摘 要：概述大跨度高速铁路桥梁评定标准，探讨测试中需注意的关键问题。桥梁结构在列 车荷栽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，需进 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；评估标准；滤波频率；脱轨系数

1前 言 

    目前中国铁路客运专线、高速铁路建设正在深入推进并大力发展，涌现出一批大跨度高速、准高速铁路桥梁，如主跨跨度504 m、设计速度最高为200km／h的武汉天兴洲公铁两用长江大桥，主跨跨度336 m、设计速度最高为300 km／h的南京大胜关长江大桥等。由于目前国内外高速铁路特大跨度桥梁工程经验较少，这些建成后的大跨度高速铁路桥梁是否符 合设计要求、实际运营安全性能如何，需要通过通车 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，对大跨度 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。

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，走行安全性包括两方面的内容：①桥梁结构在列车荷载作用下是否安全工作；②桥上列车是否会脱轨。前者是桥梁结构的安全性，这一方面，现代技术可以保证其安全；后者是桥上列车运行安全性，主要是指桥上列车是否脱轨。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 

    相关研究认为：桥梁竖向、横向刚度对车体加速度有一定的影响，高速铁路桥梁应具备足够的竖向及横向刚度，保证列车高速通过时，桥梁结构不出现激烈振动、防止车轮脱轨及保证客车过桥的安全性。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、横向加速度以及横向自振频率评定。

2．1．1竖向刚度 

(1)挠跨比。对于跨度小于96 m的桥梁，《新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定》对梁体竖向挠度限制做了明确规定，而对于大跨度高速铁路桥梁，目前国内外没有刚度指标的限值规定，国内外几座大跨度铁路桥梁挠跨比见表1。

表1几座大跨度铁路桥挠跨比

(2)梁端转角。为保证列车通过梁端有转角的线路时，列车运行安全性和舒适性能够得到保障，对粱端转角进行了限值。国际铁路联盟规定的梁端竖向转角≤5‰rad，日本新干线要求竖向转角≤3‰rad、水平转角≤2‰rad，德国规范要求水平转角≤1‰rad。我国“高速铁路设计暂行规定”要求竖向转角≤2‰rad、水平转角≤1％o rad。 

(3)竖向加速度。欧洲规范ENV 1991—3从维护道床的稳定性、减少运营阶段道床养护维修工作的角度出发，规定在单线列车运营下梁体竖向加速度控制标准为：O～20 Hz范围内的振动加速度最大值有碴轨道为0.359，无碴轨道为0．59。《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》5.3.2规定：道碴桥面强振频率不大于20 Hz的竖向振动加速度α≤0.35g；无碴桥面强振频率不大于20Hz的竖向振动加速度α≤0.5g。该规定与欧洲规范基本一致。秦沈客运专线设计规定桥梁跨中的最大竖向振动加速度α_max≤0.35g。各振动加速度限值应该与相应频率紧密联系，单独限定桥梁加速度值的大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 

(1)横向加速度。按照《铁路桥梁检定规范》(铁运函[2004]120号)10.0.5节第2条：“当列车通过时，桥跨结构在荷载平面的横向加速度α_max不应 超过1.4 m／s2”。日本对桥梁的横向振动加速度控制标准进行了专门试验研究。日本国铁技术研究所对跨度50 m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0.1g～O.2g时，车辆容易脱轨。为此，提出了基于保证脱轨安全度的桥梁横向振动加速度二级控制标准：0.1g为一般限度，0.2g为危险限度。我国《铁路桥梁检定规范》(铁运函[2004]120号)中1.4 m／S²的限值标准大致相当于日本一、二级标准的中间限制0.15g，但振动加速度频率范围没有明确界定。在《秦沈客运专线综合试验段线桥养护维修技术条件》(科技基函2002—103)中规定：梁体横向振动加速度限制标准为0.1g。实际运用中参照欧洲规范，对原始波形做40 Hz低通数字滤波。

(2)横向振幅。《铁路桥梁检定规范》(铁运函[2004]120号)对各类简支桥跨结构在荷载平面处跨中横向振幅安全限值进行了规定，大跨度高速铁路桥梁的横向振幅限值尚无规范规定，横向振幅限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。 

(3)水平挠度。《新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定》规定，在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，梁体的水平挠度应小于或等于梁体计算跨度的1／4000。 

2．2 列车行车安全性、舒适性评定标准 

    国家“八五”科技攻关项目“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作为限值；德国ICE高速列车在美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≤0.8。我国于1996年在环形线200 km／h以上高速列车综合运行试验以及秦沈客运专线桥梁综合动力试验中，脱轨系数的控制限度为0.8。

    1998年，美国FRA公布的规范中，在“轨道安全标准”的“车辆／轨道相互作用安全限值”中规定：“单轮垂向荷载应不小于静轮重的0.1倍，也就是说，单轮垂向荷载减载率(相对于静轮重)P／P₀≤O.9，滤波器／窗长为5ft。此标准适用9级线路，最高允许速度为200 km／h。”在秦沈客运专线综合动力综合试验中，采用的评定标准为P／P₀≤0.6。在已结题的相关车桥动力仿真计算研究“秦沈客运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”和“京沪高速铁路常用跨度连续粱桥设计研究动力分析计算”中，偏于安全考虑，均采用评定标准P／P₀≤0.6控制高速列车的安全性。《时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定》亦规定为P／P₀≤0.6。  

1999年召开的大跨度高速铁路桥梁行车动力特性论证会，对国内科研机构的计算成果进行对比分析，研讨总结国内研究分析成果与准高速铁路建设、试验经验，参考国外工程经验确定了高速铁路长江大桥的列车走行性评定标准(表2)。

表2高速铁路长江大桥的列车走行性评定标准

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：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；②由铁路纵横梁和公路纵横肋组成的第二体系测点布设；③公路正交异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、钢一混凝土结合段力学性能等关键技术测点布设。

    振动测点布设是高速铁路桥梁测试中的一个重要环节。就测试目的而言，横向振幅、横向加速度测试非常重要。横向振幅测点主要布设在跨中、梁端以及墩顶，对于中、小铁路桥梁来说，由于梁体横向刚度较大，梁体在支座上横向摆动，横向振动几乎同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，而大跨度横向弯曲振动明显。横向加速度测点主要布设在跨中和梁端，由于加速度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，加速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E2004]120号)中对桥梁横向振动加速度测试位置定义为“荷载平面”，可以理解为轨道平面，实际测试中对有碴混凝土梁大多置拾振器于挡碴墙顶平面处L3J。 

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，采样频率过高会影响系统响应速度、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，不利于低频信号的准确恢复与重建。而过低又会导致信号混叠并影响到信号幅值精度。因此，应根据大跨度高速铁路桥梁的振动信号特点，设置合理的采样频率，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，理论上该类采样频率的设置仅需满足尼奎斯特(Nyquist)定理并保证频率的识别精度(频率分辨率，与采样频率和采样点数有关)，工程上采样频率一般取所关注最高阶频率的3倍以上。如武汉天兴洲公铁两用长江大桥，第30阶自振频率理论值为2.87 Hz，若只关心前30阶模态，则桥梁动力特性测试时采样频率设为8.61 Hz以上即可，脉动试验长时问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0.3～1.4 Hz之间，考虑到一般分析频率到斜拉索第10阶频率就可完全满足对斜拉索频率分布的识别，得到索力的测量值。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20 Hz，傅立叶变换点数为1024个，则频率分辨率为0.02 Hz，采样频率40Hz的则为0.04 Hz。为提高索力测试精度，也为统一测试结果，便于今后的分析比较，采样频率选为第10阶的2～3倍，统一设置为30 Hz，抗混滤波器的滤波频率也设置为30 Hz。

    动载试验跑车时，主要关注振幅、加速度、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，越容易捕获到信号峰值。工程上一般取所关注最高阶次频率的10倍以上。振幅、动挠度以及动应变低频分量丰富，一般选择前20阶频率的10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，因此加速度的采样频率也相对较高，对于加速度信号，事先必须以较高的采样频率进行试采样，以侦测信号的频率范围，这是防止信号混叠与保证信号幅值精度第一步不可缺少的技术环节，进而确定加速度采样频率。

    信号采集后，应根据所关心的信号频率范围进行滤波。对于振幅等低频分量丰富的信号滤波频率较易设置。而加速度实测信号采集中，包含了各种频率成分，对于梁体加速度原始信号，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40 Hz进行滤波，因此，一般建议对桥梁加速度也按40 Hz低频滤波预处理L4J(相关的标准规定不尽相同，还有80 Hz、100 Hz等)。图1和图2为武汉天兴洲公铁两用长江大桥实测加速度数据，图1表明滤波前高频能量丰富，图2表明滤波前后加速度峰值变化明显。

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《铁道车辆动力学性能评定和试 验鉴定规范》(GB 5599—85)和《铁道机车动力学性 能试验鉴定方法及评定标准》(TB／T 2360—93)，对 脱轨系数合格与否的评定，除了数值限定外，对超过 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[基于《轮轨水平力、垂直力地面测试方法》(TB／T 2489—94)的规定]，对每一对车轮的测定区问仅在220 mm·范围内，即对轮轨力的测定时间非常短。例如：车速为50 km／h时，每一对车轮测定的有效时间为0.016S，这个时间段远比“85规范”和“93标准”规定的“持续时间”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”的“必要条件”，但无法确定其“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，反映的区域有限，而车辆所测脱轨系数反映的是整个试验区间的状况。

围2武汉天兴洲公铁两用长江大桥某测点振动加速度40 Hz滤波前后时程曲线 

4总结与展望

    在大跨度高速铁路桥梁评估中，对影响运营安全性、舒适性的主要参数评估标准，如挠跨比、动力系数、振幅以及加速度限值等，需进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。测试过程中必须重视大跨度高速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，选择合适的采样频率。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(Nyquist)定理并保证频率的识别精度，振幅和加速度测试中采样频率的设置必须保证不出现频率混叠，且能够保证感兴趣频段的幅值精度，并根据频段设置合理的滤波截止频率。

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