車—橋耦合系統(tǒng)振動(dòng)性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

裴小杰

摘 要：隨著我國軌道交通高速重載的發(fā)展趨勢，橋梁工程作為線路的咽喉，其車-橋耦合分析對于保證橋梁的安全和車輛的舒適至關(guān)重要，針對各國不同的車-橋耦合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，做出了詳細(xì)的總結(jié)和對比，為后續(xù)車-橋耦合系統(tǒng)的分析提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車-橋耦合；振動(dòng)性能；評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.022

0 引言

隨著我國“一路一帶”戰(zhàn)略的不斷深入，軌道交通業(yè)得到了迅速的發(fā)展，而橋梁工程在線路工程中的比例也不斷增加，橋梁作為其咽喉工程，面對頻發(fā)的鐵路安全事故，為保證人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，橋梁的安全性以及車輛的舒適性能至關(guān)重要。列車通過橋梁時(shí)將引起橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，而這種振動(dòng)會(huì)反作用于車輛的振動(dòng)，這種相互作用與影響稱之為車-橋耦合振動(dòng)[1]。這種相互作用，不僅與橋梁自身特性有關(guān)，而且還取決于車輛行駛速度、類型、編組情況、輪軌接觸以及線路狀況[3]。

車-橋耦合系統(tǒng)包括橋梁子系統(tǒng)和車輛子系統(tǒng)，用輪軌相互作用進(jìn)行連接。車輛過橋時(shí)將產(chǎn)生振動(dòng)，若這種振動(dòng)超過一定的允許范圍，則會(huì)影響列車的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。如果正常的輪軌關(guān)系被破壞，將造成脫軌甚至車輛傾覆。對于橋梁結(jié)構(gòu)，如果車輛過橋時(shí)發(fā)生共振，將會(huì)導(dǎo)致橋梁垮塌，造成嚴(yán)重的危害?，F(xiàn)在各個(gè)國家對于車-橋耦合系統(tǒng)的評價(jià)執(zhí)行各自的標(biāo)準(zhǔn)，本文旨在對各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而能夠針對某一座橋梁的車-橋耦合系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)提供評判標(biāo)準(zhǔn)，不僅保證了橋梁的安全和穩(wěn)定也對車輛安全和行車舒適提供了依據(jù)[2]。

1 車-橋耦合評價(jià)系統(tǒng)分類

整個(gè)耦合系統(tǒng)可以分為橋梁振動(dòng)評價(jià)指標(biāo)和車輛運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)，其中橋梁振動(dòng)評價(jià)指標(biāo)又包括橋梁動(dòng)力響應(yīng)評價(jià)和橋梁自振特性評價(jià)，車輛運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)包括車輛安全性與平穩(wěn)性評價(jià)。

2 橋梁動(dòng)力性能評定及標(biāo)準(zhǔn)

橋梁作為車輛通行的重要工具，其安全性直接影響到車輛的通行安全，不同國家都頒布了相關(guān)規(guī)范、準(zhǔn)則對車輛通過橋梁時(shí)的動(dòng)力性能進(jìn)行評價(jià)，如歐洲鐵路聯(lián)盟（UIC）的“EUROCODE”規(guī)范，日本的《鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、《鐵道構(gòu)造物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（鐵道綜合技術(shù)研究所），德國的鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范，我國的《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函[2004]120號）、《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB10002.1-99）、《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》（TB10621-2009）等規(guī)范都提出了相應(yīng)的規(guī)定和限值。

2.1 橋梁自振頻率

日本研究所[3]規(guī)定貨車或客車范圍內(nèi)，橋梁橫向自振頻率在110/L與120/L之間。日本標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定對于高速鐵路橋梁的豎向自振頻率（單位為Hz）應(yīng)大于等于55L-0.8。前蘇聯(lián)采用自振周期衡量橋梁橫向剛度為：跨徑小于150m時(shí)，T小于等于0.012L；跨徑大于150m時(shí)，T小于等于1.8。我國規(guī)范[5]規(guī)定低合金鋼桁梁橋橫向自振頻率為大于等于90/L。我國其他規(guī)范[6]給出橋梁自振頻率限值為：

以上規(guī)范均表示跨度，單位m。

2.2 橋梁振幅和加速度

（1）橋梁橫向振幅。日本國鐵研究所[3]給出的限值為：貨車速度時(shí)橋梁最大振幅在，客車速度時(shí)橋梁最大振幅在。我國規(guī)范[5]對低合金鋼桁梁橋橫向水平幅值限定為小于等于L/2.2B，表示跨度，單位m；為鋼桁梁橋主梁中心距，單位m。

（2） 橋梁振動(dòng)加速度.我國規(guī)范[7]對橋梁跨中豎向振動(dòng)加速度規(guī)定為小于等于0.35g。我國規(guī)范[5]對橋梁結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)加速度限值規(guī)定為小于等于0.14g。

2.3 橋梁變位標(biāo)準(zhǔn)

我國規(guī)范[8]規(guī)定車輛的新建、改建標(biāo)準(zhǔn)軌距的鐵路橋梁，簡支桁梁橋豎向撓度容許值限定為小于等于L/900。日本標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定時(shí)速為的電車及內(nèi)燃動(dòng)車荷載作用于的單跨橋梁時(shí)為小于等于L/900。

3 車輛振動(dòng)性能評定及標(biāo)準(zhǔn)

車-橋耦合振動(dòng)研究中對于車輛子系統(tǒng)的振動(dòng)性能評定主要包括車輛運(yùn)行安全性評定和車輛運(yùn)行平穩(wěn)性評定。車輛運(yùn)行安全性主要根據(jù)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等指標(biāo)評定；車輛運(yùn)行平穩(wěn)性主要根據(jù)車體振動(dòng)加速度（垂向、橫向振動(dòng)加速度）和平穩(wěn)性指標(biāo)評定。

3.1 車輛運(yùn)行安全性標(biāo)準(zhǔn)

（1）脫軌系數(shù)。脫軌系數(shù)是作用在單側(cè)車輪上的橫向力和垂向力的比值，主要作用時(shí)防止輪對脫軌[9]，Nadal公式為：

式中，為車輪的輪緣角；為輪軌接觸點(diǎn)處滑動(dòng)摩擦系數(shù)；為單側(cè)輪對的橫向力；為單側(cè)輪對的垂向力[9]。我國規(guī)范[10]對機(jī)車的脫軌系數(shù)規(guī)定： 小于等于0.6為優(yōu)良。各國對脫軌系數(shù)的控制限值規(guī)定如下，歐洲鐵路聯(lián)盟小于等于1.2；德國高速試驗(yàn)小于等于0.8；日本提速試驗(yàn)小于等于0.8；北美鐵路小于等于1.0。

（2）輪重減載率.輪重減載率為輪對橫向力時(shí)，因一側(cè)車輪嚴(yán)重減載導(dǎo)致脫軌的安全性指標(biāo)。其值為減載側(cè)輪對的輪重減載量與輪對的平均靜輪重之比，記為。我國規(guī)范[11]對車輛的輪重減載率規(guī)定，小于等于0.65為危險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，小于等于0.6為允許標(biāo)準(zhǔn)。我國其他規(guī)范[12]-[14]規(guī)定則為小于等于0.6。

（3）輪軌橫向力。我國規(guī)范[11]對輪軌橫向力Q的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：

式中，為同一個(gè)輪對上左右兩個(gè)車輪橫向力之和，單位為kN。歐美鐵路根據(jù)試驗(yàn)，一般取0.4倍軸重作為橫向力的允許限度，即要求[14]小于等于0.4Pw，為靜軸重（kN）。我國其他暫行規(guī)定[14]限值為小于等于0.8kN。

（4）輪軌垂向力。德國規(guī)范規(guī)定輪軌垂向力小于等于170kN。我國規(guī)范[85]采用的設(shè)計(jì)動(dòng)輪載為300 kN。

3.2 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)

（1）車體振動(dòng)加速度。我國規(guī)范[11]對車輛振動(dòng)加速度指標(biāo)規(guī)定：車輛的豎向加速度（m/s?）對于貨車要小于等于0.70g，客車要小于等于0.20g；車輛的豎向加速度（m/s?）對于貨車要小于等于0.50g，客車要小于等于0.15g。我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]對機(jī)車車體振動(dòng)加速度指標(biāo)的規(guī)定：機(jī)車車體豎向加速度（m/s?）小于2.45為優(yōu)良，機(jī)車車體橫向加速度（m/s?）小于1.47為優(yōu)良。歐洲規(guī)范規(guī)定車體垂向振動(dòng)加速度的評定標(biāo)準(zhǔn)：車體垂向振動(dòng)加速度（cm/s?）小于100為優(yōu)秀，小于130為良好，小于200為合格。

（2）舒適度指標(biāo)。有ISO2627法、等舒適度評定法及平穩(wěn)性評定法，其中，平穩(wěn)性評定法即所謂的Sperling指標(biāo)是應(yīng)用最廣泛的評定方法。

我國規(guī)范[11]給出了車輛的Sperling計(jì)算公式：

4 結(jié)論

（1）根據(jù)車-橋耦合系統(tǒng)振動(dòng)的特點(diǎn)，對車-橋動(dòng)力相互作用性能評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行簡要闡述；（2）結(jié)合歐洲規(guī)范、日本規(guī)范、我國規(guī)范以及試驗(yàn)研究成果給出了車-橋耦合振動(dòng)研究的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；（3）對橋梁動(dòng)力性能各項(xiàng)指標(biāo)（自振頻率，豎、橫向振幅、豎、橫向振動(dòng)加速度等）提出相應(yīng)的限值，形成統(tǒng)一的評價(jià)體系；（4）對車輛振動(dòng)性能各項(xiàng)指標(biāo)（安全性指標(biāo)：脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力；穩(wěn)定性指標(biāo)：車體振動(dòng)加速度（豎、橫向）、Sperling指標(biāo)）提出相應(yīng)的限值，形成統(tǒng)一的評價(jià)體系。

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