楊尚福,蔡成標(biāo),朱勝陽,韓兆令,楊吉忠

(1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)高速鐵路發(fā)展迅猛，取得了舉世矚目的重大成就。其中高速鐵路線路中橋梁結(jié)構(gòu)占據(jù)了重要形式，為保障列車安全運(yùn)行和橋梁的正常服役，對(duì)車輛與橋梁耦合系統(tǒng)進(jìn)行全面研究，分析評(píng)估車輛、橋梁的動(dòng)力學(xué)性能，就成為高速鐵路建設(shè)中需要研究的重要課題[1-7]。

隨著高速鐵路覆蓋的區(qū)域越來越廣，高速鐵路橋梁將不可避免地穿過一些情況較為復(fù)雜的區(qū)域，例如高原凍土區(qū)域、積雪較久區(qū)域、地震活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域[8-16]等。本文主要研究外部振動(dòng)激勵(lì)對(duì)高鐵橋梁的影響，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就地震對(duì)于列車運(yùn)行安全的影響進(jìn)行了深入研究。其中黃宇辰[17]分析了地震作用下高速鐵路FPS隔震橋梁無砟軌道的力學(xué)特性，對(duì)提高無砟軌道的抗震性能、保障震后高速鐵路的正常運(yùn)營(yíng)具有重要意義；譚長(zhǎng)建[18]研究了地震作用下高速列車與橋梁耦合振動(dòng)，對(duì)軌道不平順、不同地震波對(duì)耦合振動(dòng)響應(yīng)的影響進(jìn)行了比較研究；陳令坤[19]等基于有限元法，建立了高速鐵路多跨簡(jiǎn)支梁橋的梁?jiǎn)卧珮蚩臻g分析模型和單墩實(shí)體模型，計(jì)算了不同地震強(qiáng)度、不同地震荷載組合下，高鐵橋梁在是否考慮樁土作用、不同車速以及不同墩高等工況下的彈塑性地震反應(yīng)。

以某計(jì)劃修建的高鐵為例，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km。線路附近有一機(jī)械加工廠，廠房?jī)?nèi)有沖壓機(jī)械。為探明工廠生產(chǎn)時(shí)沖壓機(jī)械振動(dòng)對(duì)高鐵橋梁及運(yùn)營(yíng)列車的影響，考慮后期是否拆除此加工廠，本文采用實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，利用ANSYS和列車-軌道-橋梁動(dòng)力學(xué)分析軟件TTBSIM分析地面振動(dòng)對(duì)高鐵橋梁及行車的影響，研究方法與結(jié)果有助于了解高鐵橋梁周邊產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)列車-軌道-橋梁產(chǎn)生的影響，具有一定的工程實(shí)際意義。

2 沖壓機(jī)械振動(dòng)實(shí)測(cè)及仿真驗(yàn)證

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

機(jī)械加工廠可以開啟的最大沖擊振動(dòng)力為16 000 kN，但由于工廠鑄造需求及設(shè)備原因，試驗(yàn)時(shí)僅開啟了最大沖擊力的30%左右，沖壓機(jī)械如圖1所示。

圖1 沖壓機(jī)械

根據(jù)振源中心到各橋墩處的距離，選取距振源最近的3個(gè)橋墩進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，均以振源為中心，向橋墩處輻射，共計(jì)3條測(cè)線，如圖2所示，每條測(cè)線上相隔10 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。振源中心距離最近處橋墩(2號(hào)墩)約80 m。

本次測(cè)試的地面振動(dòng)加速度以垂向、橫向加速度為主，傳感器安裝如圖3所示。

圖2 沖擊振動(dòng)地面測(cè)試點(diǎn)示意

圖3 加速度傳感器安裝

選取3條測(cè)線中到2號(hào)橋墩這一段(即距振源最近的測(cè)線)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。圖4～圖6分別為振源處、距振源50 m(鐵路用地紅線位置)以及距振源80 m(2號(hào)橋墩位置)3個(gè)關(guān)鍵位置的垂向和橫向加速度。由于橫向加速度傳遞至50 m位置時(shí)已經(jīng)很微弱，基本上只有干擾電信號(hào)，所以80 m位置并未列出其橫向加速度測(cè)試結(jié)果。

圖4 振源處加速度

圖5 距振源50 m處加速度

圖6 距振源80 m處加速度

可以看出，同一位置處橫向加速度明顯要小于垂向加速度，在距振源大致50 m位置處，橫向加速度基本衰減完畢。

2.2 地面沖擊振動(dòng)有限元模型及計(jì)算結(jié)果

研究中建立三維地面振動(dòng)有限元模型，分析沖壓機(jī)械作用下，振動(dòng)波沿土層傳播至橋墩處的振動(dòng)響應(yīng)，與地面振動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

為真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立如圖7所示的地面沖擊振動(dòng)有限元模型。模型為200 m×200 m×40 m的土體，單元尺寸為0.5 m，土體簡(jiǎn)化分為兩層，由地表向下10 m為第一層，土質(zhì)為粉質(zhì)黏土；10～40 m為第二層，土質(zhì)為安山巖。

圖7 地面沖擊振動(dòng)三維有限元模型

模型中央位置為模擬的鑄造臺(tái)，在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，即在鑄造臺(tái)上施加沖擊荷載，然后提取周邊土體的振動(dòng)響應(yīng)，分析其傳遞至橋墩位置的振動(dòng)情況。

實(shí)驗(yàn)時(shí)機(jī)器開啟的沖擊荷載為最大沖擊力16 000 kN的30%，所以在有限元模型中施加4 800 kN的沖擊荷載。將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖8～圖11所示。雖然實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在非沖擊作用時(shí)段仍有干擾信號(hào)出現(xiàn)，但在沖擊振動(dòng)作用時(shí)段實(shí)測(cè)與仿真的時(shí)域結(jié)果和頻域結(jié)果基本吻合，傳遞至50 m和80 m位置處的振動(dòng)主要集中在10～25 Hz。結(jié)果驗(yàn)證了有限元模型的可靠性，為后續(xù)計(jì)算最大沖擊荷載作用下對(duì)高速鐵路橋梁及運(yùn)營(yíng)列車的影響提供激勵(lì)。

圖8 距振源50 m位置垂向加速度

圖11 距振源80 m位置垂向加速度頻譜

3 列車-軌道-橋梁耦合振動(dòng)分析模型

3.1 列車-軌道-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力相互作用原理

列車通過橋梁時(shí)，列車、軌道、橋梁3個(gè)子系統(tǒng)分別通過輪/軌相互作用關(guān)系和橋/軌相互作用關(guān)系耦合成一個(gè)整體大系統(tǒng)，在系統(tǒng)激擾作用下，產(chǎn)生耦合振動(dòng)，從而引起大系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，包括機(jī)車車輛振動(dòng)響應(yīng)、橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)、軌道動(dòng)力響應(yīng)及輪軌動(dòng)作用力響應(yīng)等。在這一耦合大系統(tǒng)中，輪軌動(dòng)態(tài)相互作用關(guān)系作為連接列車與橋梁結(jié)構(gòu)的“紐帶”，起到核心作用，如圖12所示。

圖12 列車-軌道-橋梁動(dòng)態(tài)相互作用模型示意

3.2 列車-軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型

本文應(yīng)用列車-軌道-橋梁動(dòng)力學(xué)分析軟件TTBSIM進(jìn)行計(jì)算分析[20]。列車-軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型包括橋梁模型、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)、軌道不平順以及列車類型及其參數(shù)。

TTBSIM中橋梁部分采用有限元方法建模，包含梁?jiǎn)卧?、桿單元、帶剛臂單元、板殼單元的單元庫，具有較強(qiáng)的可移植性。為提高效率也可以利用橋梁有限元軟件Midas Civil來建立橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，并將模型的節(jié)點(diǎn)、單元、節(jié)點(diǎn)耦合、材料參數(shù)等轉(zhuǎn)換為TTBSIM橋梁模型指定格式，據(jù)此建立橋梁的動(dòng)力有限元模型。

(1)橋梁為5跨簡(jiǎn)支梁模型，對(duì)應(yīng)機(jī)械加工廠旁的部分橋梁，梁體均為32 m雙線簡(jiǎn)支箱梁，墩高為18.5～19.5 m。

基于Mida Civil建立橋梁有限元模型，在模型中，梁體與橋墩均采用了梁?jiǎn)卧?，墩體之間通過主從自由度實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)支約束。橋梁的有限元模型如圖13所示。

圖13 機(jī)械加工廠附近橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

(2)軌道結(jié)構(gòu)采用CTRSIII型板式無砟軌道。

(3)軌道不平順譜采用我國(guó)高速鐵路無砟軌道不平順譜，考慮到國(guó)內(nèi)無砟軌道線路條件較好，為了模擬線路狀態(tài)較差的情況，分析也考慮了德國(guó)軌道低干擾譜作為軌道不平順激勵(lì)。

(4)根據(jù)線路的設(shè)計(jì)情況，設(shè)計(jì)運(yùn)行速度以350 km/h為主。研究中列車運(yùn)行速度按250，300，350 km/h 三個(gè)速度等級(jí)進(jìn)行分析。根據(jù)該速度等級(jí)，選取CRH380B作為研究車輛。

3.3 動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

從車輛的運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和輪軌動(dòng)力相互作用以及橋梁動(dòng)力響應(yīng)等方面，來分析評(píng)價(jià)在不同條件下各結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。各項(xiàng)指標(biāo)[20]詳情見表1～表3。

表1 列車運(yùn)行安全性指標(biāo)

表2 列車乘坐舒適性指標(biāo)

表3 橋梁動(dòng)力響應(yīng)評(píng)定指標(biāo)

4 沖擊振動(dòng)對(duì)高鐵橋梁及行車的動(dòng)力影響

4.1 分析工況

沖壓氣錘工作時(shí)為周期性作用，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，其作用周期為10～12 s，每次沖擊從產(chǎn)生到完全衰減持續(xù)1.5 s左右，設(shè)定分析的區(qū)域?yàn)?跨32 m簡(jiǎn)支梁橋，正常運(yùn)行的高速列車完全穿越該區(qū)域(即8節(jié)編組從頭車進(jìn)入到尾車離開)需要4 s，而僅考慮單節(jié)車，穿越該區(qū)域時(shí)間為2 s。因此每組行車工況僅需考慮1次地面沖擊振動(dòng)，且需要確保沖擊振動(dòng)作用時(shí)列車剛好經(jīng)過此橋梁。

在分析中采用的地面振動(dòng)激勵(lì)為16 000 kN沖壓力作用下的仿真計(jì)算結(jié)果，參與到動(dòng)力學(xué)分析時(shí)段的波形如圖14所示。

圖14 地面振動(dòng)激勵(lì)波形

沖壓機(jī)械附近的橋梁與振源中心的最短距離為80 m，采用16 000 kN沖壓作用下的仿真結(jié)果作為外部激勵(lì)輸入到模型中，加載示意如圖15所示。計(jì)算時(shí)不僅考慮了距振源80 m的地面振動(dòng)作為激勵(lì)，也選取了距振源50 m的地面振動(dòng)作為激勵(lì)進(jìn)行分析，以期獲得較為惡劣工況下的振動(dòng)響應(yīng)作為參考。

圖15 外部激勵(lì)加載示意

考慮到運(yùn)營(yíng)速度等因素，設(shè)置了3組不同車速，即250，300，350 km/h，進(jìn)行仿真分析，以期獲得車-橋系統(tǒng)各動(dòng)力響應(yīng)隨行車速度的變化規(guī)律。

4.2 沖擊振動(dòng)作用對(duì)車橋動(dòng)力影響分析

圖16為在無地面振動(dòng)、距振源80 m處地面振動(dòng)、距振源50 m處地面振動(dòng)作用下，速度350 km/h工況的部分波形。

由圖16可知，地面振動(dòng)對(duì)橋梁響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，距振源50 m處地面振動(dòng)對(duì)橋梁所產(chǎn)生的響應(yīng)較另兩種情況明顯，而對(duì)輪軌力幾乎無影響。并且地面振動(dòng)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)方面的影響均非常微弱，此處不再贅述。

由表4可以更直觀地看出，距振源80 m處和距振源50 m處地面振動(dòng)激勵(lì)作用下相比于無地面振動(dòng)激勵(lì)作用下各結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大的情況。距振源越近，對(duì)各結(jié)構(gòu)的影響也就越大。

表4 各結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大情況對(duì)照

為了分析地面沖擊振動(dòng)對(duì)不同車速下列車-軌道-橋梁動(dòng)力學(xué)的影響，提取了相關(guān)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。其中輪軌力以及輪重減載率、脫軌系數(shù)等與行車安全性相關(guān)的響應(yīng)幅值如表5所示；車體加速度、車體Sperling指標(biāo)等與行車平穩(wěn)性相關(guān)的響應(yīng)幅值如表6所示；橋梁跨中位移、橋梁跨中加速度等橋梁響應(yīng)幅值如表7所示。

圖16 不同地面激勵(lì)作用下系統(tǒng)響應(yīng)

表5 地面振動(dòng)與行車速度下的運(yùn)行安全性響應(yīng)幅值

表6 地面振動(dòng)與行車速度下的運(yùn)行平穩(wěn)性相關(guān)響應(yīng)幅值

由表5～表7可以看出，在不同速度下，無地面振動(dòng)激勵(lì)、距振源50 m處、80 m處的地面振動(dòng)激勵(lì)作用下各工況的車-橋動(dòng)力響應(yīng)不同。對(duì)研究中所考察的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)而言，各項(xiàng)響應(yīng)隨著行車速度增加而增大。在分析的所有工況中，包括不同速度和有無地面振動(dòng)的情況，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象?？傮w而言，研究中所考慮的地面振動(dòng)對(duì)車-橋系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)影響均很小，對(duì)行車安全性與平穩(wěn)性均不構(gòu)成威脅。

表7 地面振動(dòng)與行車速度下的橋梁響應(yīng)幅值

5 結(jié)論

本文研究了沖擊振動(dòng)傳播至高鐵橋梁橋墩處對(duì)列車-軌道-橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)影響，通過分析得到的結(jié)論概括如下。

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，機(jī)械廠氣錘沖擊導(dǎo)致的地面振動(dòng)隨距離增大而迅速衰減，距振源30～50 m后以垂向振動(dòng)為主，且傳播至橋墩位置處的振動(dòng)已經(jīng)非常小。

(2)仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。通過計(jì)算得到了16 000 kN最大沖擊荷載作用下橋墩位置的地面振動(dòng)響應(yīng)，可以認(rèn)為這是機(jī)械廠生產(chǎn)過程中最不利工況，以此作為外部激勵(lì)分析其對(duì)車橋動(dòng)態(tài)服役性能的影響是合理的。

(3)通過對(duì)速度250，300，350 km/h三個(gè)速度等級(jí)以及無地面振動(dòng)激勵(lì)、距振源50 m處、80 m處的地面振動(dòng)激勵(lì)作用下各工況的車-橋響應(yīng)進(jìn)行分析，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均未超標(biāo)。因此，沖壓機(jī)械沖擊作用導(dǎo)致的地面振動(dòng)對(duì)列車-軌道-橋梁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)服役性能影響非常有限，對(duì)行車安全性和平穩(wěn)性的影響可以忽略，確保后期列車可以正常運(yùn)行，故此機(jī)械加工廠無需拆除，以節(jié)省工程項(xiàng)目的額外開支。