熊鷹

（長(zhǎng)沙金霞經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管委會(huì)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

大跨多線鐵路鋼桁梁橋車橋耦合動(dòng)力分析

熊鷹

（長(zhǎng)沙金霞經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管委會(huì)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

為研究列車通過橋面上設(shè)置多線鐵路的大跨度鋼桁梁橋所激發(fā)的車橋耦合振動(dòng)的規(guī)律，以某兩聯(lián)2×84m連續(xù)鋼桁梁橋?yàn)檠芯勘尘?，將列車視為多剛體動(dòng)力系統(tǒng)，用空間有限元對(duì)橋梁進(jìn)行離散建模，并將列車、橋梁視為聯(lián)合動(dòng)力體系,建立列車與多線鋼桁梁橋的車橋耦合動(dòng)力模型,計(jì)算分析列車通過該橋時(shí)的橋梁動(dòng)力響應(yīng)和列車走行性。研究結(jié)果表明：當(dāng)ICE3高速客車、C62普通貨物列車混合編組通過橋梁時(shí)，橋梁和車輛的動(dòng)力響應(yīng)比單線客車通過橋梁時(shí)明顯偏大；列車在各種組合工況下通過橋梁時(shí)，列車走行性能得到滿足，橋梁動(dòng)力性能良好。

鋼桁梁橋；高速列車；貨物列車；車橋耦合振動(dòng)；動(dòng)力響應(yīng)

0 引言

在鐵路橋梁建設(shè)中，各種中小跨度的鋼桁梁橋方案常被采用，在已建成的鐵路鋼桁梁橋中，大部分橋梁的橋面上都只設(shè)置單線或者雙線鐵路，但隨著鐵路橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，鋼桁梁橋上設(shè)置兩條以上鐵路的情況變得多見，這種橋面設(shè)置多線鐵路的鋼桁梁橋的力學(xué)性能引發(fā)諸多學(xué)者的關(guān)注并展開研究，取得許多成果。如易倫雄對(duì)某大跨度多線鋼桁拱橋的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，指出這種橋型適合高速鐵路[1]；劉桂紅等對(duì)某多線連續(xù)鋼桁梁橋的靜力特性進(jìn)行分析[2]；蘭陽(yáng)等對(duì)某多線鐵路鋼桁梁橋的橋面系與主桁的共同作用進(jìn)行分析研究[3]。但是目前研究多集中關(guān)注于這種橋型的靜力性能，而對(duì)多線鐵路鋼桁梁的動(dòng)力性能以及列車通過橋梁時(shí)列車的走行性等則涉及較少，而且值得注意的是，在多線鐵路橋中，常常存在高速客車和重載貨物列車混合運(yùn)行的情況，由此激發(fā)的車橋耦合振動(dòng)變得更加復(fù)雜，因而有必要對(duì)此展開研究。本文以某兩聯(lián)2×84 m多線連續(xù)鋼桁梁橋?yàn)檠芯勘尘?，建立車輛-橋梁的耦合振動(dòng)分析模型，重點(diǎn)分析研究貨車和客車混合編組行駛于橋上時(shí)，橋梁的動(dòng)力性能和車輛的走行性。

1 研究背景

研究選取的橋梁設(shè)計(jì)方案為兩聯(lián)2×84 m連續(xù)鋼桁梁。其主要結(jié)構(gòu)示意如圖1和圖2所示。鋼桁梁橋由三片主桁架組成，每跨主桁由7個(gè)節(jié)段構(gòu)成，每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度為12 m，主桁架高度為16 m，寬度為30 m。橋面布置六線鐵路，從左向右依次為輕軌鐵路單行線、京滬高速鐵路雙行線、滬蓉鐵路雙行線、輕軌鐵路單行線，從橋面的鐵路線路布置可見該橋?yàn)榈湫偷母咚僦剌d鐵路橋梁。

圖1 橋梁立面示意圖（單位：mm）

圖2 主梁橫向斷面圖（單位：mm）

2 車橋耦合振動(dòng)分析模型的建立

2.1 橋梁、車輛分析模型

采用空間梁?jiǎn)卧獙?duì)鋼桁梁橋桁架進(jìn)行建模，對(duì)鋼橋面采用空間板單元建模，橋墩采用空間梁元建模，所建立的橋梁有限元模型如圖3所示。

圖3 橋梁有限元計(jì)算模型

建立列車模型時(shí)，如果采用三維板，梁?jiǎn)卧獙?duì)機(jī)車、車輛進(jìn)行精細(xì)的建模，將導(dǎo)致列車模型的單元數(shù)量非常巨大，這對(duì)本身就非常復(fù)雜的車橋耦合系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力分析十分不利，故目前在建立車輛動(dòng)力分析模型時(shí)，往往將列車視為多剛體動(dòng)力系統(tǒng)，即列車由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)等剛體構(gòu)成，在適當(dāng)假設(shè)簡(jiǎn)化[4]后，車體空間振動(dòng)考慮的自由度有側(cè)擺、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭、浮沉5個(gè)；每個(gè)轉(zhuǎn)向架同車體同樣具有5個(gè)自由度；每個(gè)輪對(duì)只考慮側(cè)擺、搖頭2個(gè)自由度，故每輛四軸車輛共計(jì)5+2× 5+4×2=23個(gè)自由度。

2.2 空間振動(dòng)方程的建立和求解

在建立“列車-鋼桁梁”耦合系統(tǒng)空間振動(dòng)方程時(shí)，將橋上行駛列車與橋梁視為整體體系?？紤]車輛與鋼桁梁橋的空間振動(dòng)位移的相互關(guān)系，計(jì)算任意時(shí)刻t的橋上列車及橋梁空間振動(dòng)的彈性總勢(shì)能。由勢(shì)能駐值原理及形成矩陣的“對(duì)號(hào)入座”法則[5-7]，建立t時(shí)刻此系統(tǒng)的空間振動(dòng)矩陣方程:

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)前述計(jì)算原理及所建模型，對(duì)該橋面布置多線鐵路行車線的大跨度鋼桁梁橋的車橋時(shí)變系統(tǒng)空間振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算中采用的列車包括德國(guó)ICE3動(dòng)力分散獨(dú)立式高速客車和C62貨車，計(jì)算工況說明見表1?？蛙嘔CE3的軌道不平順函數(shù)采用德國(guó)低干擾軌道譜，貨車的軌道不平順函數(shù)采用美國(guó)五級(jí)譜模。工況1中，ICE3客車運(yùn)行于京滬高鐵左側(cè)線，工況2和工況3為客貨混運(yùn)情況，此時(shí)客車運(yùn)行于京滬高鐵左側(cè)線，雙線貨車對(duì)開運(yùn)行于右側(cè)滬蓉鐵路。

表1 計(jì)算工況說明

表2 車橋動(dòng)力分析橋梁主桁節(jié)點(diǎn)響應(yīng)匯總表

3.1 橋梁動(dòng)力響應(yīng)

車橋耦合振動(dòng)分析中關(guān)于橋梁的計(jì)算結(jié)果包括橋梁跨中的豎向位移與橫向振幅及加速度，具體詳見表2和表3。從表2可見，列車以三種不同工況通過橋梁時(shí)，位于橋梁跨中的上弦節(jié)點(diǎn)處橫向振動(dòng)位移明顯大于下弦，以工況3為例，當(dāng)單線ICE3+雙線C62空載貨車通過橋梁時(shí)，上弦橫向振幅大約是下弦的6.5倍，這是由于該桁梁橋的桁架高度達(dá)到16 m，橋梁空間振動(dòng)的效應(yīng)非常明顯。單線ICE3通過橋梁時(shí)，跨中左弦豎向位移大于右弦，而工況2和工況3時(shí)，右弦則大于左弦，這些都是由于列車運(yùn)行在橋梁上時(shí)，列車荷載偏載所致。值得注意的是，工況2中當(dāng)C62貨車為滿載通過橋梁，橋梁各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)輸出數(shù)值比工況3時(shí)C62以空載通過橋梁所引發(fā)的橋梁動(dòng)力響應(yīng)要大，如工況2時(shí)跨中右弦振動(dòng)位移為20.46 mm，比工況3的9.98 mm的數(shù)值大1倍多，可見由于貨物列車的軸重比客車大許多，故雖然貨車的運(yùn)行速度比客車小，但對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的輸出影響卻更明顯。列車在不同工況條件下通過橋梁，橋梁跨中處的振動(dòng)加速度敏感度不及位移，工況2時(shí)墩頂?shù)臋M向位移較大。

表3 車橋動(dòng)力分析橋梁橋面響應(yīng)匯總表

從表3可見，工況2中橋梁跨中處橋面節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)位移和加速度比工況1和工況3大，尤其是豎向動(dòng)位移。可見通行列車的軸重是影響該鋼桁梁橋橋面節(jié)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)輸出的重要因素。

3.2 車輛動(dòng)力響應(yīng)

車輛的振動(dòng)響應(yīng)一般包括豎向和橫向加速度、輪對(duì)最大橫向力、輪對(duì)脫軌系數(shù)、輪重減載率等。表4和表5為列車以不同工況通過橋梁時(shí)，列車動(dòng)車和拖車的動(dòng)力響應(yīng)。參考我國(guó)現(xiàn)行的車輛響應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8-10]，可見脫軌系數(shù)最大值為工況3時(shí)C62貨車的0.63，小于0.8的限值；輪重減載率的最大值為工況3時(shí)的C62貨車，其值為0.52，小于0.6的限值。因此可以判斷列車以三種工況通過橋梁時(shí)，安全性指標(biāo)符合要求，列車通過的安全性能得以保證。值得注意的是，由于C62空車本身的動(dòng)力學(xué)性能較差，所以工況3中的空載貨車車輛動(dòng)力響應(yīng)要普遍于工況2中的滿載的貨車。ICE3客車在不同工況中產(chǎn)生的脫軌系數(shù)和輪重減載率數(shù)值均較小，列車走行安全性能得到很好的保證。

在客貨混運(yùn)典型工況運(yùn)行條件下，德國(guó)ICE3高速客車的動(dòng)車和拖車橫、豎向舒適度指標(biāo)按其相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)；貨物列車（滿載重車編組）的機(jī)車和車輛橫、豎向平穩(wěn)性指標(biāo)按其相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)；貨物列車（空載空車編組）的車輛橫、豎向平穩(wěn)性指標(biāo)為“合格”標(biāo)準(zhǔn)，這主要由于空車本身的動(dòng)力學(xué)性能較差引起。

表4 列車動(dòng)車動(dòng)力響應(yīng)值

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）工況2和工況3中，由于C62貨車的加入，橋梁處于客貨混運(yùn)的三線同時(shí)行車狀態(tài)，此時(shí)橋梁的橫向位移、加速度數(shù)值較大，可見與單線行車相比，三線行車對(duì)本橋梁較為不利，這主要是由三線行車時(shí)橋梁所承受列車總荷載較大，以及列車不對(duì)稱布置導(dǎo)致的偏載效應(yīng)較大兩個(gè)因素造成。

（2）在工況3中，由于C62空載貨車的加入，橋梁和列車的動(dòng)力響應(yīng)比工況1、工況2列車通過橋梁時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)相比要明顯偏大，說明C62空載貨車動(dòng)力性能較差，在進(jìn)行車橋耦合振動(dòng)分析時(shí)應(yīng)當(dāng)更加關(guān)注。

（3）當(dāng)C62貨車和德國(guó)ICE3客車以不同組合工況通過橋梁時(shí)，橋梁的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)和列車的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算值均在容許值以內(nèi)，橋梁具有足夠的橫向和豎向剛度，橋梁的動(dòng)力性能良好。

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U448.13

A

1009-7716（2017）03-0207-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.057

2016-12-25

熊鷹（1982-），男，湖南常德人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)、計(jì)算研究方面的工作。