高速铁路大跨度桥梁基于服役状态的健康监测指标研究

高芒芒，赵会东，许兆军

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；2.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100844）

0 引言

高速铁路桥梁作为基础设施的一部分，以提供高平顺、高稳定和高耐久性的轨道结构支承为最终目的，其理念已由传统的静态强度设计转向动态刚度设计，行车安全、乘坐舒适以及桥梁的动力性能成为设计的控制因素，健康管理也相应地从承载能力维护转向轨道形位控制和运营性能保持。

高速铁路基础设施的技术标准体系应涵盖基础设施的全生命周期，包括设计标准、验收标准和运营管理标准。对大跨度桥梁而言，风、温度、徐变、沉降等环境因素对结构性能影响显著[1]，在设计与运营中均需考虑。在设计阶段，各类荷载均取最不利状态，在组合作用下仅要求结构满足强度要求，变形限值则是针对各类荷载单独给定的，没有提出结构在实际运营状态多种荷载共同作用下的刚度要求。考虑到长期使用过程中桥梁尽管承受多种荷载或作用，但不同跨度、不同桥型乃至不同地质条件各种荷载或作用的影响程度相差甚远，因此设计标准中的变形限值在结构的运营阶段不能直接叠加采用，而验收标准是对结构施工质量的考核标准，不适用于运营阶段。

为避免大跨复杂桥梁过高的建设成本，应采用全生命周期的理念进行顶层设计，通常意义上的设计是全生命周期中的一个环节，满足顶层设计后确定的原则。顶层设计应明确设计阶段不能解决全生命周期中的所有问题，一些短期的荷载或作用，如活载、风、地震，以及一些周期性作用，如温度、日照，只能靠结构本体来承受，必须在设计中充分考虑，不能把这些荷载或作用引起的变形放到运营阶段解决，以免产生过大的养护维修工作量。但另一些作用，如沉降、收缩徐变以及材料的劣化等，引起的变形呈现出单调增加的特点，完全可以在运营中通过工程措施来解决，没必要让结构自身来承受，这就意味着设计和建造只解决全生命周期中的有限问题，只占用一部分成本。

为实现上述目标，需要建立基于服役状态的健康监测体系，一旦变形达到或超过限值，则需针对具体问题采取相应的工程措施。健康监测体系应采用尽可能少的限制标准，以反映结构的运营性能保持能力，还需要具备相应的检测设备和工程措施以保证可观测、可到达、可维修或可更换。

以主跨445 m的某高速铁路拱桥为工程实例，研究在温度和活载共同作用下的收缩徐变限值。该限值用于运营期间的静态变形控制，通过运营期间的支座高度调整，满足高速列车的通行要求。

1 桥梁概况

某高铁线大跨度上承式钢筋混凝土拱桥全长721.25 m，主桥为跨度445.00 m上承式钢筋混凝土拱，引桥及拱上孔跨布置为1×32 m预应力混凝土简支箱梁+2×65 m+8×42 m+2×65 m预应力混凝土刚构连续梁＋2×37 m预应力混凝土连续梁（见图1）。两侧T构及主拱范围内降温及残余收缩徐变引起的桥面变形曲线见图2。

图1 某高速铁路上承式拱桥桥跨布置图

图2 两侧T构及主拱范围内降温及残余收缩徐变产生的桥面变形曲线

2 大跨度桥梁静态变形控制参数选取

大跨度桥梁在温度、收缩徐变等因素作用下产生的桥面变形多呈现为长波不平顺，各因素引起的长波不平顺不是孤立的，都会对列车运行的舒适度产生影响，单纯限定某个指标并不能控制车辆在桥梁上的运行状态或保证轨道几何形态。因此从机理而言，应对这些变形的总量值进行控制，确定变形总量的限值后再从中提取收缩徐变的控制标准，进而预估何时需要进行支座调整以及调整量，在设计中预留施工条件。

2.1 轨道长波不平顺管理的国内外现状

日本对于长波不平顺采用40 m弦对应幅值进行管理，高速铁路线路区段的不平顺建议控制值为40 m，弦长的幅值不得超过6 mm。但大跨度桥梁的桥上不平顺建议控制值为40 m弦长范围内幅值不超过7 mm。日本曾将线路的实测结果与40 m弦幅值控制的结果进行对比，结果表明列车动力指标最大值的规律与40 m弦长高度吻合（见图3）。相关文献指出，如果列车运行速度进一步提高，则可将控制幅值适当降低。

图3 10、40 m弦幅值与车辆响应的对应关系

法国高速铁路采用了33 m弦长对应幅值作为安全控制指标，美国对于速度在177～322 km/h的六级以上线路，采用18.9 m和37.8 m两级测量标准。

我国轨道动态不平顺管理标准[2]分为经常保养、舒适度、临时补修和限速四级，其中200～250 km/h线路高低和轨向管理标准的波长为1.5～42.0 m、1.5～70.0 m；250（不含）～350 km/h线路高低和轨向管理标准的波长为1.5～42.0 m、1.5～120.0 m。轨道静态长弦测量控制标准主要参照德国高速铁路无砟轨道新线施工轨道几何尺寸静态验收标准及我国京津城际、京沪高铁等工程实践经验。由于我国不同形式无砟轨道的扣件间距有所不同，所以采用48a或480a等形式，其中a为不同无砟轨道类型的扣件节点间距。我国轨道几何尺寸动、静态容许偏差管理分别见表1、表2。

表1 250～350 km/h高速铁路轨道动态质量容许偏差管理值

表2 长弦测量作业验收容许偏差管理值（新线无砟轨道验收标准）

对比可知，我国轨道动态管理标准主要是以一定波长范围内的幅值来进行管理；德国和我国静态长弦测量管理标准采用固定30、300 m弦的5、150 m矢距校核的矢距差评价；日本、法国、美国、俄罗斯等国采用基于固定弦长的中点矢距进行评价。

2.2 大跨度桥梁静态变形控制参数选取

我国《高速铁路设计规范》规定了最小竖曲线半径，其值是依据车辆的竖向加速度[a]等于0.4 m/s2制定的（不考虑轨道不平顺、列车阻尼和刚度的影响）[3-4]，即：当[a]=0.4 m/s2时，计算出等效的曲率半径见表3。即桥面变形曲线的最小曲率半径满足表3限值时，在轨道正常养护、线路正常施工的前提下，列车运行的安全性和舒适性能够满足要求。

表3 曲率半径和加速度的对应关系

斜拉桥、连续刚构、悬索桥等大跨度桥梁的桥面变形曲线对车体振动的影响类似于竖曲线，过去的设计实践中也有采用曲率半径进行变形控制的成功实例，但对本次研究的上承式拱桥计算发现[5]，仅考虑正负温差时最小曲率半径位置在拱顶，R=2 863 m；仅考虑0.45倍残余收缩徐变时最小曲率半径位置在T构与拱上连续梁接缝处，R=1 270 m。当负温差与0.50倍残余收缩变形曲线叠加时，最小曲率半径仅为855 m，均与25 000 m的曲率半径要求相去甚远。原因为大跨度上承式拱桥的桥面静态变形曲线既包含由拱桥跨度产生的长波成分，也包括拱上结构产生的中波成分，采用曲率半径限制桥面静态变形难以实现。因此，曲率半径不适合作为大跨度桥梁静态变形曲线的控制指标。

波长幅值管理作为我国轨道不平顺质量动态管理标准一直被使用，但其管理的最长波长为120 m，对于大跨度桥梁而言，跨度超出120 m后就不适用于此标准，因此波长幅值也不适合作为大跨度桥梁静态变形曲线的控制指标。

根据前述对国外长波不平顺控制限值的调研，弦测法可以作为静态不平顺的控制指标。弦测法是以一定长度的直线为基线，以基线中点到轨面的矢距为测量值，所得轨道不平顺结果为v=u2-（u1+u3）/2。弦测法测量轨道不平顺机理示意见图4。

图4 弦测法测量轨道不平顺机理示意图

弦测法能够覆盖从短波到长波的全波长范围，但对个别波长无法反映。以40 m弦长为例，则2.0、2.5、5.0、10.0和20.0 m的波长成分，无论幅值多少，都无法通过弦测法控制，但对所研究的大跨度桥梁而言，弦测法能够反映桥面变形的影响。

根据日本学者Shigeaki Ono 和Takehiko Ukai对轨道不平顺管理标准的研究成果，在现有的40 m弦控制标准下，E2列车以275 km/h运行的车体振动加速度大于FASTECH列车以360 km/h运行的车体振动加速度，且目前的40 m弦限值6 mm与60 m弦限值7 mm在车辆响应层面上相当。考虑到大跨度桥梁变形并不存在周期性特征，且高速列车的动力性能较中速车有所提高，因此拟参考日本东北新干线延伸线上的SANNAIMARUYAMA桥，采用40 m弦限值7 mm作为桥面轨道静态不平顺的总限值进行进一步分析。

3 大跨度桥梁静态变形限值

参照日本高速铁路的运营实践，选取40 m弦限值7 mm作为桥面轨道静态不平顺的总限值，而桥面轨道静态不平顺包含轨道结构在正常养护维修状态下的随机不平顺以及桥面变形[6]，而桥面变形又同时包括温度和收缩徐变的影响，因此需要分别加以分析。

3.1 路基段不平顺的弦测法结果

以京沪高铁为工程背景，以500 m为1个区段，进行了路基段的轨道不平顺40 m弦测法计算，最大值结果见表4。

表4 路基地段实测轨道不平顺的弦测法最大值 mm

由 表4可 知，K1013—K1015.5路 段 在 第1个500 m区段的不平顺出现弦测法最大值，但实际上此最大值位于轨检车测量的初始时刻并出现不平顺的尖点，并无参考价值。

综合以上4个工况，弦测法最值的平均值为3.280 mm，最终选取路基地段轨道不平顺的弦测法最大值为3.500 mm，该值可代表正常养护维修状态下轨道随机不平顺的弦侧法最大值。

因此，取弦测法的总限值为7 mm时，则桥梁变形的弦测法限值为3.5 mm。

3.2 采用弦测法确定的大跨度拱桥桥面变形限值

桥梁静态变形控制针对的是残余收缩徐变，温度则由于其周期性特点，不作为静态变形的控制对象。对温度和残余收缩徐变导致的桥梁变形曲线采用弦测法进行分析，对温度变形+k×残余收缩徐变的弦测结果进行计算，其中k取值为0～1.00，升降温根据设计资料取15 ℃，计算结果见表5。

由表5可知，为满足桥面变形曲线的弦测限值3.0～3.5 mm，需要对徐变变形乘以0.40的系数。

3.3 桥面静态变形限值的车桥耦合分析验证

为对弦测法得到的桥面变形曲线限值进行验证，采用CRH380BL动车组（8辆编组），武广高铁实测轨道不平顺，并将温度和残余收缩徐变的组合曲线作为桥面初始不平顺进行车桥耦合振动分析[7-8]，其中残余收缩徐变的系数取为0.4～1.0，得到的车辆响应结果见表6。作为对比，也同时列出了不考虑不平顺或不考虑桥面初始变形的车辆响应[9-10]。

表5 弦测法计算结果 mm

按照我国高速铁路设计规范，列车过桥时的车体垂向加速度不应超过1.3 m/s2，在考虑环境因素影响的条件下垂向舒适度应满足合格标准[11]，根据表6工况8可知，要求残余收缩徐变为铺轨后总收缩徐变量的0.6倍，即收缩徐变最大变形不超过60 mm，此时的桥面变形曲线见图5。

图5 某高速铁路上承式拱桥满足行车性能的最大桥面变形曲线

综合以上分析，建议高速铁路大跨度拱桥在350 km/h条件下，因环境因素引起的桥面变形限值按4 mm/40 m控制，就本次研究的上承式拱桥而言，该值对应的残余徐变上拱值为60 mm。

表6 温度变形叠加收缩徐变后的车辆动力响应结果

4 结论

（1）对高速铁路大跨度桥梁而言，设计标准中的变形限值在结构的运营阶段不能直接叠加采用，应建立基于服役状态的静态变形限值，一旦变形达到或超过限值，则需要针对具体问题采取相应的工程措施。

（2）为控制桥面变形引起的轨面随动不平顺，对比分析了波长幅值、曲率半径以及弦测法的适应性，当桥梁的跨度较大时，其桥面变形曲线的波长往往超出轨道质量动态管理标准的考察范围，而曲率半径则不适用于上承式拱桥的桥面变形控制，最终建议采用弦侧法作为桥面静态不平顺的控制指标。

（3）参考日本的工程实践，采用40 m弦限值7 mm作为桥面轨道静态不平顺的总限值，消除轨道结构自身的随机不平顺后，建议高速铁路大跨度拱桥在350 km/h条件下，因环境因素引起的桥面变形限值按4 mm/40 m控制。

（4）为避免产生过大的养护维修工作量，温度、日照等周期性作用引起的桥面变形不作为静态变形控制的对象，即周期性作用引起的桥面变形需要靠结构本体来承受，在设计中即应充分考虑，沉降、收缩徐变等环境因素引起的桥面变形为静态控制目标，可根据4 mm/40 m的桥面静态变形总限值推算收缩徐变或沉降的控制标准，进而预估何时需要进行支座调整以及调整量，在设计中预留施工条件。

（5）为实现对桥梁长期静态变形的控制，需要建立基于服役状态的健康监测体系，并在设计和建造过程中预留后期运营中可能的工程措施接口，以及检测监测手段接口。