程若厅 董振升 冯仲伟

1.中国铁路上海局集团有限公司 科技和信息化部，上海 200071；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081

高速铁路荷载大，列车运行速度高，轨道平顺性要求高，而悬索桥属于柔性结构体系，结构变形大，受温度、风等环境因素影响大［1-2］，故在高速铁路上很少采用悬索桥。随着建桥技术的发展，为满足跨江越海工程的建设需要，悬索桥作为跨越能力最大的结构体系，逐步在铁路建设中得到应用［3-7］。五峰山长江大桥是我国目前建成并投入运营的首座公铁两用悬索桥，在开通前进行了联调联试，虽然桥梁动力性能满足动车组以250 km/h 及以下速度运行的相关标准要求，但测试数据是在当时环境条件下（气温20～34 ℃、最大瞬时风速12.5 m/s、公路和预留线未通车）检测的［8］，环境条件变化时桥梁动力性能会随之改变，故在掌握极端环境条件下桥梁动力性能前，对主桥进行了限速运行。为保证达速后列车运营的安全性和平稳性，在一年中平均气温最高的七月份对五峰山长江大桥进行了专项试验。

1 试验工况及测试内容

该桥上公路和铁路均已开通运营，本次试验在公路桥面随机过车的情况下进行。铁路桥面测试工况分为三种：①上下行线单列动车组通过，速度从160 km/h 提升至275 km/h；②动车组跨中交会，速度200、250 km/h；③不同时间段（白天12：00 —15：00，晚上00：00 —04：00）单列动车组逐级提速。

测试内容包括：①上下游跨中和3L/4 处（L为中跨跨度）横向和竖向振幅、竖向和横向振动加速度；②下游侧跨中和3L/4 处的横向、竖向加速度；③下游侧边桁支座横向和纵向位移、中桁支座纵向位移和镇江侧相邻混凝土简支梁下游侧支座的横向位移。测点布置如图1所示。

图1 测点布置示意

2 试验结果分析

2.1 桥梁线形

分别为7 月18 日晚上（环境温度28.0 ℃）和7 月25日白天（环境温度37.4 ℃），采用电子水准仪对上下游桥梁线形进行了测量。不同温度下实测下游侧桥梁线形见图2。可知：①两次实测桥梁线形变化趋势一致，边跨与次边跨桥梁线形受温度变化影响较小，中跨受温度变化影响较大。②梁体高程随温度增高而降低。7 月25日白天梁体跨中高程比7月18日晚上下降76.4 mm。

图2 不同温度下实测桥梁线形

2.2 自振频率和阻尼比

专项试验和联调联试期间实测的梁体自振频率、阻尼比对比见表1。可知：专项试验和联调联试期间实测的自振频率差异在1%以内；两次测试的振动阻尼比有一定差异，但不同振型模态下阻尼比变化趋势基本一致。温度变化会引起结构支座摩擦阻力、材料阻尼变化，风速和交通状况会引起结构振幅变化，这些均能导致阻尼变化，故阻尼比总是在一定范围内变化，并非一个定值。

表1 两次实测的梁体自振频率和阻尼比对比

2.3 振动响应

1）梁体横向振幅

梁体跨中和3L/4 处横向振幅典型时域波形见图3。可知：①动车组通过时梁体横向振幅出现振动峰值，梁体跨中和3L/4 处横向振幅最大值分别为2.88、2.41 mm。②无列车通过时梁体横向振动也较明显，梁体跨中和3L/4处横向振幅最大值分别为0.99、1.18 mm。无列车通过时梁体横向振动主要由风荷载引起。无列车通过时梁体横向振幅最大能达到列车通过时的50%左右，说明外部风荷载是引起桥梁横向振动的主要原因。

图3 桥梁梁体横向振幅典型时域波形

2）梁体竖向振幅

梁体跨中和3L/4 处竖向振幅典型时域波形见图4。可知：动车组通过时梁体竖向振动较明显，实测梁体跨中和3L/4 处竖向振幅最大值分别为29.6、33.7 mm。虽然竖向振幅较大，但振幅对应的频率极低，在0.1 Hz 左右。实测动车组车体垂向平稳性指标最大值为2.06，达到优级，说明梁体出现频率较低、振幅较大的竖向振动依然不影响列车平稳性。

图4 梁体竖向振幅典型时域波形

3）梁体振动加速度

梁体跨中、3L/4 处横向和竖向振动加速度典型时域波形见图5。可知：铁路桥面上下行线通过动车组、公路桥面无汽车重车通过时梁体跨中和3L/4 处横向和竖向振动加速度均较小；与铁路桥面无动车组通过、公路桥面通过汽车重车时振动加速度量级相当，说明铁路桥面通过动车组与公路桥面通过汽车重车时梁体振动加速度相当。

图5 梁体横向和竖向振动加速度典型时域波形

动车组通过时实测梁体横向振动加速度最大值为0.04 m/s2，远小于铁运函〔2004〕120 号《铁路桥梁检定规范》中1.40 m/s2的限值要求。梁体竖向振动加速度最大值为0.21 m/s2，远小于TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》中3.50 m/s2的限值要求。因千米级的悬索桥跨度大，梁体质量较大，动车组通过时桥梁的激励能量变化不大，但梁体参振质量更大，因此梁体振动加速度变小。从实测数据看，梁体振动加速度与规范限值相差较远，不是大跨度桥梁振动响应的控制性指标。

4）对比分析

下行线动车组通过时上游侧和下游侧梁体横向振幅对比见图6。可知：下行线过车时梁体跨中上游侧和下游侧横向振幅相当；梁体3L/4 处下游侧横向振幅大于上游侧，说明下行线过车偏载作用下，下游侧横向存在局部振动现象。

图6 上游侧和下游侧梁体横向振幅对比

梁体竖向振幅与横向振幅有相似的特征。因此下行线过车时横向和竖向振幅测点布置在下游侧，可监测桥梁振动响应的最不利情况。

不同时段梁体下游侧跨中横向振幅对比见图7。可知：相同速度级下白天和晚上梁体下游侧跨中横向振幅相当。

图7 不同时段梁体下游侧跨中横向振幅对比

梁体下游侧跨中竖向振幅、横向和竖向振动加速度在白天和晚上无明显差异。这说明在夏季日夜温度变化范围内桥梁线形变化对动车组通过时桥梁振动响应无明显影响。

设计的线路纵断面在梁体跨中处对称，梁体跨中位于变坡点的坡顶。夏季梁体跨中高程处于相对低位，反而使线路更平顺；冬季梁体跨中高程会随温度降低而抬升，使线路产生不平顺，故需研究冬季桥梁的振动响应。

上下行线动车组通过时梁体下游侧跨中振幅对比见图8。可知：①梁体跨中横向振幅与行车速度无明显关系；下行线过车时梁体跨中横向振幅比上行线过车时大，说明下行线过车时存在偏载效应，比上行线过车时激励起梁体的横向振动更大。②梁体跨中竖向振幅随行车速度提高而增大；下行线过车时梁体跨中竖向振幅和上行线过车时相当。

图8 上下行线动车组通过时梁体下游侧跨中振幅对比

梁体3L/4 处横向、竖向振幅变化规律与跨中处相似。

实测200、250 km/h 速度级时下行线动车组单列通过和交会时梁体下游侧跨中振动响应见表2。因横向振幅和横向振动加速度与行车速度关系不明显，取200、250 km/h 两个速度级所有测试数据的平均值；竖向振幅和竖向振动加速度随行车速度提高而增大，取每一个速度级测试数据的平均值。可知：①下行线动车组单列通过时梁体下游侧跨中横向振幅平均值约为交会时的86%，动车组交会时梁体下游侧跨中横向振动加速度与单列通过时相当。②速度相同、下行线动车组单列通过时竖向振幅平均值约为交会时的53%～71%，竖向振动加速度平均值约为交会时的72%～85%。因此，动车组交会对梁体横向振动响应影响较小，对梁体竖向振动响应影响相对较大。

表2 下行线动车组单列通过和交会时梁体下游侧跨中振动响应

2.4 梁端变位

动车组通过时5#墩顶相邻混凝土简支梁下游侧支座和悬索桥下游侧边桁支座横向位移最大值分别为0.02、0.03 mm；动车组通过后支座横向位移基本能恢复至原位，支座横向位移不会累积。动车组通过时5#墩顶悬索桥下游侧边桁和中桁支座最大纵向位移分别为1.76、1.84 mm，边桁和中桁支座纵向位移同步，大小相当，但动车组通过后支座纵向位移并没有恢复至原位，支座纵向位移会累积。

为了分析梁端变位随温度的变化规律，连续采集18：00至次日23：00共29 h 5#墩顶支座位移时域波形，见图9。可知：①29 h 测试周期内悬索桥相邻混凝土简支梁下游侧支座横向位移最大变化量为0.05 mm，这与动车组通过时的最大位移0.02 mm 量级相当，因此在一天测试周期内悬索桥相邻混凝土简支梁由温度变化和动车组通过产生的支座横向位移相当；5#墩顶悬索桥下游侧边桁支座横向位移最大变化量为0.40 mm，而动车组通过时的最大位移为0.03 mm，因此在一天测试周期内，温度是引起悬索桥支座横向位移的主要因素。②29 h测试周期内悬索桥钢梁5#墩顶下游侧边桁和中桁支座纵向位移最大变化量分别为72.02、72.50 mm，此位移对应的悬索桥钢梁结构温度在31.7～36.1℃，支座位移随温度的变化率为8 mm/℃左右［9］，因此温度引起的支座位移为（36.1-31.7）×8=35.2 mm。动车组通过引起的边桁和中桁支座累积纵向位移分别为36.8、37.3 mm，可见在一天测试周期内，悬索桥钢梁支座纵向位移是温度荷载和列车荷载共同作用的结果。

图9 5#墩顶支座位移时域波形

3 结论

1）夏季梁体横向和竖向振动加速度等动力学性能指标均满足250 km/h及以下速度列车运营要求。

2）梁体高程随环境温度升高而降低。环境温度对边跨和次边跨的线形影响较小，对中跨线形影响较大。在夏季日夜温度变化范围内，桥梁线形的变化对列车通过时桥梁振动响应的影响不明显。

3）动车组交会对梁体横向振动响应影响较小，对梁体竖向振动响应影响相对较大。

4）在一天测试周期内，温度是引起悬索桥钢梁支座横向位移的主要因素，支座纵向位移由温度荷载和列车荷载共同作用引起。

本文仅对夏季桥梁的动力性能进行试验和分析。冬季温度变化剧烈，可能引起桥梁线形更大变化，从而影响桥梁动力性能，后续有必要在冬季对桥梁动力性能进行试验和评估。