李 龍,徐昕宇,梁長海

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,合肥 230088； 2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,合肥 230088； 3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

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。目前，混凝土簡(jiǎn)支箱梁橋在我國高鐵橋梁中占比最大，其占比一般在80%以上[1-3]。混凝土橋梁長期變形主要有梁體混凝土徐變上拱和橋墩沉降2種典型類型，變形在橋梁全生命周期中逐漸發(fā)展，如混凝土徐變，橋梁建造過程中，預(yù)制箱梁在梁場(chǎng)的徐變變形可能無法完全發(fā)展，梁體在橋梁鋪軌、運(yùn)營時(shí)仍有一定的徐變上拱[4-7]。我國幅員遼闊，各地區(qū)基礎(chǔ)情況各異，橋梁可能穿越軟土地基地區(qū)，甚至布置在漏斗區(qū)上，橋墩沉降將會(huì)導(dǎo)致橋面線形發(fā)生變化[8-10]。鐵科院在京津城際武清段開展長期沉降觀測(cè)，2011年9月至2013年3月，該區(qū)間發(fā)生了19.6～27.5 mm均勻沉降量，沉降已接近扣件30 mm的最大調(diào)高值[11-12]。

學(xué)者們針對(duì)高速鐵路橋梁徐變和橋墩沉降問題開展研究。王昆鵬等[13]針對(duì)高速鐵路32 m和24 m兩種簡(jiǎn)支梁橋，考慮車體柔性因素，研究了混凝土徐變對(duì)橋上列車動(dòng)力響應(yīng)的影響；李奇等[14]研究了徐變、溫度等因素產(chǎn)生的軌道靜態(tài)變位，綜合靜態(tài)變位和列車活載作用下的動(dòng)態(tài)變形考慮簡(jiǎn)支梁豎向剛度限值；宋國華等[15]對(duì)比分析了墩臺(tái)不均勻沉降對(duì)混凝土T梁上貨車豎向動(dòng)力響應(yīng)的影響；ZHANG等[16]開展了單墩沉降對(duì)橋上高速列車豎向加速度的影響分析；HUNG和HSU[17]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證分析模型的合理性后，開展了30，35，70，140 m四種波長的豎向波對(duì)車體振動(dòng)敏感性分析。

徐變和橋墩沉降是兩種在橋梁建設(shè)中無法避免的長期變形，變形會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致橋面和軌面線形發(fā)生變化，進(jìn)而可能導(dǎo)致橋上列車產(chǎn)生更大程度的振動(dòng)。徐變和橋墩沉降形式復(fù)雜，尤其橋墩沉降可能會(huì)發(fā)生單墩沉降、相鄰墩沉降等多種沉降情況，其聯(lián)合作用可能導(dǎo)致運(yùn)行在橋上的列車發(fā)生不同程度振動(dòng)。以某高速鐵路典型32 m簡(jiǎn)支梁橋?yàn)楸尘埃谒⒌能?橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)模型，首先分析了梁體徐變對(duì)列車響應(yīng)的影響程度，再開展單墩沉降、相鄰雙墩沉降和相鄰三墩沉降3種沉降形式和不同沉降量對(duì)橋上列車動(dòng)力響應(yīng)的影響分析。

1 工程概況

高鐵混凝土簡(jiǎn)支梁橋主梁采用箱形結(jié)構(gòu)形式，主梁頂板寬12 m，梁高2.83 m，跨中斷面如圖1所示。頂板端部和中部厚分別為21 cm和29 cm，腹板厚36 cm，底板厚27 cm。橋墩高30 m。主梁采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土。

圖1 主梁斷面(單位： cm)

2 車-橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)模型

對(duì)于車輛模型，一節(jié)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，不同剛體通過懸掛系統(tǒng)進(jìn)行連接，主要有軸箱彈簧、一系減振器、空氣彈簧、二系橫垂向減振器等[18-19]。建立的車輛模型共23個(gè)自由度，車輛模型示意如圖2所示。采用Kalker滾動(dòng)接觸簡(jiǎn)化理論(FASTSIM)計(jì)算輪軌蠕滑力。采用商用有限元軟件ANSYS，建立6跨橋梁有限元模型(圖3)，采用梁?jiǎn)卧M橋梁主梁和橋墩，主梁與橋墩間根據(jù)支座的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)約束。

橋梁與車輛系統(tǒng)作為2個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立求解，運(yùn)動(dòng)方程如式(1)所示，其相互作用通過輪軌關(guān)系進(jìn)行迭代，最終滿足2個(gè)子系統(tǒng)間幾何和力學(xué)耦合關(guān)系[20-21]。

(1)

圖2 車輛模型

圖3 橋梁有限元模型

3 橋梁典型長期變形對(duì)列車響應(yīng)影響分析

車輛采用CRH3動(dòng)車組，列車速度取350 km/h。軌道不平順采用德國低干擾譜模擬，考慮高低不平順、水平不平順和方向不平順。

橋梁徐變考慮為簡(jiǎn)支梁上拱，每跨主梁跨中上拱量均為5 mm，支座處為0 mm，主梁位置通過正弦曲線擬合。

橋梁沉降考慮為橋墩的整體沉降，這將直接導(dǎo)致墩頂主梁下沉，計(jì)算中橋墩沉降位移量按10，20，30，40，50 mm五種工況。分別考慮無沉降、單墩(3號(hào)墩)沉降、相鄰雙墩(3號(hào)和4號(hào)墩)沉降和相鄰三墩(3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)墩)沉降3種沉降形式，橋墩編號(hào)如圖4所示。

圖4 橋墩編號(hào)示意

分析工況如表1所示，計(jì)算中將徐變上拱和橋墩沉降通過軌道不平順的形式輸入到計(jì)算模型中。不同工況下高低不平順對(duì)比如圖5所示，圖中橋墩沉降量均為10 mm。需要說明的是，橋梁豎向向下為正，因此，橋墩沉降在高低不平順中表現(xiàn)為負(fù)值。對(duì)于高低不平順，不考慮徐變和沉降時(shí)最大為8.5 mm，當(dāng)考慮徐變時(shí)最大為10.9 mm，當(dāng)考慮徐變和沉降時(shí)最大為14.1 mm?？紤]橋梁為混凝土橋，分析時(shí)阻尼比取2%。

表1 分析工況

圖5 豎向不平順曲線對(duì)比

3.1 梁體徐變影響

未考慮徐變(工況1)和考慮5 mm梁體徐變(工況2)時(shí)，列車動(dòng)力響應(yīng)對(duì)比如表2所示。由表2可看出，當(dāng)橋梁考慮徐變時(shí)，車輛豎向加速度、輪重減載率和豎向Sperling指標(biāo)有所增大。其中，豎向加速度由1.003 m/s2增大至1.071 m/s2，增幅達(dá)6.8%。但梁體徐變對(duì)其他動(dòng)力響應(yīng)影響較小，變化均在2%以內(nèi)，說明因梁體徐變產(chǎn)生的周期性波動(dòng)主要影響豎向舒適性指標(biāo)，對(duì)橫向動(dòng)力響應(yīng)無顯著影響。

表2 車輛動(dòng)力響應(yīng)

3.2 梁體徐變與橋墩沉降聯(lián)合作用影響

考慮梁體徐變與橋墩沉降聯(lián)合作用時(shí)，車輛加速度和Sperling指標(biāo)隨沉降量變化曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 車輛加速度響應(yīng)隨沉降量變化曲線

圖7 車輛Sperling指標(biāo)隨沉降量變化曲線

由圖6(a)和圖7(a)可看出，隨著橋墩沉降量增大，車輛豎向加速度和豎向Sperling指標(biāo)明顯增大，且車輛在發(fā)生單墩沉降的橋上行駛時(shí)，豎向加速度最大。當(dāng)工況3～工況5中橋墩沉降量為50 mm時(shí)，車輛豎向加速度分別為1.893，1.743，1.433 m/s2，相比僅考慮徐變時(shí)的1.071 m/s2分別增大76.8%、62.7%和33.8%。

工況3(單墩)發(fā)生沉降，沉降量為30 mm時(shí)，豎向加速度為1.377 m/s2，已超過1.3 m/s2的規(guī)范限值要求；當(dāng)工況4和工況5(相鄰雙墩和三墩)發(fā)生沉降，沉降量達(dá)到40 mm，豎向加速度分別為1.482，1.330 m/s2，超過規(guī)范限值要求。若沉降量達(dá)到上述數(shù)值，需采取車輛限速或及時(shí)通過調(diào)高支座、調(diào)整軌道扣件等方式對(duì)軌面線形進(jìn)行調(diào)整。

由圖6(b)和圖7(b)可看出，車輛橫向加速度和橫向Sperling指標(biāo)受沉降量變化影響均較小，與僅考慮徐變相比，不同沉降量的變化幅度均在1%以內(nèi)。

輪軸橫向力、輪重減載率和脫軌系數(shù)隨沉降量變化如圖8～圖10所示。由圖8可看出，針對(duì)輪軸橫向力，對(duì)于工況3(單墩沉降)，由僅考慮徐變時(shí)的18.32 kN減小至18.22 kN；對(duì)于工況4或工況5(雙墩或三墩沉降)，則增大至18.45 kN和18.52 kN，但變化幅度有限，約為1%。由圖9可看出，對(duì)于輪重減載率，工況4影響最大，較僅考慮徐變時(shí)減少近3%。由圖10可看出，對(duì)于脫軌系數(shù)，沉降形式和沉降量的影響甚微，其變化在1%以內(nèi)。

圖8 輪軸橫向力隨沉降量變化曲線

圖9 輪重減載率隨沉降量變化曲線

圖10 脫軌系數(shù)隨沉降量變化曲線

4 結(jié)論

針對(duì)徐變和橋墩沉降兩種典型鐵路橋梁長期變形問題，開展了變形對(duì)橋上列車動(dòng)力響應(yīng)的影響分析，結(jié)論如下。

(1)當(dāng)橋梁僅考慮梁體徐變時(shí)，車輛豎向加速度、輪重減載率和豎向Sperling指標(biāo)有所增大，其中，豎向加速度較不考慮徐變時(shí)增大6.8%。

(2)考慮徐變和橋墩沉降聯(lián)合作用，隨著橋墩沉降量增大，車輛豎向加速度和豎向Sperling指標(biāo)明顯增大。在發(fā)生單墩沉降時(shí)的橋上行駛時(shí)，車輛豎向加速度最大。當(dāng)單墩沉降量為50 mm時(shí)，車輛豎向加速度為1.893 m/s2，相比僅考慮徐變時(shí)的1.071 m/s2，增大了76.8%。

(3)考慮5 mm徐變上拱，當(dāng)單墩發(fā)生沉降，沉降量為30 mm時(shí)，或當(dāng)相鄰雙墩、三墩發(fā)生沉降，沉降量達(dá)到40 mm，車輛豎向加速度超過規(guī)范1.3 m/s2的限值要求。若沉降量達(dá)到上述值，應(yīng)當(dāng)采取車輛限速或及時(shí)通過調(diào)高支座或調(diào)整軌道扣件等方式進(jìn)行橋面線形調(diào)整。