摘要：車橋動態(tài)響應問題隨著越來越多動車組的運行日益受到工程界的關注。通過有限元分析軟件建立橋梁有限元模型，以移動質量模擬車輛，對不同工況下高速行駛的列車與簡支橋梁的動力響應進行了研究和比較，得出了阻尼比對橋梁震動的影響。

關鍵詞：高速列車；簡支梁橋；移動質量

中圖分類號：U441.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-8136(2009)29-0044-02

隨著行車速度的不斷提高，交通密度的不斷增加，荷載的不斷加重，交通車輛與結構的動力相互作用問題越來越受到人們的重視。特別是近年來越來越多的高速鐵路相繼投入運行。一方面，高速運行的車輛對所通過的結構物產(chǎn)生動力沖擊作用，直接影響其工作狀態(tài)和使用壽命；另一方面，結構的振動又對運行車輛的平穩(wěn)性和安全性產(chǎn)生影響。

常見的對車輛的簡化有以下幾種形式：①將車輛荷載簡化為集中力，在梁上移動；②將車輛簡化為移動質量；③將車輛簡化為移動的簡諧力；④將車輛看作是在橋梁上移動的彈簧上的質量。這幾種簡化方法中。以移動彈簧上的質量模擬最為合理，但也最為復雜，而將車輛看作移動的集中力即移動荷載和移動質量這兩種簡化方式最為簡單，但是在對橋梁進行初步估算時不失為最簡便、快捷的方法。

本文通過建立移動荷載和移動質量的模型，采用有限元軟件ANSYS來研究和比較車輛在不同阻尼比的簡支橋梁上運行引起的車橋動力響應。

1 模型的建立

用移動質量模擬車輛勻速通過跨度為32m簡支梁的情形，采用ANSYS軟件建立相應模型，對橋梁的動力響應進行仿真計算。計算中，模型忽略橋梁粗糙、不平順的影響，不考慮外界風載及地震荷載的影響，不考慮車的初始狀態(tài)，即認為車輛在理想的狀態(tài)下運行通過橋面。

本文采用二維梁單元BEAM3來模擬橋梁，劃分的單元數(shù)由荷載的移動速度和橋梁長度來決定。單元長度△L=L/N，其中，L為橋梁的跨長，N為劃分的單元數(shù)。這樣，荷載在單元之間的運行時間(即從i節(jié)點變化到i+1節(jié)點)為t=△L/v，其中，口為移動荷載的速度。計算時，劃分單元數(shù)為50。

在計算結構動態(tài)響應時，時間步長△t的選取是否合適，對計算結果能否反映結構響應特征產(chǎn)生很大的影響。如果時間步長△t太大，有可能得到完全失真的響應曲線。在圖1所示的響應曲線中，如果步長不當，將會得到如虛線所示的錯誤的響應曲線。

時間步長的選取，應根據(jù)動態(tài)響應的振動周期頻率來確定。由于三點確定一條拋物線，因此為了真實描述結構動態(tài)響應，在一個振動周期中應至少取5個點。如果設T是結構振動的周期，是結構振動的頻率，那么結構動態(tài)響應計算的時間步長應取為

△L

(1)

本文采用橋梁模型基準數(shù)據(jù)如下：簡支梁跨度1=32m，連續(xù)梁跨度l＝64m，材料為50號混凝土，彈性模量E=3.5×10¹⁰N/m²。箱型斷面，斷面高度2.8m，斷面寬度13m，截面積為A=8.29m²。慣性矩I=8.6m⁴，密度p=2500kg/m³。

本文主要研究不同阻尼比的橋梁結構的動力性能(阻尼比變化范圍為0.01～0.08)，采用的基準車速為300km/h。3數(shù)值模擬及結果分析

圖2表示了結構阻尼比為0.02、0.04、0.06、0.08時橋梁跨中節(jié)點的動撓度曲線。由圖2可知，對于高速運行的車輛，隨著梁上阻尼比的增加，梁上節(jié)點的動撓度逐漸減小。另外，隨著梁上阻尼比的增加，各節(jié)點發(fā)生最大動撓度時荷載所在地位置逐漸后移。表1詳細記錄了阻尼比由0.01～0.08范圍內(nèi)橋梁跨中節(jié)點的最大豎向動撓度。

圖3為表1數(shù)據(jù)所繪，從圖中我們不難看出最大動撓度與結構阻尼比的關系已不再是線性的而變?yōu)榉蔷€性的。結構阻尼比越大，跨中節(jié)點的最大動撓度越小。

圖4表示了結構阻尼比為0.02、0.04、0.06、0.08時橋梁跨中節(jié)點的豎向加速度曲線?？梢钥闯?，各節(jié)點的豎向加速度表現(xiàn)出類似于正弦曲線特性，隨著阻尼比提高，其向下的豎向加速度明顯減小。但是在一定范圍內(nèi)，隨著阻尼比的提高，其向上的豎向及速度并沒有明顯減小。由此可見，通過適度提高結構阻尼比的方法可以在一定程度上控制橋梁結構的振動。

圖5是由表2數(shù)據(jù)所繪，詳細列出了結構在不同阻尼比下跨中節(jié)點的豎向加速度情況，從中不難看出，結構的豎向加速度和結構的阻尼比的關系不再是線性的，而變?yōu)榉蔷€性的。在結構阻尼比不大的時候，隨著阻尼比的提高，結構的豎向加速度降低的速度比較快。隨著結構阻尼比的增加，這種影響作用會越來越小。所以，在一定范圍內(nèi)控制結構阻尼比可以很好地控制橋梁結構的震動。

3 結論

本論文采取了數(shù)值模擬計算的研究方法。對移動質量作用下橋梁的動態(tài)響應做了分析研究。通過ANSYS軟件對車一橋藕合系統(tǒng)的動態(tài)模擬，得到橋梁的動力響應結構阻尼比的關系，通過數(shù)據(jù)分析得出如下結論：

(1)橋梁結構在高速列車作用下的動撓度與結構阻尼比之間并非是線性的關系，但總體規(guī)律是隨著結構阻尼比的增加，橋梁結構的動撓度逐漸減小。

(2)隨著阻尼比的增加，橋梁結構的向下加速度明顯減小，但是在一定范圍內(nèi)，隨著阻尼比的提高，其向上的豎向及速度并沒有明顯減小。由此可見，通過適度提高結構阻尼比的方法可以在一定程度上控制橋梁結構的振動。