沖壓機械振動對高鐵橋梁及行車動力影響分析

楊尚福,蔡成標(biāo),朱勝陽,韓兆令,楊吉忠

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室,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，為保障列車安全運行和橋梁的正常服役，對車輛與橋梁耦合系統(tǒng)進(jìn)行全面研究，分析評估車輛、橋梁的動力學(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、地震活動較強的區(qū)域[8-16]等。本文主要研究外部振動激勵對高鐵橋梁的影響，目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就地震對于列車運行安全的影響進(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，對提高無砟軌道的抗震性能、保障震后高速鐵路的正常運營具有重要意義；譚長建[18]研究了地震作用下高速列車與橋梁耦合振動，對軌道不平順、不同地震波對耦合振動響應(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支梁橋的梁單元全橋空間分析模型和單墩實體模型，計算了不同地震強度、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)。

以某計劃修建的高鐵為例，設(shè)計時速350 km。線路附近有一機械加工廠，廠房內(nèi)有沖壓機械。為探明工廠生產(chǎn)時沖壓機械振動對高鐵橋梁及運營列車的影響，考慮后期是否拆除此加工廠，本文采用實驗與仿真相結(jié)合的方法，利用ANSYS和列車-軌道-橋梁動力學(xué)分析軟件TTBSIM分析地面振動對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)生的振動響應(yīng)對列車-軌道-橋梁產(chǎn)生的影響，具有一定的工程實際意義。

2 沖壓機械振動實測及仿真驗證

2.1 現(xiàn)場試驗

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

圖1 沖壓機械

根據(jù)振源中心到各橋墩處的距離，選取距振源最近的3個橋墩進(jìn)行測點布置，均以振源為中心，向橋墩處輻射，共計3條測線，如圖2所示，每條測線上相隔10 m布置1個測點。振源中心距離最近處橋墩(2號墩)約80 m。

本次測試的地面振動加速度以垂向、橫向加速度為主，傳感器安裝如圖3所示。

圖2 沖擊振動地面測試點示意

圖3 加速度傳感器安裝

選取3條測線中到2號橋墩這一段(即距振源最近的測線)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號橋墩位置)3個關(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位置時已經(jīng)很微弱，基本上只有干擾電信號，所以80 m位置并未列出其橫向加速度測試結(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 地面沖擊振動有限元模型及計算結(jié)果

研究中建立三維地面振動有限元模型，分析沖壓機械作用下，振動波沿土層傳播至橋墩處的振動響應(yīng)，與地面振動測試結(jié)果進(jìn)行對比驗證。

為真實模擬現(xiàn)場實際情況，建立如圖7所示的地面沖擊振動有限元模型。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 地面沖擊振動三維有限元模型

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

實驗時機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)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比，如圖8～圖11所示。雖然實測數(shù)據(jù)在非沖擊作用時段仍有干擾信號出現(xiàn)，但在沖擊振動作用時段實測與仿真的時域結(jié)果和頻域結(jié)果基本吻合，傳遞至50 m和80 m位置處的振動主要集中在10～25 Hz。結(jié)果驗證了有限元模型的可靠性，為后續(xù)計算最大沖擊荷載作用下對高速鐵路橋梁及運營列車的影響提供激勵。

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-橋梁耦合振動分析模型

3.1 列車-軌道-橋梁系統(tǒng)動力相互作用原理

列車通過橋梁時，列車、軌道、橋梁3個子系統(tǒng)分別通過輪/軌相互作用關(guān)系和橋/軌相互作用關(guān)系耦合成一個整體大系統(tǒng)，在系統(tǒng)激擾作用下，產(chǎn)生耦合振動，從而引起大系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，包括機車車輛振動響應(yīng)、橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)、軌道動力響應(yīng)及輪軌動作用力響應(yīng)等。在這一耦合大系統(tǒng)中，輪軌動態(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-橋梁動態(tài)相互作用模型示意

3.2 列車-軌道-橋梁耦合動力學(xué)模型

本文應(yīng)用列車-軌道-橋梁動力學(xué)分析軟件TTBSIM進(jìn)行計算分析[20]。列車-軌道-橋梁耦合動力學(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，包含梁單元、桿單元、帶剛臂單元、板殼單元的單元庫，具有較強的可移植性。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、單元、節(jié)點耦合、材料參數(shù)等轉(zhuǎn)換為TTBSIM橋梁模型指定格式，據(jù)此建立橋梁的動力有限元模型。

(1)橋梁為5跨簡支梁模型，對應(yīng)機械加工廠旁的部分橋梁，梁體均為32 m雙線簡支箱梁，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單元，墩體之間通過主從自由度實現(xiàn)簡支約束。橋梁的有限元模型如圖13所示。

圖13 機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高速鐵路無砟軌道不平順譜，考慮到國內(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，分析也考慮了德國軌道低干擾譜作為軌道不平順激勵。

(4)根據(jù)線路的設(shè)計情況，設(shè)計運行速度以350 km/h為主。研究中列車運行速度按250，300，350 km/h 三個速度等級進(jìn)行分析。根據(jù)該速度等級，選取CRH380B作為研究車輛。

3.3 動力學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)

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

表1 列車運行安全性指標(biāo)

表2 列車乘坐舒適性指標(biāo)

表3 橋梁動力響應(yīng)評定指標(biāo)

4 沖擊振動對高鐵橋梁及行車的動力影響

4.1 分析工況

沖壓氣錘工作時為周期性作用，根據(jù)實測結(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)域為5跨32 m簡支梁橋，正常運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)域時間為2 s。因此每組行車工況僅需考慮1次地面沖擊振動，且需要確保沖擊振動作用時列車剛好經(jīng)過此橋梁。

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

圖14 地面振動激勵波形

沖壓機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)果作為外部激勵輸入到模型中，加載示意如圖15所示。計算時不僅考慮了距振源80 m的地面振動作為激勵，也選取了距振源50 m的地面振動作為激勵進(jìn)行分析，以期獲得較為惡劣工況下的振動響應(yīng)作為參考。

圖15 外部激勵加載示意

考慮到運營速度等因素，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)各動力響應(yīng)隨行車速度的變化規(guī)律。

4.2 沖擊振動作用對車橋動力影響分析

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

由圖16可知，地面振動對橋梁響應(yīng)會產(chǎn)生一定的影響，距振源50 m處地面振動對橋梁所產(chǎn)生的響應(yīng)較另兩種情況明顯，而對輪軌力幾乎無影響。并且地面振動對車輛動力學(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處地面振動激勵作用下相比于無地面振動激勵作用下各結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大的情況。距振源越近，對各結(jié)構(gòu)的影響也就越大。

表4 各結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大情況對照

為了分析地面沖擊振動對不同車速下列車-軌道-橋梁動力學(xué)的影響，提取了相關(guān)結(jié)構(gòu)的動力學(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 不同地面激勵作用下系統(tǒng)響應(yīng)

表5 地面振動與行車速度下的運行安全性響應(yīng)幅值

表6 地面振動與行車速度下的運行平穩(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，無地面振動激勵、距振源50 m處、80 m處的地面振動激勵作用下各工況的車-橋動力響應(yīng)不同。對研究中所考察的各項動力學(xué)指標(biāo)而言，各項響應(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的情況，各項動力學(xué)指標(biāo)均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。總體而言，研究中所考慮的地面振動對車-橋系統(tǒng)的動力學(xué)影響均很小，對行車安全性與平穩(wěn)性均不構(gòu)成威脅。

表7 地面振動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傳播至高鐵橋梁橋墩處對列車-軌道-橋梁系統(tǒng)的動力學(xué)影響，通過分析得到的結(jié)論概括如下。

(1)現(xiàn)場實測結(jié)果表明，機械廠氣錘沖擊導(dǎo)致的地面振動隨距離增大而迅速衰減，距振源30～50 m后以垂向振動為主，且傳播至橋墩位置處的振動已經(jīng)非常小。

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

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