交通運輸工程

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李永樂，徐昕宇，嚴乃杰，等

交通運輸工程

三線合一、三塔懸索橋風-車-橋耦合振動性能對比

李永樂，徐昕宇，嚴乃杰，等

目的：隨著過江（河）通道的增加，過江橋位資源越來越有限，公鐵兩用或多線合并已逐漸成為發(fā)展趨勢。此外，以多塔懸索橋的方式跨越大江、海峽，是一個經濟可行的選擇。目前建成的公鐵兩用懸索橋都為雙塔形式，尚無三塔鐵路懸索橋建成。與雙塔懸索橋相比，三塔懸索橋因多了一個中塔和一個主跨，橋梁結構特性顯著不同，對風和列車的作用可能更為敏感，但目前這類橋型不同橋梁斷面形式情況下的橋梁動力響應、車輛氣動特性及車輛走行性的對比性研究較為少見。本文針對某三線合一、三塔懸索橋的2個設計方案，對其橋梁結構動力特性、車-橋系統(tǒng)氣動特性及該橋的風-車-橋系統(tǒng)耦合振動性能進行對比分析。方法：建立了風-車-橋系統(tǒng)耦合模型，將風場視作空間相關的平穩(wěn)隨機過程，車輛模型采用質點-彈簧-阻尼器模型，橋梁結構模型采用有限元方法建立。針對某三線合一、三塔懸索橋的2種設計方案，采用自主研發(fā)的橋梁分析軟件BANSYS，分別建立其空間桿系橋梁有限元模型，并進行橋梁結構動力特性分析。通過車-橋系統(tǒng)節(jié)段模型風洞試驗，測試了車輛和橋梁的三分力系數(shù)。基于建立的風-車-橋系統(tǒng)耦合模型，進行了風-車-橋耦合振動分析，對比了不同風速、車速下的車輛、橋梁的動力響應和不同斷面形式的影響。結果：三線合一、三塔懸索橋的結構自振頻率較低；對比該橋2種設計方案的結構自振頻率及振型，同階振型下，鋼桁方案的自振頻率相對于鋼箱桁方案的要低。車輛氣動力受軌道位置的影響較大，鋼桁方案迎風側車輛阻力系數(shù)約為鋼箱桁方案的2.2倍；當風速為0 m/s時，橋梁、車輛的動力響應總體上是隨車速的增大而增大，同一車速下，鋼桁方案的橋梁位移較鋼箱桁方案大，主要是由于鋼桁方案的橋梁整體剛度略弱于鋼箱桁方案；當考慮風速影響時，橋梁的橫向響應隨風速的增大而顯著增大；車輛位于迎風側時，鋼箱桁方案和鋼桁方案在風速25 m/s時的橋梁橫向位移比風速15 m/s時的分別增大至約2.4和3.8倍，橫風對橋梁的橫向響應起主導作用；同一風速，鋼桁方案的橋梁響應總體上較鋼箱桁方案大；同一方案，車輛響應隨風速的增大而增大，當風速達到25 m/s時，車輛動力響應顯著增加，響應指標比15 m/s時最大增加了71.6%。結論：與常見的公鐵兩用斜拉橋低階模型頻率相比，三線合一、三塔懸索橋的自振頻率較低。車輛氣動力受軌道位置的影響較大?；诮⒌娘L-車-橋系統(tǒng)耦合振動模型的分析，鋼桁方案的橋梁響應總體上比鋼箱桁方案的要大，主要是由于鋼桁方案的橋梁整體剛度略弱于鋼箱桁方案。鋼桁方案的車輛響應總體上要大，這與軌道位置關系和氣動力系數(shù)相關。

來源出版物：交通運輸工程學報, 2015, 15(6): 17-25

入選年份：2015