大跨度高速铁路桥梁测试与分析中的技术问题

大跨度高速铁路桥梁测试与分析中的技术问题

大跨度高速铁路桥梁测试与分析中的技术问题

李星新，田启贤，平伟，海鹰郑徐

8 9

文章编号：0 3 7 2 2 0 ) 2 0 9 4 1 0—4 2 ( 0 9 S—0 8—0

大跨度高速铁路桥梁测试与分析中的技术问题李星新，启贤，平伟，海鹰田郑徐(中铁大桥局集团桥科院有限公司，北武汉 4 0 3 )湖 3 0 4

摘要：概述大跨度高速铁路桥梁评定标准，讨测试中需注意的关键问题。桥梁结构在列探车荷载作用下能否安全工作和桥上列车是否会脱轨是大跨度高速铁路通车鉴定的重要内容，进需

行理论分析并逐步积累我国实测试验资料，完善适合于我国高速铁路的评估标准。根据大跨度高 速铁路桥梁的信号特点对采样频率与滤波频率进行设置，对脱轨系数分析进行讨论。 关键词：高速铁路；铁路桥；长跨桥；估标准；波频率；评滤脱轨系数中图分类号：U4 6 4文献标志码： A

Te h i a s u s i s i n c n c lI s e n Te tng a d Ana y i f l ss o

Lo g S n Hi h S e d Ra l y Br d e n pa g— p e iwa i g sLIXigxn,T AN— in, n—i I aixa ZHENG n— i Pigwe,X【Ha— ig, i n y( ig ce c s a c n t u eLt. Br eS in eRee rh I si t d,Chn o g i jrB ig g n eig Gru d t iaZh n teMao rd eEn ie rn o p,Wu a 3 0 4 h n ) h n 4 0 3,C ia

Ab t a t s r c:T he a s s m e rt ra f r l ng s a g s e d r i a rdg sa e d s r b d i s e s ntc ie i o o p n hi h— p e al y b i e r e c i e n a w s m m a ie c ou n e e a rtc li s s i e t e i n t e t s i g o he b i e r u rz d a c nta d s v r lc iia s ue n ne d ofa t nton i h e tn ft rdg sa e s ud e . W h t r t t u t r s o h rdg s

c n s f l o k u e he a to ft a n l a n t id e he he s r c u e ft e b i e a a ey w r nd r t c i n o r i o d a d w h t e he t a nson t i ge l de a la e t m p r a o e s f r t e a s s m e 一 e h r t r i he brd s wil r i r he i o t nt c nt nt o h s e s ntof0

p n ng oft i ge o t a fc n r ga d o he e c nt nt,t h o e i n l s sa hegr d l e i hebrd st r f i.I e r ft s o e s het e r tca a y i nd t a uaa c ul to ffe d t s i g d t ft e brd s i urc nt y a e n c s ia e n h s e s e c um a i n o i l e tn a a o h i ge n o ou r r e e s t t d a d t e a s s m nt

c ie i u t b e f r t rdg s s ul e p r e t d.I he lg h ha a t rs is o he s g rt ra s ia l o he b i e ho d b e f c e n t i htoft e c r c e itc ft i— na sc le t d fom he brd e l o l c e r t i g s,t a he s mplng fe e y a it rn r q nc r e nd t — i r qu nc nd fle i g f e ue y a e s ta he a na y i ft e a ln oe fc e sa edic s d l ss o he d r ii g c f iint r s us e .Ke r s:hi h s e d r iw a y wo d g— p e al y; r iw a i ge; l g s n brd e; a s s m e rt ron; fl a l y brd on pa i g s e s nt c ie i i—

t rng fe ue y;d r i ng c fi int e i r q nc e a l oe fce i

1前言

验较少，些建成后的大跨度高速铁路桥梁是否符这合设计要求、际运营安全性能如何，要通过通车实需鉴

定试验进行验证。本文根据武汉天兴洲公铁两用长江大桥通车鉴定试验研究积累的经验，大跨度对

目前中国铁路客运专线、速铁路建设正在深高人推进并大力发展，涌现出一批大跨度高速、高速准铁路桥梁，如主跨跨度 5 4m、计速度最高为 2 0 0设 0

k h的武汉天兴洲公铁两用长江大桥，跨跨度 m/主 3 6m、 3设计速度最高为 3 0k h的南京大胜关长 0 m/江大桥等。由于目前国内外高速铁路特大跨度桥梁工程经收稿日期： 0 9 7 2 2 0—0— O

高速铁路桥梁测试与分析中的技术问题进行探讨，以期为今后快速建设发展的同类桥梁通车鉴定试验

提供参考。

作者简介：星新(9O )男，李 1 8一，工程师，0 3年毕业于中南大学铁道学院桥梁工程专业，学学士，0 6年毕业于中南大学铁道学院桥梁与 20工 20隧道工程专业，工学硕士，为中南大学博士研究生 (x 5 1 1 6 cr)现 1x 7@ 2 .on。

大跨度高速铁路桥梁测试与分析中的技术问题

9 0

桥梁建设

20 0 9年增刊 2

2大跨度高速铁路桥梁评定标准桥上列车走行安全性评定是高速铁路桥梁通车鉴定中的重要内容，行安全性包括两方面的内走容：桥梁结构在列车荷载作用下是否安全工 1①]

作的角度出发，定在单线列车运营下梁体竖向加规速度控制标准为：~2范围内的振动加速度最 O OHz

大值有碴轨道为 0 3 g无碴轨道为 0 5。《 .5, . g新建时速 2 0公里客货共线铁路设计暂行规定》 . . 0 5 3 2规定：道碴桥面强振频率不大于 2的竖向振动加 0Hz速度 a 0 3 g无碴桥面强振频率不大于 2的≤ .5; 0Hz竖向振动加速度 n 0 5。该规定与欧洲规范基本≤ .g一

作；桥上列车是否会脱轨。前者是桥梁结构的安②

全性，这一方面，代技术可以保证其安全；者是现后桥上列车运行安全性，要是指桥上列车是否脱轨。主

本文就以上两方面内容的国内外相关评定标准进行总结与探讨。 2 1桥梁结构刚度评定标准 .

致。秦沈客运专线设计规定桥梁跨中的最大竖向

振动加速度 n≤ 0 3 g . 5。各振动加速度限值应该

与相

应频率紧密联系，独限定桥梁加速度值的大单小是没有任何意义的，必须同时规定相应的频率。 2 1 2横向刚度 ..( )横向加速度。按照《路桥梁检定规范》 1铁

相关研究认为：桥梁竖向、向刚度对车体加速横度有一定的影响，高速铁路桥梁应具备足够的竖向及横向刚度，证列车高速通过时，梁结构不出现保桥激烈振动、止车轮脱轨及保证客车过桥的安全性。防 竖向刚度主要通过竖向挠跨比和梁端转角评判，横向刚度主要通过横向振幅、向加速度以及横向自横振频率评定。

(运函[ 0 4 1 0号 )O o 5节第 2条：当列车通铁 20] 2 l..“过时，桥跨结构在荷载平面的横向加速度 a不应 超过 1 4m/。日本对桥梁的横向振动加速度控 . s

制标准进行了专门试验研究。日本国铁技术研究所对跨度 5 0i n以下的钢桥进行过脱轨试验研究，结论是当桥梁的水平横向加速度达到 0 1~O 2 . g . g时， 车辆容易脱轨。为此，出了基于保证脱轨安全度提的桥梁横向振动加速度二级控制标准：. g为一般 01限度， . g为危险限度。我国《 02铁路桥梁检定规范》 (铁运函[ o 4 1 0号 ) 1 4m/的限值标准大 2 o] 2中 . s致相当于日本一、二级标准的中间限制 0 1 g但振 .5,动加速度频率范围没有明确界定。在《沈客运专秦

2 1 1竖向刚度 .. ( )挠跨比。对于跨度小于 9的桥梁，新 1 6m《

建时速 2 0 5公里客运专线铁路设计暂行规定》 0￣2 0对梁体竖向挠度限制做了明确规定，对于大跨度而高速铁路桥梁，目前国内外没有刚度指标的限值规定，内外几座大跨度铁路桥梁挠跨比见表 1国。表 1几座大跨度铁路桥挠跨比

线综合试验段线桥养护维修技术条件》科技基函 (2 0—1 3中规定： 02 0 )梁体横向振动加速度限制标准

为 0 1。实际运用中参照欧洲规范，原始波形做 .g对4低通数字滤波。 0Hz ( )横向振幅。《路桥梁检定规范》铁运函 2铁 (

[ 0 4 1 0号 )各类简支桥跨结构在荷载平面处 20]2对跨中横向振幅安全限

值进行了规定，跨度高速铁大路桥梁的横向振幅限值尚无规范规定，向振幅限横制的规定尚需要进行理论分析并逐步积累我国实测试验资料。 ( )梁端转角。为保证列车通过梁端有转角的 2 ( )水平挠度。《建时速 2 0 2 0里客运 3新 0 5公

线路时，车运行安全性和舒适性能够得到保障，列] 对梁端转角进行了限值。国际铁路联盟规定的梁端竖向转角≤ 5 rd日本新干线要求竖向转角≤‰ a,

专线铁路设计暂行规定》定，列车横向摇摆力、规在 离心力、风力和温度的作用下，体的水平挠度应小梁于或等于梁体计算跨度的 1 40 0/ 0。2 2列车行车安全性、适性评定标准 .舒国家“五”技攻关项目“八科高速铁路线桥隧设计参数选择的研究”报告之五“高速铁路轨道不平顺

3 rd水平转角≤ 2 rd德国规范要求水平转‰ a、‰ a,角≤ 1 rd‰ a。我国“速铁路设计暂行规定”求高要竖向转角≤ 2 rd水平转角≤ 1 ord‰ a、% a。 ( )竖向加速度。欧洲规范 E 9 1 3 NV 1 9—3从维护道床的稳定性、少运营阶段道床养护维修工减

日常养护维修管理标准的研究”已通过评审), (中脱轨系数采用 0 8为限值；国 I E高速列车在美 .作德 C

大跨度高速铁路桥梁测试与分析中的技术问题

大跨度高速铁路桥梁测试与分析中的技术问题

李星新，田启贤，平伟，海鹰郑徐

9 1

国东北走廊进行的高速试验和日本新干线的提速试验，均采用 Q P≤ o 8/ .。我国于 1 9 9 6年在环形线 2 0k h以上高速列车综合运行试验以及秦沈客 0 m/

要环节。就测试目的而言，向振幅、向加速度测横横试非常重要。横向振幅测点主要布设在跨中、端梁

以及墩顶，于中、铁路桥梁来说，对小由于梁体横向 刚度较大，梁体在支座上横向摆动，向振动几乎同横 步且梁端与跨中振动幅值差别较小，较难分辨出梁体横向弯曲振动，大跨度横向弯曲振动明显。横而向加速度测点主要布设在跨中和梁端，由于加速度

运专线桥梁综合动力试验中，轨系数的控制限度脱为 0 8。 .

19 9 8年，国 F美 RA公布的规范中，“

道安在轨全标准”车辆/道相互作用安全限值”的“轨中规定： “轮垂向荷载应不小于静轮重的 0 1倍，就是单 .也说，轮垂向荷载减载率 (对于静轮重 ) P单相 P/。≤ O 9滤波器/长为 5f。此标准适用 9级线路， .,窗 t

信号的特点是高频敏感，因此实际加速度的频谱及量值与测试位置有很大关系：测点离轨道越近，速加

度信号所在的频段越高，量值也会越大。《铁路桥梁检定规范》铁运函[ 0 4 1 0号 ) ( 20 3 2中对桥梁横向振动加速度测试位置定义为“载平面”可以理解为荷；轨道平面，际测试中对有碴混凝土梁大多置拾振实器于挡碴墙顶平面处 _。 3 J

最高允许速度为 2 0k h”秦沈客运专线综合 0 m/。在动力综合试验中，用的评定标准为 P P≤ 0 6采/ 0 .。

在已结题的相关车桥动力仿真计算研究“沈客运秦专线桥涵关键技术研究——常用跨度桥梁动力特性及列车走行性分析研究”京沪高速铁路常用跨度和“连续梁桥设计研究动力分析计算”,于安全考中偏虑，均采用评定标准 P/。 O 6制高速列车的安 P≤ .控

3 2采样频率与滤波频率的设置 .

采样频率大小的设置是动态信号采集中的一个非常关键的问题，样频率过高会影响系统响应速采度、存储大量的无用数据以及噪声干扰，且使得固定点数的分析时长缩短，利于低频信号的准确恢复不与重建。而过低又会导致信号混叠并影响到信号幅值精度。因此，根据大跨度高速铁路桥梁的振动应信号特点，置合理的采样频率，设并配合进行合理的硬件滤波。 大跨度桥梁振动测试根据不同的测试内容，主

全性。《速 2 0公里新建铁路线桥隧站设计暂行时 0规定》规定为 P P≤ O 6亦/。 .。

19 9 9年召开的大跨度高速铁路桥梁行车动力

特性论证会 _,国内科研机构的计算成果进行对 2对]比分析，讨总结国内研究分析成果与准高速铁路研

建设、试验经验，考国外工程经验确定了高速铁路参长江大桥的列车走行性评定标准 ( 2。表 )表 2高速铁路长江大桥的列车走行

性评定标准项目 脱轨系数轮重减载率车体竖向加速度车体横向加速度控制指标4o8 .4o6 . 4o 3 .1 g≤0 0 .1 g

要关心信号频率和信号幅值大小两方面的问题，不同的侧重点选择采样频率的策略不一样。主要关心信号频率的测试内容有桥梁动力特性测试和拉索索力测试，论上该类采样频率的设置仅需满足尼奎理

斯特 ( q i )理并保证频率的识别精度 (率分 Ny us定 t频

平性稳指

s

喜墨

良~好

辨率，采样频率和采样点数有关 )工程上采样频与，率一般取所关注最高阶频率的 3以上。如武汉天倍兴洲公铁两用长江大桥， 3第 0阶自振频率理论值为 2 8 ,只关心前 3 . 7Hz若 O阶模态，桥梁动力特性测则试时采样频率设为 8 6以上即可，动试验长 . 1Hz脉

3测试分析中需注意的几个问题

3 1测点布设位置 .

测点应该紧紧围绕测试目的进行重点布设，应避免求多求全的布点策略。以武汉天兴洲公铁两用长江大桥为例，将应力测点布设明确地分为 4部分：

时间的数据记录可保证频率识别精度的要求。对于武汉天兴洲公铁两用长江大桥斜拉索索力测量， 由于恒载作用下全桥斜拉索的基频范围在 0 3 l 4 .~ _ Hz间，虑到一般分析频率到斜拉索第 1之考 o阶频

①由主桁和与主桁共同参与整体受力的公路桥面

板组成的第一体系测点布设；由铁路纵横梁和公②路纵横肋组成的第二体系测点布设；公路正交异③性板和混凝土桥面板组成的第三体系测点布设；④三主桁受力分配、一混凝土结合段力学性能等关钢键技术测点布设。

率就可完全满足对斜拉索频率分布的识别，到索得力的测量值。而采样频率直接关系到斜拉索索力的识别精度 (频率分辨率)若假设采样频率为 2 ,, 0 Hz傅立叶变换点数为 10 4个，频率分辨率为 0 0 2则 .2 Hz采样频率 4的则为 0 0。为提高索力， 0Hz . 4 Hz测试精度，为统一测试结果，于今后的分析比也便

振动测点布设是高速铁路桥梁测试中的一个重

大跨度高速铁路桥梁测试与分析中的技术问题

9 2

桥梁建设

20 0 9

年增刊 2

较，采样频率选为第 l O阶的 2 3倍，一设置为~统 3,混滤波器的滤波频率也设置为 3。 0Hz抗 0Hz 动载试验跑车时，要关注振幅、速度、主加动挠度以及动应变等的信号幅值大小，因此采样频率设置必须保证幅值精度的要求。理论上采样频率越高，采样点数越密集，其采样精度越高，容易捕获越到信号峰值。工程上一般取所关注最高阶次频率的 1 0倍以上。振幅、挠度以及动应变低频分量丰动

2。

骞一暑 220 5 20 5— 2 0. 5 8 2 . 51 2 25" 16 22 5 25 . 02 25 . 06 25 l 2 .4 51 2 . 51 8

时间/

2 025 22 0 4 5 2 0. 5 8 0 5. 2一 5l 25 . 16 22 5 25 . 06 2 5l 2 . 51 4 2 1. 5 8

富，一般选择前 2 O阶频率的 1 O倍作为采样频率即可。加速度低频分量较少而高频分量丰富，因此加

时间/

图 2武汉天兴洲公铁两用长江大桥某测点振动加速度 4 0 Hz滤波前后时程曲线

速度的采样频率也相对较高，于加速度信号，先对事必须以较高的采样频率进行试采样，侦测信号的以

力地面测试方法》 TB T 2 8—9 ) (/ 4 9 4的规定]对每，一

频率范围，是防止信号混叠与保证信号幅值精度这第一步不可缺少的技术环节l,而确定加速度采 3进]样频率。

对车轮的测定区问仅在 2 0 mm 围内， 2范即对轮

轨力的测定时间非常短。例如：速为 5 m/ 车 0k h时，每一对车轮测定的有效时间为 0 0 6S这个时 . 1,间段远比“ 5规范” 9 8和“ 3标准”规定的“续时问”持

信号采集后，根据所关心的信号频率范围进应行滤波。对于振幅等低频分量丰富的信号滤波频率s目\ .O

曩5

小得多。因此，即使测出大的脱轨系数，也只能认为该脱轨系数具备了“不合格”必要条件”但无法的“,确定其“充分条件”。轨道脱轨系数只能作为供车辆部门参考的辅助数据]且由于轨道所测脱轨系数，为某个点的结果，映的区域有限，反而车辆所测脱轨系数反映

的是整个试验区间的状况。4总结与展望

O 5

O

较易设置。而加速度实测信号采集中，含了各种包频率成分，于梁体加速度原始信号，对究竟采取多宽的频带进行滤波目前尚无定论。滤波频率的范围对加速度处理结果影响很大，由于机车车辆舒适性 (平

稳性 )指标采取对车体加速度按 4进行滤波， 0Hz因此，一般建议对桥梁加速度也按 4 低频滤波预 0Hz处理 _ (关的标准规定不尽相同，有 8、O 4相]还 0 Hz 1 0Hz等 )。图 1和图 2为武汉天兴洲公铁两用长江大

在大跨度高速铁路桥梁评估中，影响运营安对

桥实测加速度数据， 1明滤波前高频能量丰富，图表 图 2表明滤波前后加速度峰值变化明显。N

全性、适性的主要参数评估标准，挠跨比、舒如动力系数、振幅以及加速度限值等，进行理论分析并逐需

步积累我国实测试验资料，善适合于我国高速铁完

目

瑙墨

[== o 5 0

路的评估标准l。测试过程中必须重视大跨度高速 5]铁路桥梁动态信号的频率响应特点，测试前必须掌握信号所在的频段，择合适的采样频率]选。动力特性与索力测试中采样频率的设置仅需满足尼奎斯特 ( q i ) Ny us定理并保证频率的识别精度， t振幅和

山山10 0

10 5

20 0

一

20 5

30 0

频率/ z H

加速度测试中采样频率的设置必须保证不出现频率混叠，能够保证感兴趣频段的幅值精度，且并根据频段设置合理的滤波截止频率。

图 1武汉天兴洲公铁两用长江大桥某测点振动

加速度滤波前时程曲线与频谱曲线

3 3脱轨系数分析 .现行技术标准《道车辆动力学性能评定和试铁参考文献：[]周智辉， 1曾庆元，向俊 .桥上列车走行安全性的物理

验鉴定规范》 G 5 9 5和《道机车动力学性 ( B 5 9—8 )铁能试验鉴定方法及评定标准》 T/ 3 0 3, ( B T 2 6—9 )对脱轨系数合格与否的评定，了数值限定外，超过除对

概念分析[] J .桥梁建设，0 4 () 1 . 2 0,I:—4( H OU Z i u, Z

Z h— i ENG Qigy a h n— u n, XI ANG J n u.Phy ia nc p n l ss o c iy o o n Tr i sc lCo e tA a y i fSe urt fM vig an

限值的，还要求必须检验其持续时间。但有关规定和判别方法都是基于机车车辆测力轮对的测试方法，而在地面、桥上的测试[于《轨水平力、直基轮垂

o r g[] r g o srci, 0 4 1:—4 nB i eJ .B i eC n t t n 2 0,() 1 . d d u o

(转第 1 5页 )下 0

大跨度高速铁路桥梁测试与分析中的技术问题

大跨度悬索桥变形与振动监测系统设计与实施

田启贤，继卫，星新钟李

嘲]

15 0

嘲]

状态评估积累了“指纹档案”对汶川地震作用下的；大桥实测振动响应进行了分析，表明大桥地震响结果应在设计范围之内，大桥工作状态未发生改变。震后 现代传感器技术、输技术以及土木工程技术传等的迅速发展，给桥梁健康监测技术的研究创造了越来越多的发展机遇，随着该项技术的发展和对系统充分合理的使用，梁健康监测系统将会越来越桥广泛地发挥其重要作用。

参考文献：图 9汶川地震前后部分测点振动响应时程曲线

响应在设计范围之内。5总结与展望

[]李宏男，廷华 .结构防灾监测与控制[ .北京： 1伊 M]中国建筑工业出版社，0 8 20.

K og H fr n o w№

S, u C K, W La

ongK

Y.

M aBrdg[]/M a… i ec/ S:

本文对武汉阳逻长江大桥健康监测系统进行了概述，对其在运营过程中的监测成果进行了探讨。并重点分析了大桥的实测温度变形效应，到了结构得

t Ame ia i g r n c

d B y .US .Ame ia 0 i一 e。 d A rc n s c。,

t。 c、 ni e 1 95: 2 - 26 . y f i1 g er 9 ,E n s i 64- 7[] x ,h B N g C 3 YL C L,,

。z M o t g T p a . io i m er .

重要部位静力特征参数——温度变形率，大桥后为期运营中整体温度变形评估、座和伸缩缝的工作支(接第 9上 2

页 )i i e e n Ch n s )

tr E et n og upni r g[ Src r ue f c0 L ses n i e刀. t t a t a S oBd uu lC n oadH a hMoi r g20,6 11 9. ot 1 n el n oi,091: 7—14 r t t n

试验研究报告J] 03 R .20 . []曾庆元.列车脱轨分析理论与应用[ .长沙： 5 M]中南大学出版社， 0 7 20 .

吴方明 .我国大跨度高速铁路桥梁行车性能研究[] J.桥梁建设，0 4 () 9 1 . 2 0,3:— 1( U n— n . Re e r h o an Op r t n Pe一 W Fa g mi g s a c f Tr i e a i r o{ r a c fLo - pa i— e d Ral a i ge n o m n e o ng- S n H gh— e i y Brd si Sp w

E]中铁大桥局集团桥科院有限公司 .武汉天兴洲公铁两 6

用长江大桥通车鉴定试验细则[] 09 z .2 0 .[]李星新 .大跨度高速铁路桥梁测试与分析技术研究 7

C iaJ.B ig o srci,20,( )— 1 .i hn[] r eC n t t n 0 4 3:9 1 n d u oCh n s ) iee

[]/汉桥科院青年学术论文集 .武汉：铁大桥局 c/武中集团桥科院有限公司，0 9 5 2 2 0:~1 .( n - i . S u y o s i g a d An l ss Te h LI Xig x n t d f Te t n a y i c— nni e f r qu s o Lo Sp n H i h— ng a g Spe d Ral a Brd s e i y w i ge

刘汉夫 .铁路桥梁横向振动加速度测试与分析中的技

术问题[] J.世界桥梁，0 5 ( ) 6— 6 . 2 0,4:5 7( U Ha - u LI n f .Te h ia s u s I v l e n M e s r— c n c lI s e n o v d i au e me ta d An l sso a e a b a in Ac e e a i n o n n a y i fL t r l Vi r to c lr t f o

[/ Po ed g fB R o n n ier Ac— c]/ rcei so S IY u g E gnes n ad mi c a g .W u a e

cEx h n e h n:B i g ce c s a c n rd e S in e Re e r h I—

R i yB ig sJ. ol B igs 0 5 4:6— awa r eE] W r r e,2 0,( ) 5 l d d d6 . i h n s ) 7 n C ie e

si t t ( S ),C iaZ o g i ao ig — t u eL d B RI t hn h n t M jrBrd eEn eg n e i g Gr u i e rn o p,2 0 0 9:5 1 .i i e e — 2 n Ch n s )

铁道科学研究院铁道建筑研究所 .桥梁动力性能综合

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7v6j.html