集包第二雙線鐵路跨210國(guó)道大橋的車(chē)橋振動(dòng)分析

王連春+郭薇薇+姚杰

摘 要：橋梁的動(dòng)力特性分析是評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)安全性和適用性的關(guān)鍵因素之一，也是評(píng)定橋梁安全運(yùn)營(yíng)和檢測(cè)維修的重要基礎(chǔ)。該文以集包第二雙線鐵路跨210國(guó)道大橋?yàn)楸尘?，首先?duì)橋梁的自振特性進(jìn)行了計(jì)算分析，然后對(duì)橋梁在德國(guó)ICE-3型動(dòng)車(chē)組以不同速度通過(guò)時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)以及橋上車(chē)輛的走行性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和橋上運(yùn)行車(chē)輛的安全性做出評(píng)價(jià)，為該橋日后的運(yùn)營(yíng)提供必要的理論支撐，也為改進(jìn)同類(lèi)拱橋的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布置提供參考。

關(guān)鍵詞：集包第二雙線鐵路 系桿拱 鋼管混凝土 自振特性 車(chē)橋振動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（b）-0113-04

集包第二雙線鐵路位于華北地區(qū)內(nèi)蒙古西部，屬于京包通道西段，是我國(guó)“八縱八橫”鐵路網(wǎng)主骨架之一的京蘭通道的重要組成部分。該線東起內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市，西至包頭市，途經(jīng)呼和浩特市，是中國(guó)與蒙古國(guó)、俄羅斯開(kāi)展經(jīng)貿(mào)合作的主要運(yùn)輸通道，也是蒙西地區(qū)煤炭外運(yùn)和大秦鐵路相連的重要通道。全長(zhǎng)308 km，總投資162.2億元。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)，客貨共線，速度目標(biāo)值為160 km/h，預(yù)留200 km/h條件，其中呼包段列車(chē)控制系統(tǒng)一次實(shí)施CTCS-2，具備開(kāi)行時(shí)速200 km動(dòng)車(chē)的條件。

跨210國(guó)道特大橋是集包第二雙線鐵路的一項(xiàng)重點(diǎn)工程，全橋總計(jì)232孔，長(zhǎng)約3859.86 m。沿途跨越210國(guó)道和既有鐵路線，是集包鐵路全線跨數(shù)最多、架梁工序最為復(fù)雜、施工難度最大的一座特大橋。大橋引橋采用跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁。主橋上部結(jié)構(gòu)采用跨度64 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支系桿拱，矢跨比為1/5；拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，啞鈴型截面，拱高2.2 m；弦管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土，上、下弦管間以鋼墜板連接；系桿拱全跨共設(shè)10對(duì)吊桿，采用整束擠壓的鋼絞線成品索；梁體采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱雙室截面，梁高1.7 m，頂板厚35 cm，底板厚30 cm，跨中邊腹板及中腹板厚分別為70 cm和35 cm。主橋下部結(jié)構(gòu)采用圓端形實(shí)體橋墩，墩高9.1 m。

對(duì)于鐵路常用跨度橋梁的動(dòng)力性能在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)進(jìn)行了大量的車(chē)橋耦合動(dòng)力仿真分析工作，而對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的橋梁，由于剛度條件和結(jié)構(gòu)形式各異，需要對(duì)其進(jìn)行專(zhuān)門(mén)車(chē)橋振動(dòng)分析[1-3]，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能和車(chē)輛走行性做出分析和評(píng)估，確定在各種狀態(tài)下的使用可靠性，為日后的運(yùn)營(yíng)提供必要的理論支撐。

1 跨210國(guó)道大橋主橋自振特性分析

根據(jù)橋梁的特點(diǎn)，采用大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas對(duì)該橋建立了三維模型。建模時(shí)，分別采用梁?jiǎn)卧桶鍐卧獊?lái)模擬主拱、邊拱及吊桿橫梁和橋面系；對(duì)吊桿和系桿采用只受拉的單元模擬；在計(jì)算中將兩根相鄰的吊桿簡(jiǎn)化為一根處理；邊界條件按橋梁的實(shí)際受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，滑動(dòng)支座采用鉸接，拱橋拱肋與主梁之間采用剛性連接，見(jiàn)圖1所示。

橋梁前20階自振特性的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所示。通過(guò)計(jì)算可知橋梁的一階振型為拱圈的橫向振動(dòng)，自振頻率為0.875 Hz；橋梁的二階振型為主梁的反對(duì)稱(chēng)豎彎振動(dòng)，自振頻率為2.792 Hz；主梁的橫彎振動(dòng)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)第五階振型，自振頻率為4.071 Hz。計(jì)算結(jié)果滿足我國(guó)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定的橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率的限值要求[4]。

2 車(chē)橋動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果及性能評(píng)價(jià)

近年來(lái)，隨著行車(chē)速度的不斷提高，交通密度的日益增加，荷載的日益加重，車(chē)輛與橋梁的動(dòng)力相互作用問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視[5-8]。一方面，高速運(yùn)行的車(chē)輛會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)力沖擊作用，使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，直接影響橋梁的工作狀態(tài)和使用壽命；另一方面，橋梁的振動(dòng)又會(huì)對(duì)運(yùn)行車(chē)輛的平穩(wěn)性和安全性產(chǎn)生影響，這就使得橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)成為了評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)參數(shù)合理與否的重要指標(biāo)。因此，對(duì)車(chē)輛-橋梁動(dòng)力相互作用系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究，以便對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能和橋上運(yùn)行車(chē)輛的走行性做出動(dòng)力分析和評(píng)估，確定它們?cè)诟鞣N狀態(tài)下的使用可靠性，是合理進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要。

計(jì)算中選用的列車(chē)為德國(guó)ICE-3型動(dòng)力分散獨(dú)立式高速列車(chē)，采用16節(jié)編組：（3動(dòng)+1拖）×4，計(jì)算車(chē)速為200～400 km/h。采用不平順樣本序列全長(zhǎng)2000 m，不平順測(cè)點(diǎn)間距0.5 m，其高低不平順?lè)禐?1.80 mm，水平不平順?lè)禐?0.79 mm。

圖2給出了當(dāng)車(chē)速為200 km/h時(shí)，主梁的橫、豎向位移響應(yīng)時(shí)程曲線。根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果可知，此時(shí)由運(yùn)行列車(chē)引起的橋梁最大橫、豎向位移約為0.06 mm、2.32 mm，均發(fā)生在橋梁跨中截面。

圖3給出了當(dāng)車(chē)速為200 km/h時(shí)，橋上車(chē)輛的橫、豎向振動(dòng)加速度響應(yīng)的時(shí)程曲線。此時(shí)，車(chē)輛在橋上的最大橫、豎向加速度約為0.405 m/s2、0.612 m/s2，均出現(xiàn)在動(dòng)車(chē)車(chē)體。

2.1 橋梁動(dòng)力性能評(píng)價(jià)

通過(guò)車(chē)橋耦合振動(dòng)仿真分析，跨210國(guó)道大橋主橋在德國(guó)ICE-3動(dòng)車(chē)組以200～400 km/h速度通過(guò)時(shí)引起的最大橫、豎向振幅和橫、豎向加速度響應(yīng)的計(jì)算值及評(píng)價(jià)見(jiàn)表2所示。

從表2中可見(jiàn)，在運(yùn)行列車(chē)作用下，橋梁各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算值較小，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，表明在本文的計(jì)算工況下，橋梁的動(dòng)力性能良好。

2.2 車(chē)輛走行性能評(píng)價(jià)

橋上車(chē)輛的運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性的評(píng)價(jià)見(jiàn)表3、4所示。從表中可見(jiàn)，當(dāng)?shù)聡?guó)ICE-3動(dòng)車(chē)組以200～400 km/h車(chē)速通過(guò)時(shí)，車(chē)輛的豎向加速度、豎向Sperling指標(biāo)分別為日常保養(yǎng)和優(yōu)秀；而橫向加速度隨著車(chē)速的增大從日常保養(yǎng)狀態(tài)逐漸下降到舒適度狀態(tài)，橫向Sperling指標(biāo)也從優(yōu)秀逐漸過(guò)渡到良好。

3 結(jié)語(yǔ)

集包第二雙線鐵路跨210國(guó)道大橋在德國(guó)ICE-3高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)以200～400 km/h的速度通過(guò)時(shí)，橋梁的動(dòng)力性能良好；車(chē)輛的各項(xiàng)安全性指標(biāo)不超限；車(chē)輛的其他各項(xiàng)平穩(wěn)性指標(biāo)均為良好以上，表明該橋不僅可以較好地滿足車(chē)速200 km/h的運(yùn)營(yíng)條件，還適應(yīng)于250～350 km/h的高速行車(chē)要求。

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