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        考慮基礎(chǔ)沉降的車-橋耦合振動(dòng)分析

        2019-09-03 01:02:50李志強(qiáng)王大千
        鐵道建筑 2019年8期
        關(guān)鍵詞:橋墩加速度動(dòng)力

        李志強(qiáng),王大千

        (中國市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司,吉林 長春 130021)

        橋梁結(jié)構(gòu)在我國高速鐵路中占比較大,如東部地區(qū)的京津城際橋梁占比高達(dá)87%,西部山區(qū)的成渝客運(yùn)專線中橋梁占線路總長的51%[1-3]。高速鐵路要求橋上線路平順性好,以保證列車運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性。在軟土地基地區(qū),橋梁難以避免地會(huì)發(fā)生基礎(chǔ)沉降,將導(dǎo)致橋上線路線形發(fā)生變化。雖然設(shè)計(jì)時(shí)軌道鋼軌扣件具有一定的可調(diào)節(jié)性,但其可調(diào)量有限[4-6]。地基條件、樁基布置形式對(duì)橋梁基礎(chǔ)沉降有不同程度的影響,基礎(chǔ)沉降將影響橋上列車的走行性。因此,有必要針對(duì)地基沉降情況開展車-橋耦合振動(dòng)研究[7-9]。

        本文以一座高速鐵路32 m典型簡支梁橋?yàn)楸尘?,采用有限元方法建立橋梁模型,并建立?橋耦合振動(dòng)模型,分析無沉降、單墩沉降、相鄰雙墩沉降和相鄰三墩沉降4種工況和不同沉降量對(duì)橋上列車動(dòng)力響應(yīng)的影響。

        1 工況概況

        簡支梁采用箱梁形式,高2.83 m,頂板寬12 m,底板寬5.3 m;頂板厚0.285 m,底板厚0.27 m,腹板厚0.36 m。梁體采用C50混凝土。橋墩為倒圓角矩形實(shí)心橋墩,橫向橋?qū)?.2 m,縱向橋?qū)?.5 m,橋墩采用C35混凝土,墩高為25 m。

        計(jì)算考慮無沉降、單墩(3#墩)沉降、相鄰雙墩(3#和4#墩)沉降和相鄰三墩(3#,4#,5#墩)沉降4種工況,具體沉降形式如圖1所示。

        圖1 沉降形式

        2 車-橋耦合振動(dòng)模型

        車輛包含1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架及4個(gè)輪對(duì),共7個(gè)剛體,共23個(gè)自由度。剛體間通過彈簧、阻尼器連接,主要包括軸箱彈簧、一系減振器、空氣彈簧、二系橫(垂)向減振器等[10-11]。采用Kalker的滾動(dòng)接觸簡化理論(FASTSIM)來計(jì)算輪軌蠕滑力。

        車輛采用CRH2動(dòng)車組,列車編組形式為2×(拖+動(dòng)+動(dòng)+拖)。軌道不平順采用德國低干擾譜模擬。分析時(shí)列車速度取200 km/h。建立10跨橋梁有限元模型,采用梁單元模擬主梁和橋墩,以二期恒載的形式考慮橋上軌道和附屬設(shè)施。梁和墩之間的連接按簡支梁橋?qū)嶋H約束方式對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行約束設(shè)置,約束方式見表1。橋墩為整體沉降,基礎(chǔ)沉降直接導(dǎo)致墩頂主梁下沉,計(jì)算時(shí)以軌道不平順的形式輸入到計(jì)算模型中。沉降量分為10,20,30,40,50 mm內(nèi)5種情況。

        表1 橋梁約束方式

        注:x,y,z分別為橋梁縱向、橫向和豎向;d表示線位移,@表示角位移;“√”表示約束該方向。

        橋梁與車輛系統(tǒng)作為2個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立求解,其相互作用通過輪軌關(guān)系進(jìn)行迭代計(jì)算,以滿足2個(gè)子系統(tǒng)的幾何和力學(xué)耦合關(guān)系。

        3 計(jì)算結(jié)果及其分析

        本文選取8節(jié)車輛響應(yīng)的最大值進(jìn)行分析。

        3.1 無沉降工況

        當(dāng)橋墩無沉降時(shí)車輛的動(dòng)力響應(yīng)見表2??芍囕v動(dòng)力響應(yīng)較小。

        表2 車輛動(dòng)力響應(yīng)(無沉降)

        3.2 單墩沉降工況

        單墩沉降時(shí)車輛動(dòng)力響應(yīng)見表3。可知:單墩沉降時(shí),沉降量對(duì)豎向加速度影響顯著;當(dāng)沉降量大于20 mm時(shí),隨著沉降量的增大,豎向加速度明顯增大;沉降對(duì)橫向加速度、輪重減載率和脫軌系數(shù)的影響有限。

        單墩沉降時(shí)不同沉降量下車輛豎向加速度對(duì)比見圖2??芍毫熊囃ㄟ^沉降墩的相鄰墩(2#墩)時(shí),列車豎向加速度開始受沉降影響產(chǎn)生變化;通過沉降墩(3#墩)時(shí),梁體豎向轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的折角最大,車輛的豎向加速度明顯呈增大趨勢,列車振動(dòng)變大;通過4#墩時(shí),由于梁體產(chǎn)生豎向轉(zhuǎn)角,車輛豎向加速度響應(yīng)進(jìn)一步增大。同時(shí),隨著沉降量的增大,列車的豎向加速度顯著增大。

        表3 車輛動(dòng)力響應(yīng)(單墩沉降)

        圖2 單墩沉降時(shí)不同沉降量下車輛豎向加速度對(duì)比

        3.3 相鄰雙墩沉降工況

        由于軟弱地基范圍較大,不只是單墩會(huì)產(chǎn)生沉降。因此研究相鄰雙墩同時(shí)沉降列車通過橋梁時(shí)的動(dòng)力響應(yīng),分析結(jié)果見表4。對(duì)比表3和表4可知,雙墩沉降時(shí),車輛動(dòng)力響應(yīng)的變化值比單墩沉降時(shí)要小。

        表4 車輛動(dòng)力響應(yīng)(相鄰雙墩沉降)

        圖3 相鄰雙墩沉降時(shí)不同沉降量下車輛豎向加速度對(duì)比

        相鄰雙墩沉降時(shí)不同沉降量下車輛豎向加速度對(duì)比見圖3??芍S著沉降量的增大,車輛豎向加速度在沉降影響區(qū)間內(nèi)的響應(yīng)逐漸增大。對(duì)比圖2和圖3可知,列車通過第1根沉降墩的相鄰墩(2#)時(shí),其豎向加速度響應(yīng)與單墩沉降時(shí)相同。當(dāng)列車通過4#墩后,受4#和5#墩的沉降差異影響,豎向加速度變化顯著。雙墩沉降時(shí),當(dāng)列車通過4#墩后,車輛豎向加速度未出現(xiàn)隨沉降量的增大而改變的現(xiàn)象,這是由軌道不平順、4#墩豎向轉(zhuǎn)角和4#—5#墩內(nèi)沉降變化量導(dǎo)致的。

        3.4 相鄰三墩沉降工況

        進(jìn)一步討論大范圍地基沉降造成的相鄰三墩沉降對(duì)車-橋系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)的影響,計(jì)算結(jié)果見表5。可知:相鄰三墩沉降對(duì)車輛豎向加速度影響顯著;隨著沉降量的增大,豎向加速度呈明顯增大的趨勢。對(duì)比表3和表5,沉降量分別為10,20,30 mm時(shí),相鄰三墩沉降時(shí)車輛響應(yīng)比單墩沉降時(shí)更大。

        表5 車輛動(dòng)力響應(yīng)(相鄰三墩沉降)

        圖4 相鄰三墩沉降時(shí)不同沉降量下車輛豎向加速度對(duì)比

        相鄰三墩沉降時(shí)不同沉降量下車輛豎向加速度對(duì)比見圖4。可知,通過相鄰墩有沉降差的梁端時(shí),由于沉降差導(dǎo)致橋上線路線型改變,豎向加速度大幅變化。當(dāng)列車運(yùn)行于3#—5#墩時(shí),受3#墩沉降產(chǎn)生的豎向轉(zhuǎn)角影響,列車的豎向加速度變化較為顯著。

        4 結(jié)論

        1)單墩沉降工況,當(dāng)沉降量大于20 mm時(shí),隨著沉降量的增大車輛豎向加速度明顯增大。當(dāng)沉降量為50 mm時(shí),車輛豎向加速度較無沉降工況增大了1.2倍。

        2)相鄰雙墩沉降工況,車輛動(dòng)力響應(yīng)比單墩沉降工況小。

        3)相鄰三墩沉降對(duì)車輛豎向加速度影響顯著,隨著沉降量的增大,豎向加速度呈明顯增大的趨勢。沉降量分別為10,20,30 mm時(shí),相鄰三墩沉降時(shí)車輛豎向加速度比單墩沉降工況更大。

        4)基礎(chǔ)沉降對(duì)橋上列車的橫向加速度、輪重減載率和脫軌系數(shù)影響有限。

        5)列車經(jīng)過橋梁梁端時(shí),橋梁基礎(chǔ)沉降引起的梁端豎向轉(zhuǎn)角使列車產(chǎn)生持續(xù)豎向振動(dòng),對(duì)車輛豎向加速度影響較為顯著。

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