李興權(quán)

(承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校資產(chǎn)與后勤管理處，河北 承德 067000)

隨著我國(guó)高速鐵路行車(chē)速度的不斷提高，高速鐵路的不斷推廣運(yùn)行，列車(chē)質(zhì)量和載重的不斷增加，特別是近幾年來(lái)越來(lái)越多的高速鐵路相繼投入運(yùn)行，高速列車(chē)與鐵路橋梁之間的相互動(dòng)力作用越來(lái)越受到人們的重視。一方面，車(chē)輛在橋梁上高速運(yùn)行會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)沖擊力，影響橋梁的工作狀態(tài)和使用壽命，另外一方面，橋梁本身的震動(dòng)會(huì)影響車(chē)輛的平穩(wěn)性和安全性。

表1例舉了我國(guó)部分已經(jīng)運(yùn)行的鐵路橋梁和鐵路總長(zhǎng)度對(duì)比，從表中我們可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，橋梁在高速鐵路的建設(shè)中占有很大的比重。

本文通過(guò)以移動(dòng)的四分之一車(chē)輛模型(車(chē)輪加輪對(duì)加轉(zhuǎn)向架)模擬車(chē)輛荷載，采用大型有限元分析軟件ANSYS來(lái)比較和分析橋梁剛度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響。

表1 高速鐵路橋梁比重

1 模型建立

以四分之一車(chē)輛模型模擬列車(chē)，主要考慮在橋梁剛度變化情況下橋梁上三個(gè)典型節(jié)點(diǎn)(左右兩側(cè)四分之一處節(jié)點(diǎn)和跨中節(jié)點(diǎn))，本分析中橋梁的剛度變化由橋梁的彈性模量變化表示，考慮的基本行車(chē)速度為300 km/h?？紤]橋梁結(jié)構(gòu)的剛度變化范圍為:0.5×1010N/m2～9.5×1010N/m2。

2 數(shù)值模擬及分析結(jié)果

2.1 橋梁剛度對(duì)結(jié)構(gòu)豎向動(dòng)撓度的影響

圖2繪制了橋梁結(jié)構(gòu)在車(chē)速為300 km/h時(shí)，不同剛度橋梁的三個(gè)典型點(diǎn)的動(dòng)撓度曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高速鐵路橋梁，隨著橋梁剛度的不斷增大，橋梁的撓度有明顯的減小，橋梁結(jié)構(gòu)的豎向動(dòng)撓度曲線隨著橋梁剛度的增大變得越來(lái)越平緩。彈性模量為1.5×1010N/m2和彈性模量為3.5×1010N/m2之間，橋梁的撓度減少的非常多，曲線變化非常明顯，但是橋梁剛度由3.5×1010N/m2改變至7.5×1010N/m2之間，橋梁的剛度變化卻很小，三條曲線比較接近，說(shuō)明在一定的范圍內(nèi)提高橋梁的剛度可以有效的控制橋梁的豎向動(dòng)撓度，但是隨著橋梁剛度的不斷增大，這種變化越來(lái)越不明顯，在這種情況下，通過(guò)提高橋梁剛度的辦法來(lái)控制橋梁的豎向動(dòng)撓度是不經(jīng)濟(jì)合理的，但是總的規(guī)律是:橋梁結(jié)構(gòu)的豎向動(dòng)撓度是隨著橋梁剛度的增加而減少的。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)在不同剛度下最大豎向動(dòng)撓度

表2列出了橋梁剛度變化下橋梁三個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的最大豎向動(dòng)撓度。從其中的數(shù)據(jù)我們可以看到，以橋梁的左側(cè)四分之一點(diǎn)為例，當(dāng)橋梁剛度由0.5×1010N/m2變化為1.5×1010N/m2時(shí)，橋梁的豎向動(dòng)撓度減少了5.099，橋梁剛度由1.5×1010N/m2變化為2.5×1010N/m2時(shí)，橋梁的豎向動(dòng)撓度減少了1.046，橋梁剛度由2.5 ×1010N/m2變化為3.5 ×1010N/m2時(shí)，橋梁的豎向動(dòng)撓度減少了0.419，依此計(jì)算，隨著橋梁剛度的增加，橋梁的豎向動(dòng)撓度值減少值 0.222、0.134、0.056、0.045、0.038、0.031。從中可以看到，橋梁結(jié)構(gòu)的豎向動(dòng)撓度值的變化總體趨勢(shì)是越來(lái)越小，但是受剛度的影響也越來(lái)越小。為了更清楚的表示橋梁豎向動(dòng)撓度和橋梁剛度之間的關(guān)系，繪制出圖3。

圖3清晰的表示出不同剛度下同一節(jié)點(diǎn)的豎向動(dòng)撓度變化情況?？梢院芮逦陌l(fā)現(xiàn)，隨著剛度的不斷提高，豎向動(dòng)撓度不斷減少，這和理論的計(jì)算是相符合的。從圖中還可以看出，橋梁結(jié)構(gòu)的豎向動(dòng)撓度和橋梁剛度之間并不是線性關(guān)系，呈現(xiàn)出非線性的特性，尤其是在橋梁結(jié)構(gòu)的剛度不是很大的時(shí)候這種非線性關(guān)系越顯著，所以，在一定的范圍內(nèi)提高橋梁的剛度對(duì)控制橋梁的豎向震動(dòng)是十分有效的，本例中，橋梁結(jié)構(gòu)的彈性模量取值為為3.5×1010N/m2，對(duì)比圖3的三個(gè)節(jié)點(diǎn)動(dòng)撓度變化曲線我們可以看出，這一取值是合理經(jīng)濟(jì)的。

3 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的研究分析方法，對(duì)簡(jiǎn)支梁橋的豎向動(dòng)撓度和橋梁的剛度之間的關(guān)系做了簡(jiǎn)單的分析對(duì)比和研究，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)高速列車(chē)通過(guò)不同剛度的橋梁進(jìn)行簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)模擬，得到橋梁的豎向動(dòng)力響應(yīng)和橋梁的剛度之間的關(guān)系，通過(guò)分析得出如下結(jié)論:

1)橋梁的豎向動(dòng)撓度隨著橋梁剛度的變化而變化，提高橋梁的剛度可以有效的控制橋梁的豎向動(dòng)撓度。

2)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)提高橋梁的剛度，可以有效的控制橋梁的動(dòng)撓度，達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又有效的效果，隨著橋梁剛度的不斷提高，通過(guò)提高橋梁剛度的方法不能有效的控制橋梁的撓度。

3)橋梁的豎向動(dòng)撓度與橋梁結(jié)構(gòu)的剛度之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是更加復(fù)雜的非線性關(guān)系。

［1］夏禾，張楠.車(chē)輛與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［2］卿啟湘.高速鐵路無(wú)碴軌道一軟巖路基系統(tǒng)動(dòng)力特性研究［D］.湖南:中南大學(xué)，2005.

［3］王少欽，岳祖潤(rùn).車(chē)輛對(duì)橋梁動(dòng)力作用簡(jiǎn)化方法的研究［D］.石家莊:石家莊鐵道學(xué)院，2005.