摘要：文章根據(jù)車橋耦合振動(dòng)分析理論，針對(duì)穗莞深城際軌道交通東江南特大橋主橋（143+264+143）m加勁鋼桁梁橋采用空間有限元建立全橋動(dòng)力分析模型，對(duì)橋梁的空間自振特性進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)該橋梁在CRH2動(dòng)車組列車通過下進(jìn)行車輛和橋梁振動(dòng)耦合性能研究，評(píng)價(jià)該橋的自身的動(dòng)力特性和CRH2動(dòng)車組通過時(shí)運(yùn)行的舒適性和安全性，為該橋的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城際軌道交通；加勁鋼桁梁橋；車橋耦合；動(dòng)力性能；橋梁工程 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U448 文章編號(hào)：1009-2374（2017）04-0098-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.050

1 概述

近年來，隨著鐵路車輛行車速度不斷提高，使得車輛與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用這一話題日益得到廣泛的關(guān)注。列車-橋梁空間耦合振動(dòng)分析模型是由車輛計(jì)算模型、橋梁計(jì)算模型按一定的輪軌運(yùn)動(dòng)關(guān)系聯(lián)系起來而組成的系統(tǒng)，車橋耦合的研究是運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)與橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究方法，將車輛與橋梁看作一個(gè)聯(lián)合動(dòng)力體系。檢算橋梁的自振頻率、跨中豎向與橫向動(dòng)位移、跨中豎向與橫向加速度、墩頂橫向位移與加速度；檢算機(jī)車車輛的安全性和舒適度指標(biāo)，包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、豎橫向加速度及Sperling舒適度指標(biāo)。評(píng)價(jià)橋梁的動(dòng)力性能以及列車運(yùn)行安全性與舒適性，為梁橋的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。列車-橋梁空間耦合振動(dòng)分析模型是由車輛計(jì)算模型、橋梁計(jì)算模型按一定的輪軌運(yùn)動(dòng)關(guān)系聯(lián)系起來而組成的系統(tǒng)，按照振動(dòng)的相關(guān)方法來進(jìn)行計(jì)算。

2 項(xiàng)目概況及橋梁分析模型的建立

東江南特大橋位于穗莞深城際軌道交通洪梅至深圳機(jī)場(chǎng)段，該橋主橋?yàn)椋?43+264+143）m加勁鋼桁連續(xù)梁，最高設(shè)計(jì)速度140km/h，二期恒載106.0kN/m。該橋主桁為“N”字型，由上弦桿、下弦桿、加勁弦和腹桿組成，加勁弦高36m。兩片主桁的橫向中心距（桁寬）13m，桁高18m，主橋跨度布置為（143+264+143）m。主梁采用加勁鋼桁梁，兩片主桁的橫向中心距（桁寬）13m，平行弦桁架高18m。加勁弦部分呈懸索狀，最高36m，全橋除邊墩、中墩部分斜腹桿設(shè)置橋門架外。橋面采用正交異性板鋼橋面，主桁中心距13m，線間距4.2m，道碴槽（內(nèi)到內(nèi)）7.9m，鋼桁梁：主桁下弦、上弦、加勁弦采用Q370qE鋼；桁腹桿和吊桿截面編號(hào)為14、17、18、25、27～32者采用Q370qE鋼，其余采用Q345qD鋼；橋面系、平聯(lián)、橫聯(lián)等采用Q345qD鋼。

分別采用軟件MIDAS和橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析軟件BDAP，來建立穗莞深城際軌道交通東江南特大橋主橋加勁鋼桁梁方案的動(dòng)力分析模型。將橋面、主桁、加勁弦及橋墩等離散為相應(yīng)類型單元，最終得到全橋動(dòng)力分析模型。模型中單元共2547個(gè)，節(jié)點(diǎn)1353個(gè)。

3 橋梁自振特性分析

東江南特大橋主橋加勁鋼桁梁橋，主桁寬13m，中跨寬跨比1/20，加勁弦部分呈懸索狀，最高達(dá)36m，這相對(duì)提高了主梁的豎向剛度，豎彎基頻較大0.79Hz，出現(xiàn)在第3模態(tài)；橫向剛度則較弱，橫向彎曲作為第1振型出現(xiàn)，該模態(tài)縱向和豎向沒有參與質(zhì)量，而橫向參與質(zhì)量比占7.56%；東江南特大橋主橋中墩高34.2m，主梁和墩之間在177#墩設(shè)置固定支座，這使得結(jié)構(gòu)在第2階出現(xiàn)縱漂振型。該模態(tài)豎向參與質(zhì)量比占0.04，而縱向參與質(zhì)量比達(dá)到30.69%；由于加勁桁及橫聯(lián)的貢獻(xiàn)，使得主梁具有較大的抗扭剛度，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型在第7階出現(xiàn)，扭頻為1.17Hz，扭彎頻率比為，且該模態(tài)縱向和豎向均沒有參與質(zhì)量，豎向參與質(zhì)量比僅占0.3%，因此本橋結(jié)構(gòu)具有足夠的抗風(fēng)性能和良好的抗震性能。

4 車橋耦合動(dòng)力仿真分析

根據(jù)前述計(jì)算模型與計(jì)算原理，運(yùn)用BDAP對(duì)該梁進(jìn)行車輛和橋梁的動(dòng)力響應(yīng)分析，從而得到車輛和橋梁的動(dòng)力參數(shù)，其中包括Sperling指標(biāo)、CRH2動(dòng)車組車輛的橫向和豎向加速度的最大值、列車的脫軌系數(shù)、車輪的輪重減載率指標(biāo)、該橋梁對(duì)應(yīng)的橫向和豎向的振動(dòng)情況的加速度、橋梁最大位移、橋梁墩頂?shù)恼駝?dòng)加速度參數(shù)、橋梁墩頂部的位移參數(shù)，導(dǎo)出了這些動(dòng)力作用下而產(chǎn)生的時(shí)程曲線。在國產(chǎn)CRH2動(dòng)車組作用下計(jì)算得到的橋梁位移響應(yīng)，加速度響應(yīng)，車輛響應(yīng)。

5 主要結(jié)論

針對(duì)穗莞深城際軌道交通東江南特大橋主橋加勁鋼桁梁橋，計(jì)算了地基土層和樁基的相互影響，采用通用有限元軟件，建立該橋動(dòng)力作用的模型，首先，對(duì)該橋的自振情況進(jìn)行了分析；其次，對(duì)該橋在國產(chǎn)CRH2高速列車作用下的車橋空間耦合振動(dòng)進(jìn)行了分析，用Sperling指標(biāo)來評(píng)價(jià)車輛作用下乘車的舒適性。參考《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（GB 5599-85）和《鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（TB/T 2360-93）兩本規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)了該橋的車橋耦合性能。其主要結(jié)論如下：

5.1 橋梁自振特性分析

全橋橫向一階自振頻率為0.47Hz，對(duì)應(yīng)一階橫向自振周期為2.14s；全橋豎向一階自振頻率為0.79Hz，對(duì)應(yīng)一階豎向自振周期為1.27s。

5.2 橋梁振動(dòng)性能

在CRH2動(dòng)車組以速度80～160km/h過橋時(shí)，如表3所示，加勁鋼桁梁橫向、豎向位移及加速度，墩頂橫向位移及橫向加速度均滿足限值要求。

5.3 列車行車安全性與舒適性

在CRH2列車以速度80～160km/h通過東江南特大橋主橋加勁鋼桁梁橋時(shí)，動(dòng)車和拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)，高速列車行車安全性可以得到保障。國產(chǎn)CRH2動(dòng)車組以速度80～160km/h通過時(shí)，該橋的豎向和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)良”。

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作者簡(jiǎn)介：施永恒（1983-），碩士。

（責(zé)任編輯：王 波）