丰沙线某桥隧过渡段动力响应试验研究

毕全超 付之信 董 捷

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

丰沙线某桥隧过渡段动力响应试验研究

毕全超 付之信 董 捷

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

通过现场试验对桥隧过渡段的动力响应进行了研究，试验主要测试了不同车辆长度，不同车速对桥隧过渡段动力响应的影响，以了解不同车速和车辆长度的列车通过桥梁与隧道连接处时，桥梁与隧道过渡段的动力特性是否一致.通过对现场测试的数据进行分析整理得出，列车的总长度较长，车辆的速度较慢，通过桥隧过渡段的时间就会增长，进而使桥梁与隧道过渡段振动的持续时间也会增长；桥梁处的振动持续振动时间比隧道处的振动时间略长.桥梁与隧道连接处的振动频率基本一致，振动频率主要分布在50～100 Hz范围内，且列车车厢数多，车速慢，在主要频率范围内的振动幅值要大.

桥隧过渡段;动力响应;现场实测

0 引 言

随着我国普通铁路的提速、高速公路、高速铁路的迅猛发展和建设势头，公路、铁路的路况条件和各类行车条件对提高行车的安全性和舒适度就变得越来越重要[1～2].由于公路桥梁路基宽度比隧道宽，在方便接线、减少占地、避免洞口路基或大桥分幅的同时，还要因地制宜考虑设置连拱隧道，因此山区高速公路工程中桥隧过渡技术相比铁路工程中该技术的运用更为复杂和困难.为了保证工程的施工及运营安全，必须采取有效的工程措施控制各种损伤的产生和发展.但是，目前国内外对桥隧过渡工程的研究十分有限，由于很难掌握桥隧相互作用的力学行为特征，桥隧过渡工程建设面临诸多困难[3～4].

由于桥梁与隧道连接处的地理环境恶略，目前，国内外针对桥隧过渡段的研究十分有限，Seong～Min Kim等人通过Fourier变换对承受移动简谐荷载作用下的粘弹性地基上无限大板载的动力响应问题进行了研究[5].Minsil在建立动力有限元模型的基础上预测了地铁列车运行引起的建筑物中的动力响应[6].国内学者陈锋通过对路涵过渡段涵洞竖向压力进行了现场试验研究得出不同填土高度的条件下，在填筑过程中涵洞竖向压力和过渡段路基的竖向压力的变化规律，对路涵过渡段施工过程中控制沉降差有着积极的指导意义[7].黄晚青通过对秦沈客运专线的涵洞工程进行涵洞的动力试验，得到了涵洞洞顶在不同填土厚度条件下土压力与涵洞动力特征的变化规律.并结合试验得出的结果确定了一个经济合理的涵洞洞顶填土厚度值[8].张泉在对遂渝铁路刚性路基及其过渡性能动力学试验研究中，针对遂渝线中桥桥、桥隧和隧隧过渡段之间小于150 m的短路基采用了刚度较大的C15混凝土片石连接，并进行了动力响应和振动特性的测试，同一般地段的普通路基过渡段处理进行了对比研究，得出了桥隧过渡段动力特征随短路基刚度的变化规律，并验证了桥隧过渡段间刚性路基设计的合理性[9].巢万里以马步冲高架桥工程为依托进行了桥隧过渡段的现场动力试验，通过对隧道围岩，桩基内力，边坡土体位移以及隧道衬砌进行监测，以获得桥隧过渡段的基本位移应力参数，并与数值模拟及室内模型试验的结果进行了对比[5].本文通过现场试验更进一步的对桥隧过渡段的动力响应进行了研究.

1 现场实测工程概况

1.1 测量仪器的选择

本次现场试验采用的测试仪器是北京必创科技有限公司生产的A301/A302型无线加速度节点，此节点内置三相加速度传感器，支持10 G加速度测量，节点的空中传输速率可以达到250 KBPS，有效室外通讯距离可达到300 m.

1.2 工程概况

丰沙线58号隧道位于丰沙线快速铁路上，在丰沙线63号隧道上方，与49号桥梁相接，隧道与桥梁连接方式为桥隧并接.地理位置在怀来县官厅镇豆营村与旧庄窝火车站之间，并在永定河旁.山体最大高度约为262 m，隧道的高度和宽度分别为5.62 m和7.013 m，隧道总长度为875 m.隧道的洞门是端墙式洞门.平纵均位于直线段，本隧道设计速度为100 km/h，隧道所处山体地层为强风化灰岩.山坡较陡，自然坡度30～35°，部分地区达到40°以上，植被较发育，多为杂草.隧道所属地区属于温带大陆性季风气候.其气候特点是：一年四季分明，冬季寒冷而漫长；春季干燥多风沙；夏季炎热短促降水集中；秋季晴朗冷暖适中.洞口位置的确定遵循“早进洞，晚出洞”的原则，洞口边仰坡开挖高度较高，洞口地形地质条件较好，下方是丰沙线63号隧道，为交叉型隧道.隧道为地形偏压隧道，岩层产状为反倾.隧道洞口仰坡顶部防护为SNS主动+被动.仰坡高度约为15°，仰坡倾角为75°仰坡地层为强风化灰岩，仰坡岩层产状为偏压反倾.

图1 现场实测测点布置

1.3 测点布置

此次试验在垂直于铁路路基方向分别于桥梁与隧道连接处位置布置测点(测点4433布置在桥梁一侧、测点4437布置在隧道一侧)，并保证测点与地面垂直接触，测点布置如图1所示.

2 测试结果分析

现场测试了北京～张家口方向运行的列车运行引起的桥隧过渡段的垂直振动.测区通过的车辆类型、隧道属性及运行速度等如表1所示.

表1 测试列车类型、隧道属性及运行速度

2.1 振动时域响应测试结果及分析

现场分别测试了由北京开往张家口方向，以66.4 km/h通过的货车和38.7 km/h、69.02 km/h通过的客运车引起测点垂直方向的振动情况，振动加速度时程响应测试结果如图2～4所示.

以上桥隧过渡段振动加速度时程响应测试结果显示，货车C64 K以66.4的速度通过时引起桥梁段的振动持续时间约12，引起隧道段的振动持续时间约17；客车Y517以38.7的速度通过时引起桥梁段的振动持续时间约16，引起隧道段的振动持续时间约18；客车Y527以69.02的速度通过时引起桥梁段的振动持续时间约12，引起隧道段的振动持续时间约14，可见，列车引起的振动持续时间与列车的长度和列车的速度有关：列车的长度较长、运行的速度较快，引起的地面振动持续时间就较短；列车的长度较短、运行的速度较慢，引起的地面振动持续时间就较长.

2.2 振动频域响应测试结果及分析

振动频谱反映了振动频率成分以及振动能量的分布情况.按照下式对时域数据序列进行傅立叶变换，得到不同列车运行引起的地面各测点的频谱如图5～7所示[10].

式中：A(t)为时域数据序列；FA(ω)为频域的谱函数序列；ω=2πf.

图2 C64 K货运车66.4 km/h通过时测点的垂直方向振动加速度时程曲线

图3 Y517客运车38.7 km/h通过时测点的垂直方向振动加速度时程曲线

图4 Y527客运车69.02 km/h通过时测点的垂直方向振动加速度时程曲线

图5 C64K货运车66.4 km/h通过时测点的垂直方向振动加速度频谱曲线

图6 Y517客运车38.7 km/h通过时测点的垂直方向振动加速度频谱曲线

图7 Y527客运车69.02通过时测点的垂直方向振动加速度频谱曲线

由图5～图7可知：现场测试结果显示列车在桥隧过渡段振动的频率基本分布一致，振动频率主要分布在50～100Hz范围内，桥梁处的振动幅值比隧道处的振动幅值要略大.列车长度较长，引起的持续振动的时间较长，在主频范围内引起的振动幅值也较大.列车的速度较快，引起的持续振动的时间就会相对的变短，在主频范围内引起的振动幅值也较小.

3 结 论

(1)通过对桥隧过渡段动力响应进行现场实测发现，在同一列车通过时，在桥梁处引起的振动加速度峰值比隧道略大一些，不同速度列车通过时，速度快的列车引起的加速度峰值比较大；

(2)通过现场实测得出桥隧过渡段动力响应的时域曲线，从时域曲线上得出桥梁与隧道连接处在列车荷载的作用下，引起桥隧过渡段振动的持续时间不同，隧道处的振动持续时间比桥梁处的振动持续时间略长，并且车辆的长度越长，车辆的速度慢，引起桥隧过渡段的持续振动时间较长；

(3)通过频谱响应得出现场测试的列车在桥隧过渡段的振动频率基本分布在50～100Hz范围内，但峰值频率出现的位置不同，货车C64K通过时的峰值频率在桥梁一侧为80Hz，但在隧道一侧出现多个单峰值，说明在隧道一侧振动能量在频率上分布的比较离散，客车Y517通过时的峰值频率在桥梁一侧和隧道一侧同时为70Hz说明在列车速度不快时，桥梁处与隧道处的频率相同，客车Y527通过时隧道处的频率峰值出现在71Hz左右，而桥梁处的频率峰值不明显.

[1]周镜,钱立新.高速铁路工程[M].2.杭州:浙江科学技术出版社,1999:1～30

[2]钱仲侯.高速公路概论[M].1.北京:中国铁道出版社,1999:1～19

[3]明祖涛,游振兴,张届,等.高速铁路桥隧沉降预测模型的研究[J].测绘通报,2011,(8):17～19,41

[4]孙广臣,傅鹤林,巢万里,等.桥隧邻接工程多源损伤室内模型试验研究[J].中南林业科技大学学报,2011,157～165

[5]巢万里.高速公路桥隧过渡段力学行为与动力响应研究[D].中南大学,2013

[6]JonesCJC,ThompsonDJ,PetytM.Studiesusingacombinedfiniteelementandboundaryelementmodelforvibrationpropagationfromrailwaytunnels[A].SeventhInternationalCongressonSoundandVibration(ICSV7)

[7]陈锋,蔡德钩,韩自力,等.路涵过渡段涵洞竖向压力现场试验研究[J].铁道建筑,2011,(4):49～51[8]黄晚清,陆阳,罗书学,等.秦沈客运专线路涵过渡段动应力测试与分析[J].西南交通大学学报,2005,40(2):220～223[9]张泉,罗强.遂渝铁路刚性路基动应力测试分析[J].铁道标准设计,2006,(2):18～20

[10]张光明.高速铁路路基段地面振动响应研究[D].西南交通大学,2014

ExperimentalStudyontheDynamicResponseofBridgeandTunnelTransitionalSectionofFengtai-ShachengRailway

BI Quan-chao，FU Zhi-xin，DONG Jie

(HebeiUniversityofArchitecture,Zhangjiakou,Heibei,075000,China)

In this article,through field experiment,the dynamic response of bridge and tunnel transitional section is studied.In the experiment,the influence of different vehicle length and different speed on the dynamic response of bridge and tunnel transitional section is tested,so as to understand whether the dynamic performance of the bridge and tunnel transitional section are consistent when trains with different length and speed pass by bridge and tunnel junction.Through the analysis of data collected from field test,the result has been obtained,namely,if the total length of the train is longer and the vehicle’s speed is slower,period of time it passes through the tunnel transitional section will be increased,and the vibration time of bridge and tunnel transitional section will also be increased;the vibration time of bridge is slightly longer than the vibration time of tunnel.In addition,the vibration frequency of bridge and tunnel junction is basically consistent,which is mainly distributed in the range of 50-100.The more the train carriages are,and the slow its speed is,the bigger the vibration amplitude within the scope of the main frequency is.

bridge and tunnel transitional section;dynamic response;field measuremen

2016-06-20

河北建筑工程学院校科研基金项目 基金号：(NO.B-201604)

毕全超(1981-)男，副教授 主要从事岩土工程及桥梁隧道研究.

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