车与行车轨道之间的悬浮间隙仅为10mm,所以它不仅要求轨道梁等土建工程的制作、安装精度十分严格,其误差要求以mm或0.1mm计量,而且要求列车下的轨道梁在列车运营过程中几乎没有挠曲变形,因此,轨道梁应采用刚度大的预应力混凝土梁或钢梁,并且,对于预应力混凝土梁,应采用荷载平衡法进行预应力配筋设计,使梁在静载及部分活荷载作用下不产生挠度,在全部移动活荷载作用下(列车通过时)仅有微小的下挠变形。此外,桥梁基础也应采用深孔灌注桩技术,确保桥墩柱不发生沉降,因此,对于高速铁路桥梁,需严格控制其过大挠度的产生。为此需要建造整体性好、刚度较大的预应力混凝土桥梁,一般采取以下措施:(1)采用整孔箱梁(图1)。(2)提高简支梁的高跨比,一般应在1/10~1/9之间。(3)可选用连续梁、组合梁、连续刚构桥和拱桥等刚度较大的结构。(4)为防止车桥共振,对桥梁的自振频率提出相应的限值要求。(5)桥梁墩台基础要具有足够的纵向刚度。最重要的是采用预应力技术,控制好梁的挠度和变形,同时,应从设计和施工两个方面控制梁的徐变变形。设计上应满足以下要求:①减小截面上、下缘的应力差;②加大高跨比;③保证有效预应力值的准确性。25m预应力混凝土梁的徐变变形量宜控制在3mm以内,主要措施是准确施加预应力,严格保证混凝土的材料特性。施工方面应做到:①调整混凝土的水灰比(不大于0.40)和水泥用量;②张拉预应力时,混凝土强度和弹性模量已达到设计要求,并严格实行“双控”,严禁超张拉;③张拉期限不小于10d,并且尽可能使混凝土梁的徐变变形在铺设轨道前完成。2智能预应力梁的组成目前对挠度的控制仍是一种被动的方法,常用加大桥梁截面来换取其挠度的减小。实际上,截面的增大,导致恒载增加,这对长期挠度控制是不利的,而且,在多数情况下增加梁高是不可行的。为此,东南大学结合国家自然科学基金项目,提出了智能预应力系统(IPS)的概念,并开展了试验和分析研究。IPS是指利用智能结构系统(包括传感器、控制器和作动器)或者利用可调控的智能锚具根据外荷载效应调整索力的智能预应力系统。它可控制结构挠度,避免长期应力产生的不良影响,并大大减少与时间有关的预应力损失,使结构具有自适应性能,从而可对桥梁结构活荷载的挠度做到智能控制。预应力一直作为调节内力、控制变形的有效手段之一而被广泛应用。传统的预应力梁一般是将预应力设计成固定值施加在梁上,使梁在设计荷载作用下的变形控制在许可范围内。目前,笔者在探索一种主动控制梁变形的新方法:根据梁的变形需要能自动调整梁中预应力的大小,使梁的变形始终控制在设定的范围内,称之为智能预应力梁。相比较而言,在梁的截面及变形控制目标相同时,智能预应力梁比传统的预应力梁能够承受更大的活荷载,或者说,在同样的外荷载作用下,智能预应力梁的截面尺寸可设计得较小,以节省材料用量,减轻结构自重。按照张拉预应力方式的不同,常将预应力分为端部张拉预应力和横向张拉预应力两种体系,端部张拉智能预应力梁,是将液压伺服千斤顶安装在锚具和结构之间,根据梁的变形控制要求进行顶升或回缩以改变梁中预应力的大小,从而达到调节内力、控制变形的目的。一般而言,端部张拉智能预应力梁除了普通预应力梁所需条件外,还包括数据采集系统、数据处理系统及动力系统。数据处理系统将数据采集系统测得的监控点实际位移与控制目标位移进行比较,并根据各个千斤顶的工作状态,结合某种最优控制算法向各个千斤顶发出顶升或回缩指令,直到所有监控点的位移都在许可范围内。智能预应力梁的控制框架如图2所示。当智能预应力梁只在梁跨中设置一个挠度监控点时,称之为单点控制的智能预应力梁。图3为东南大学研制的一种智能预应力梁的模型试验。图4为该试验梁的组成。由于传感系统是在梁的监控点处位移超标时才给动力系统发送信号的,而不需要对监控点位移进行连续的反馈,因此可以借鉴限位器的思想,即在外荷载作用下,当跨中挠度在传感系统设定的限位挠度范围内时,智能预应力梁数据处理系统不向动力系统发出指令,千斤顶维持现状,当跨中挠度智能预应力梁设定在限位挠度范围内时,数据处理系统向动力系统发出指令,千斤顶持续顶升或回缩直到跨中挠度在限位挠度范围内。3下部结构高速铁路行车由于具有高速度并要求高舒适性、高安全性、高密度及连续运营等特点,对高速铁路土建工程提出了极为严格的要求,包括:①竖向刚度限值,各国均用挠跨比表示,中国高速铁路桥梁竖向挠跨比限值为1/1800~1/1000;②横向刚度限值,通常梁体水平挠度应为计算跨度的1/4000。高速铁路行车要求其下部结构具有较大的抗弯、抗扭刚度。整孔简支箱梁具有受力明确、外形美观、刚度大,建成后养护、维修量少及噪声小等优点,因此在各国的高速铁路建设中得到了广泛应用。铺设无缝线路的高速铁路简支梁桥,当下部结构的设计纵向水平刚度有较大差别时,以往有人认为,个别刚度较大桥墩的存在对全桥其他桥墩及钢轨的内力会产生不利影响,但是,研究表明,桥墩设计的刚度差限值(15%)可以放宽。PC箱梁的刚度计算和挠度设计是较为麻烦的,要根据受力阶段选取弹性模量值和箱梁翼板尺寸的折减系数。当设计的PC箱梁截面较小、刚度不够大,甚至出现裂缝、挠度较大时,采用体外预应力技术,不失为一种较好的选择。4跨年龄、跨年龄利用下挠如前如述,车速的提高,给桥梁带来了结构振动及环境噪声问题,为此,需要采取一系列结构措施。在建成的线路中,PC箱形桥梁占有绝对优势。其原因是:①刚度大、挠度小,行车舒适度好;②混凝土结构噪声小;③结构因温度变化产生的移动对线路位置的影响小;④造价低。预应力混凝土连续箱梁、连续刚构体系是中国公路上常用桥型。近年来,不断发现大跨度预应力混凝土梁桥主梁跨中出现不同程度的下挠,而且长时间内还不稳定。据不完全统计,跨径在100~160m的预应力混凝土梁桥,跨中年平均下挠0.5~1cm;跨径在160~220m,跨中年平均下挠1~2cm;跨径在220~270m,跨中年平均下挠2~3cm。有些桥梁使用仅10a,已经下挠30cm以上。在近20a建成的不少大跨度PC连续刚架桥、连续箱梁桥中,最大的问题是斜裂缝多而宽和挠度大,且随着时间的推移,有的桥梁甚至因此而不得不作结构加固。另一方面,一些工程技术、研究人员认为其原因是混凝土的收缩、徐变及预应力损失没有计算正确所致,也有的认为是没有好好考虑箱梁的空间作用而引起的。上述说法和论点都有一定道理,但是,还不够全面,笔者认为:①箱梁腹中斜裂缝之所以出现较多是近20a来设计建成的箱梁桥中没有配置预应力弯起筋及梁腹过薄等设计因素所引起的,因为梁腹斜裂缝的出现荷载是与ft、bh0及σp有关的。有些专家认为,配置大量箍筋可以防止斜裂缝的出现,这种说法是不正确的,因为箍筋对梁斜截面受剪承载力很有贡献,但对抗裂几乎是没有作用的。②PC箱梁挠度过大及其随着时间的推移而不断增长的状况,除上述原因之外,一个不可忽略的原因是薄腹箱梁中的剪切应变,尤其是斜裂缝的出现和发展会显著加大截面高度和薄腹箱梁的挠度。关于这两个问题,笔者正结合苏通长江大桥工程开展进一步研究;同时,对PC桥梁,由于混凝土的徐变作用,产生上拱,导致线路纵断面不平顺,影响运营线路轨道的几何变位,不利于维护、养护工作,也不利于行车安全和旅客乘坐的舒适性。对此,高速铁路线上,尤其在桥梁密集的高架线路上,必须严格控制PC梁的徐变上拱量。国外规程有此规定,中国还在进一步研究之中。总之,笔者认为:PC梁的徐变上拱量是可以控制的;箱形截面优于T形截面;预应力抛物线束优于其他线形束。5cfrp抗震加固工程目前,高速铁路线上有不少高架桥梁。4a前,笔者在日本一峡谷地段,专门参观了高速铁路线上的一座很高很大的高架桥墩柱的CFRP抗震加固工程。中国也有这种工程加固的实例(图5)。分析和试验结果表明,运用CFRP对柱(特别是圆柱)做抗震加固是十分有效的,它既能直接提高混凝土柱、墩的抗剪承载力,又能提高混凝土受约束后的强度。6声屏障与噪声控制据统计,除工厂、企业和建筑工程外,交通系统引起的环境噪声和振动(主要是引起建筑物的振动)也是公众反映中最为强烈的。多层高架道路、地下铁道、轻轨交通正日益形成一个立体交通体系。交通密度不断增加及离建筑物的最短距离小到只有几米,使得振动和噪声影响日益增大。交通车辆引起的结构振动尽管对桥梁结构本身影响不大,但是,通过周围地层向外传播进一步诱发建筑物的二次振动,特别对古建筑物的结构安全以及居民的工作、生活产生很大影响,因此,该问题引起日本及英、美、德等国家的重视,其中在德国,有学者提出采用隔振沟、板桩墙等隔振措施和研究建议。噪声是当今世界的公害之一。欧洲铁路联盟已经把噪声控制列入高速铁路建设的标准之一。设置声屏障,是消障噪声污染的一项有效措施。声屏障结构背板可分为混凝土、钢结构、砌体;声屏障吸声材料主要有膨胀珍珠岩、木屑混凝土、石英砂和泡沫铝等。设计声屏障,要作声学设计、结构设计和景观设计。声屏障的结构设计,应满足声屏障构件在运输、安装和使用过程中的强度、稳定性和刚度等要求,要有抗意外冲击的能力,能经得住高速列车脉动风压的考验及日晒雨淋和长期的疲劳作用。声屏障,大多采用插入式板。声屏障材料要选用吸声效果好、质量轻、抗风性能好及耐久性能好的。声屏障板构件安装插入H形钢骨架中,即成H形钢是通过桥面预埋螺栓相连于桥面的。声屏障,除了直立式声屏障、弧形声屏障外,还有全封闭型声屏障(图6)。国外已在研究活性粉末混凝土制作整体式声屏障。中国对声屏障的研究,最近几年才开始,目前正在编写和完善有关声屏障设计规范。东南大学正在开展对PC声屏障结构及加气轻质混凝土(ALC)板声屏障的研究。ALC板特点是密度小(500~600kg·m-3),能浮在水面上,同时,隔声、吸声效果很好,因为混凝土板内有大量孔洞。在南京地铁地面线路两侧,已设置了ALC板声屏障。另外,绿化也是一种生态降噪措施,它可与声屏障结合起来使用。7高速铁路桥梁的结构工艺研究高速铁路上的桥梁设计应遵循少维修、免维修的原则,要把桥梁的耐久性放在重要位置。因为在不中断交通运输的情况下进行检查、维修、加固甚至更换是十分困难的,费用也是昂贵的,然而,若不及时维修、加固,桥梁耐久性病害将会危及桥梁安全,因此,有学者建议尽量采用高性能混凝土,有条件时,采用先张法折线配筋预应力筋混凝土桥梁(在青藏线上已有应用)。中国即将进入一个建设高速铁路网的时代。无论是重达900t的预制箱梁,还是跨度数百米的跨江大桥工程,以及大量的墩台、整体道床、轨枕等,都是由混凝土形成的结构物,基础设施中混凝土的重要性更不言而喻。混凝土结构的耐久性与腐蚀、冻融密切相关。腐蚀既指钢筋锈蚀,又指结构在环境物理化学作用下所导致的性能劣化与破坏。应提高混凝土的耐腐蚀、抗冻融和其他方面的性能指标,从而提高混凝土结构的耐久性,因此,东南大学结合国家自然科学基金项目,对现代预应力混凝土结构耐久性开展了较为系统的研究。中国是桥梁大国,其中大跨度斜拉桥已建成100多座,但是已建斜拉桥,多为钢索钢箱梁斜拉桥,且大多是公路大桥,铁路斜拉桥仅有2座。日本北陆新干线上混凝土斜拉桥的建成,突破了柔性结构在高速铁路桥梁中应用的禁区。为此,东南大学结合国家自然科学基金项目的研究,在江苏镇江市探索性地建成了一座长为51.5m的