蒋丽忠，聂磊鑫，周旺保，张云泰，余建，柴喜林

(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙，410075；2.中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心，湖南长沙，410075)

随着我国高速铁路行车速度和荷载幅度不断增大，轨道-桥梁系统的动力响应日益引起重视。行进的列车会对轨道系统和桥梁产生动力冲击作用[1]，引起动态变形和共振现象[2-3]。在各国高速铁路快速发展的过程中，主要采用数值模拟或与现场试验验证相结合的方法来研究高速列车-轨道-桥梁系统的动力相互作用关系。

为了保证列车在高速铁路桥上运行的安全性及车辆对结构的动力响应规律，董亮等[4-6]以实际工程为背景，采用数值模拟的方法建立了车辆-轨道-桥梁的动力分析仿真模型，计算并分析了列车的安全性和舒适性指标以及轨道-桥梁动力响应的一般规律。为了增加数值仿真模型和理论模型的可信度，国内外许多文献采用了现场试验和数值分析相结合的方法验证模型的正确性。XIA 等[7-9]将数值计算结果与现场测量结果进行比较验证了所建立的数值模型，并计算分析了车-桥的动力响应；GARINEI 等[10-11]针对高速铁路桥梁、路基进行了大量相关的现场动力试验；孙常新等[12-14]研究了高速列车对路基动力响应的影响，结果表明模拟和试验结果的规律性一致；刘鹏辉等[15-17]基于验证后的数据模型分析了车辆-轨道-桥梁结构的动力特性。这些研究为铁路桥梁结构动力响应的研究奠定了基础。然而，对于行车条件下高速铁路桥梁动力响应，现场测试成本高、组织困难，室内试验相比现场试验更简单可行。由于国内外缺乏室内桥上行车试验平台，目前室内试验研究成果仍然较少，因此，有必要开展列车-轨道-桥梁系统的动力响应及行车室内试验研究，这对高速铁路车桥动力理论及设计应用具有重要意义。

本文根据高速铁路桥梁的构造特点进行实验室缩尺模型试验，缩尺比例为1∶10。通过缩尺模型试验对行车作用下的高速铁路CRTSII 型无砟轨道桥梁的动力响应规律进行研究，分析不同车速情况下桥跨上不同位置不同构件的竖向位移时程，探明不同构件和位置受行车作用的动力响应差异，揭示行车速度对各构件动力响应的影响规律，为后续研究提供试验依据和参考。

1 试验概述

1.1 试验模型及参数

试验模型为11跨CRTSII型无砟轨道高速铁路简支梁桥一体化缩尺模型，缩尺比为1∶10，在模型两侧配备行车系统的加速装置和减速装置，如图1所示。为保证行车试验的可行性和准确性，缩尺模型在行车试验中始终处于弹性工作状态，各构件截面严格保证几何相似和材料相似，试验模型相似比如表1 所示。试验模型中，轨道-桥梁结构部分由桥墩、支座、主梁和轨道系统组成，轨道系统包括滑动层、底座板、CA 砂浆层、轨道板、扣件、钢轨、剪力齿槽、剪切钢筋、L型侧向挡块等。上部结构整体布置示意图如图2所示，各构件详细参数如下。

图2 轨道-桥梁结构布置图Fig.2 Track-bridge structure layout

表1 试验模型参数相似比Table 1 Similarity ratio of experimental model parameter

图1 试验模型及装置Fig.1 Test model and devices

1)桥墩。桥墩选用Q235 钢材，高度为500 mm，沿桥梁横向宽度为700 mm，纵向宽度为300 mm，厚度为10 mm的空心矩形桥墩截面。

2)主梁。主梁选用Q235钢材，每跨简支梁长度为3 260 mm，梁高为180 mm，截面尺寸如图2(c)所示，其中，为防止结构发生局部扭转或屈曲变形，在中间分段布置板厚为8 mm辅助支撑板。

3)底座板。底座板选用Q235钢材，等效缩尺设计后宽度为295 mm，厚度为8.5 mm，纵向连续铺设。

4)轨道板。轨道板选用Q235钢材，等效缩尺设计后长度为645 mm，宽度为255 mm，厚度为9 mm，轨道板之间作纵向连续处理。

理解是背诵的基础。只有在课堂上充分研读课文，引导学生品悟语言文字、感悟意境，才能真正让学生融入言语情境，体会内容，读出感情，从而熟读成诵。以教学古诗《送元二使安西》为例，引导学生读出故事发生的时间、地点、环境，学生脑海中便能呈现出鲜活的画面感：渭城初春的清晨，天气带着凉意，雨中的客舍和柔柳，让人感到清新而又亲切。然而，好朋友分别，依依不舍之情油然而生，尤其是老师介绍到写作背景——元二要去的，是塞外荒漠，等待他的，将是孤身漂泊，前途渺茫。课行此处，诗人的情感和诗的意境互相交融，学生融情入境，便能读出留恋，读出深情，更加深入地理解了文本，从而为背诵打下了基础。

5)承轨台。相似设计缩尺后，采用长度为29 mm、宽度为80 mm、厚度为4 mm的钢片模拟。承轨台与轨道板之间通过螺栓连接，单块轨道板上设置10对承轨台，其中心线纵向间距为65 mm。

6)CA砂浆层。在底座板顶面和轨道板底面之间填充厚度为3 mm、宽度为255 mm 的巴斯夫ConipurM867F聚氨酯胶。

7)滑动层。在梁体上方用巴斯夫ConipurM867 F 聚氨酯胶(实际高铁桥梁中两布一膜层中使用的胶黏剂)粘贴宽度为295 mm、厚度为3 mm 的低密度聚乙烯土工膜。

8)剪切钢筋。剪切钢筋选用Q420钢材，采用直径为2 mm、长度为20.5 mm 的螺杆。剪切钢筋布置见图2(a)，每块轨道板在梁缝两侧各设2排剪切钢筋，每排2 根，即每块承轨台中心线下各1根。

9)剪力齿槽。剪力齿槽选用Q345钢材，设置在固定支座上方。采用直径为2 mm、长度为20.5 mm 的螺栓，在每块轨道板下设置间距为27 mm 的2 排钢条，每排各7 根，共14 根，其中，轨道板中心线上2 根，轨道板中心线两侧各6 根，钢条沿桥梁横向的间距为42 mm，2排钢条的中心线距固定支座梁端188 mm，如图2(a)所示。

10)侧向挡块。侧向挡块选用Q235 钢材，钢制L型侧向挡块长度为27 mm，底宽为10 mm，顶宽为30 mm，高度为21.5 mm。挡块与梁底焊接在一起，与底座板和轨道板接触的3个面设置厚度为1 mm的硫化橡胶垫板。从距固定支座处剪力齿槽中心线800 mm 处开始设置侧向挡块，间隔为800 mm，单跨梁共计12个侧向挡块。

11)钢轨。采用CHN60 型钢轨按1:10 进行缩尺，选用紫铜浇筑而成。

13)支座。支座布置如图2(b)所示。在轨道-桥梁结构整体缩尺模型制作中，支座基本原则和需求为：桥梁梁体在行车试验中需处于弹性工作状态，不发生局部扭转屈曲等变形，具有足够的刚度。支座内的承压橡胶板提供梁端部转动的需要，聚四氟乙烯板提供梁端与桥墩之间相对滑动的位移需要。橡胶板厚度为4 mm，聚四氟乙烯板的厚度为0.5 mm。

14)车辆。车辆模型如图1 所示。车辆外形采用CRH380AL 型动车组车头外形[18]，几何缩尺比为1∶10，车辆具有2对转向架，前后间距为1.75 m，每对转向架包含2对车轮，轮距为0.25 m。车辆总体质量为108 kg。

1.2 试验工况及测量方案

1.2.1 试验工况

本试验通过行车设备的加速装置为列车提速，共设置5 种车辆初始速度，分别为4，5，6，7 和8 m/s。车辆通过测试段时，因行驶距离较短，摩擦力等环境因素对速度影响较小，可认为其速度均匀变化，最后，通过位于测试段的IP67 反射型光纤传感器测速系统获取列车经过时的真实速度，测速装置如图1所示。

1.2.2 测点布置

整个试验模型共有11 跨简支梁，由于测量设备有限，选取桥梁中间跨(6号跨)的轨道-桥梁系统进行测量。采用VIC-3D高速系统中的高速摄像机测量桥墩及跨内的钢轨、轨道板、底座板和主梁的竖向位移响应，在对中跨区域测量后，通过相关软件进行数据提取。为了得到更高的测量精度和空间分辨率，高速摄像机的测量范围取半跨简支梁长度。

VIC-3D 高速系统分析基于样品表面的散斑图案进行观测，因此，需要在测量对象布置适当的散斑图样，结构测点布置如图3所示。对于桥墩与主梁，可以直接将整体散斑图直接布置在结构相应区域内，测量场位移。对于轨道系统，由于底座板、轨道板和钢轨的竖向间距太小，因此，采用分段等间距测量，即等间距在构件上布置测点。

图3 VIC-3D高速摄像系统及结构测点布置图Fig.3 VIC-3D high-speed camera system and layout of structural measuring points

2 试验结果处理及分析

2.1 试验数据采集与处理

为提高采集精度，随着行车速度提高，采集帧率也应适当提高，车速4，5，6，7和8 m/s对应的采集帧率分别为800，1 000，1 200，1 400 和1 600 Hz。以行车速度4 m/s 时为例，结构的竖向变形云图如图4所示。可见：在轮-轨接触的位置，竖向位移云图颜色偏深，说明轮对与桥-轨系统接触位置的局部效应显著。经高速摄像系统数据处理软件对高分辨率图像处理后得到原始位移时程，显然，原始位移信号中含有较多噪声信号。为准确分析行车对轨道-桥梁系统的动力响应规律，需对原始信号进行降噪处理。相比于傅里叶变换，对于振动信号，小波变换对其中的高频白噪声处理优势更大[19]，因此，本文基于Origin数据处理软件，采用小波变换默认阈值法对位移响应时程进行降噪处理。经不同参数下的降噪结果对比确定降噪处理最佳参数为：小波类型采用Daubechis10，降噪5次。以车速4 m/s和8 m/s时的跨中钢轨变形时程信号为例，降噪前后钢轨变形时程曲线对比如图5所示。

图4 高速摄像机采集的结构竖向变形云图Fig.4 Vertical deformation nephogram acquired by highspeed camera

2.2 不同速度下结构的位移响应规律

为研究行车对高速铁路轨道-桥梁系统动力响应的影响规律，分析车速为4，6 和8 m/s 下钢轨、轨道板、底座板和主梁的跨中竖向位移时程变化规律，如图6所示。由图6可知，在同一行车速度下，不同构件层的竖向位移时程曲线的峰值及其形状均有显著差异；底座板、轨道板、钢轨的竖向位移响应峰值依次增大，这是因为扣件和CA砂浆层的弹簧阻尼效应降低了轨下结构的车辆动力效应；主梁和底座板的竖向位移时程曲线形状基本一致，这是因为滑动层竖向刚度近似刚性，其阻尼效应不明显。各构件的竖向位移时程曲线形状均有2处突变，其中，钢轨时程曲线形状突变幅值最大，轨道板、底座板和主梁的钢轨时程曲线形状突变幅值依次减弱，说明轮对与桥-轨系统接触位置的局部效应非常显著，且因层间阻尼效应的影响，轮对局部作用对轨道板、底座板和主梁的动力变形的影响依次减弱。对于不同的行车速度，同一构件层的竖向位移时程曲线形状基本一致，但震荡幅值波动较大。以主梁为例，随行车速度的增加，主梁竖向位移时程曲线震荡波动明显增大，与车速4 m/s时相比，车速8 m/s时的震荡幅值增大约75%。

图6 不同车速构件竖向位移时程曲线Fig.6 Time-history curves of components vertical displacement at different speeds

不同行车速度下各构件顺桥向位置竖向位移峰值如图7所示。由图7可知，不同顺桥向位置的竖向位移峰值有显著差异。距跨中位置越近，主梁和底座板的竖向位移峰值越大，其增幅分别为23%～86%和32%～75%，而轨道板和钢轨的竖向位移峰值增大趋势并不明显；列车运行速度对构件的竖向位移峰值有一定影响，当行车速度为8 m/s时，各构件层的竖向位移峰值均达到最大。各构件层的竖向位移实测最大值与行车速度的关系曲线如图8所示。从图8可以看出：各构件层的竖向位移实测最大值随速度增大呈波动增大趋势。综上可知：列车作用下的CRTSII 型无砟轨道高速铁路简支梁桥各构件的竖向位移响应受行车位置、行车速度等因素影响显著，在实际工程中应关注临界速度，避免轨道结构过大变形而造成损伤。

图7 不同车速下各构件顺桥向位置竖向位移峰值Fig.7 Vertical displacement peaks of component position along bridge at different speeds

图8 车速与构件竖向位移实测最大值的关系Fig.8 Relationship between driving speed and actual maximum vertical displacement of components

2.3 不同速度下结构的动力系数变化

动力系数能够反映结构动力增大效应，基于降噪处理后的位移响应时程曲线，各层动力系数δ可按下式进行计算[20]：

式中，Smax为动力荷载作用下实测检测部位的动力变形最大值，Smin为与Smax在同一周期内的实测动力变形极小值。

构件竖向位移动力系数与行车速度的关系如图9所示。从图9可以看出：钢轨、轨道板、底座板和主梁的动力系数随行车速度的增大均出现不同程度的波动，且整体上呈现随行车速度的增大而增大的趋势；主梁与底座板的动力系数相近，在1.1～1.3 范围内波动；轨道板及钢轨动力系数相近，在1.3～1.7范围内波动，说明CA砂浆层的阻尼效应使主梁及底座板的动力系数明显小于轨道板及钢轨的动力系数，调整CA砂浆层的弹簧阻尼参数能有效控制移动列车作用下桥梁-轨道系统动力特性。

图9 车速与构件竖向位移动力系数的关系Fig.9 Relationship between speed and dynamic coefficient of components vertical displacement

3 结论

1)层间阻尼效应使不同构件层的竖向位移时程曲线的峰值和形状有显著差异，底座板、轨道板、钢轨的竖向位移响应峰值依次增大，主梁和底座板的竖向位移时程曲线形状基本一致。

2)对于不同的行车速度，同一构件层的竖向位移时程曲线形状基本一致；随行车速度的增加，各构件的竖向位移时程曲线震荡波动明显增大。

3)轮对与桥-轨系统接触位置的局部效应非常显著，且因层间阻尼效应的影响，轮对局部作用对轨道板、底座板和主梁的动力变形的影响依次减弱。

4)随行车速度的增大，钢轨、轨道板、底座板和主梁的动力系数整体上呈波动增大的趋势；轨道板和钢轨动力系数比较接近且明显大于主梁和底座板的动力系数，调整CA砂浆层阻尼参数能有效控制移动列车作用下桥梁-轨道系统动力特性。