環(huán)境溫度場(chǎng)對(duì)鐵路鋼-混組合橋梁列車走行性的影響

岳奕町 劉麗芳

【摘 要】?由于鋼-混組合橋梁導(dǎo)熱系數(shù)存在顯著差異，環(huán)境溫度場(chǎng)對(duì)鋼-混組合橋梁的結(jié)構(gòu)行為影響較大。對(duì)于高海拔地區(qū)的鋼-混組合橋梁，環(huán)境溫度效應(yīng)可能影響列車行駛安全與舒適性。文章以藏區(qū)某鐵路雙線簡(jiǎn)支鋼箱-混凝土組合梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過固-熱耦合數(shù)值仿真分析研究其環(huán)境溫度場(chǎng)以及溫致效應(yīng)，并基于車-橋耦合振動(dòng)分析理論，進(jìn)行溫致效應(yīng)下的鋼-混組合橋梁列車走行性數(shù)值仿真分析。研究結(jié)果表明：溫度效應(yīng)引起的軌道豎向變形比軌道橫向變形更大，兩側(cè)軌道的橫向變形差異較豎向變形差異更大;溫度效應(yīng)對(duì)車輛運(yùn)行的安全性、組合梁的動(dòng)力性能影響不大，對(duì)車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性有一定影響。

【關(guān)鍵詞】鋼-混組合橋梁; 環(huán)境溫度場(chǎng); 溫度效應(yīng); 車橋耦合振動(dòng); 列車走行性

鋼-混組合橋梁因良好的力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性得到廣泛應(yīng)用[1]。由于鋼材的熱傳導(dǎo)系數(shù)是混凝土的50倍左右，鋼-混組合橋梁的溫度效應(yīng)比較突出[2-3]。既有研究表明，鋼-混組合橋梁的環(huán)境溫度場(chǎng)與現(xiàn)行規(guī)范有所差異[4-6]。從靜力學(xué)角度，溫度效應(yīng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力可能導(dǎo)致橋梁局部破壞，影響結(jié)構(gòu)性能;從動(dòng)力學(xué)角度，溫度效應(yīng)導(dǎo)致的橋梁變形可作為系統(tǒng)激勵(lì)的一部分，可能影響行車安全性與舒適性。既有研究表明，考慮環(huán)境溫度作用后大跨度橋梁的列車走行性可能發(fā)生較明顯變化，列車安全性及舒適性指標(biāo)有所降低[7-13]。

現(xiàn)有考慮環(huán)境溫度作用的橋梁列車走行性研究多針對(duì)大跨度鋼橋或混凝土橋本文針對(duì)一座四川藏區(qū)鋼-混組合橋梁，通過固-熱耦合分析研究橋梁的環(huán)境溫度效應(yīng);基于車-橋耦合振動(dòng)分析理論，研究溫致效應(yīng)下該橋的列車走行性，以期為該類橋梁結(jié)構(gòu)建造提供參考借鑒。

1 鋼-混組合梁橋溫致效應(yīng)

研究對(duì)象為一座40 m簡(jiǎn)支鋼箱組合梁，截面形式見圖1。組合梁高4 m，寬12 m，混凝土板厚0.35 m，為雙線鐵路橋，軌道中心線距橋梁中心線2.2 m，每跨有12道橫梁。

為了消除初始溫度的不確定性所帶來的誤差，本文分析了在同樣的氣候條件下4天內(nèi)的逐小時(shí)溫度響應(yīng)，取溫度曲線基本穩(wěn)定的第四天的溫度場(chǎng)進(jìn)行后續(xù)溫度變形的計(jì)算。

1.2 橋梁溫度變形

采用間接分析法進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，將橋梁溫度場(chǎng)作為體荷載加載到結(jié)構(gòu)中，逐小時(shí)分析結(jié)構(gòu)24 h溫度效應(yīng)。設(shè)置合龍溫度為20 ℃，其他主要計(jì)算參數(shù)見表2。

溫度效應(yīng)的分析通常包括結(jié)構(gòu)整體和局部的應(yīng)力與位移情況，本文主要分析車橋動(dòng)力響應(yīng)受溫度效應(yīng)的影響，因此集中分析結(jié)構(gòu)變形。以橋面跨中豎向位移為標(biāo)準(zhǔn)，提取正、負(fù)溫差下橋梁鋼軌處最不利橫豎向變形曲線。根據(jù)圖3可知，跨中豎向位移最大為5.88 mm，出現(xiàn)在6：00，負(fù)溫差下橋梁整體上拱見圖4（a）;跨中豎向位移最小為-5.36mm，出現(xiàn)在18：00，正溫差下橋梁整體下?lián)弦妶D4（b）。提取6：00和18：00時(shí)刻?hào)|側(cè)軌道線路的兩側(cè)軌道位置處橋梁的位移曲線，作為相應(yīng)軌道的變形，如圖5所示。由圖可知，鋼軌豎向變形大于橫向變形，東西兩側(cè)鋼軌的豎向變形差距微小。

2 車橋耦合振動(dòng)分析

2.1 車橋耦合模型

以多剛體動(dòng)力學(xué)理論在UM軟件中建立CRH2空間車輛模型，每節(jié)車由1個(gè)車體、2 個(gè)構(gòu)架、8個(gè)軸箱和4 個(gè)輪對(duì)共15個(gè)剛體組成。整車系統(tǒng)有兩系懸掛，且考慮了各減振器的非線性特性。車體、構(gòu)架和輪對(duì)均有6個(gè)自由度，每個(gè)軸箱有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，加上二系橫向減振器和坑蛇形減振器的粘彈性力元的附加自由度，每節(jié)車共有58個(gè)自由度。車輛編組為4動(dòng)4拖八節(jié)車。

軌道模型可分為連續(xù)彈性基礎(chǔ)梁模型和連續(xù)彈性點(diǎn)支承模型。連續(xù)彈性基礎(chǔ)梁模型把鋼軌視作彈性支撐在軌下結(jié)構(gòu)上的Winkler地基梁;連續(xù)彈性點(diǎn)支承模型將鋼軌按軌枕間距以離散的彈性-阻尼力元支承。后者相比前者是更精細(xì)的軌道模型，而結(jié)合本文的研究需求，選擇計(jì)算效率更高的連續(xù)彈性基礎(chǔ)梁模型，也就是UM軟件中的無質(zhì)量軌道模型。

鋼軌采用的 60 kg/m 鋼軌（CN60軌），車輪踏面為L(zhǎng)MA磨耗型踏面，輪軌接觸采用基于Kalker簡(jiǎn)化理論的Fastsim算法。軌道不平順采用中國(guó)高速鐵路軌道譜，考慮溫度效應(yīng)的工況要分別疊加6：00和18：00的軌道處橋梁橫、豎變形。

采用基于固定界面的Craig-Bampton模態(tài)綜合法將熱-結(jié)構(gòu)耦合分析中的橋梁有限元模型導(dǎo)入到UM軟件中，作為車橋耦合模型中的柔性橋梁子系統(tǒng)?？紤]溫度變形造成的梁端轉(zhuǎn)角是影響車橋動(dòng)力響應(yīng)的重要因素，設(shè)置三跨簡(jiǎn)支梁橋，梁間伸縮縫為30 mm。

2.2 車橋耦合計(jì)算

兩種典型的車橋相互作用分析方法分別為分離法和耦合法。以往分離法應(yīng)用較多，它將車輛系統(tǒng)和橋梁系統(tǒng)分割開來計(jì)算，可以得到比較有用的橋梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但由于車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)并未考慮到橋梁柔性的影響，因此車輛的安全性、平穩(wěn)性和乘坐舒適性指標(biāo)并不能反映實(shí)際情況。而耦合法考慮車輛系統(tǒng)和橋梁系統(tǒng)的交互作用（迭代）：當(dāng)車輛運(yùn)行到橋梁上時(shí)，車輛荷載會(huì)使車輪下方（輪軌接觸點(diǎn)處）鋼軌、軌枕、道床和橋梁等軌下結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形和剛性位移，形成總的鋼軌位移，鋼軌位移和速度的變化會(huì)改變作用在車輪上的接觸力，該力又反作用于鋼軌，傳遞到軌下結(jié)構(gòu)，引起新的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。故選擇耦合法進(jìn)行計(jì)算。

頭車距橋梁30 m，前10 m無軌道不平順，積分步長(zhǎng)0.005 s。車輛行駛方向由南向北，從東側(cè)線路上橋，仿真距離380 m。分別計(jì)算對(duì)比車輛160 km/h、180 km/h、200 km/h、220 km/h、240 km/h的速度通過橋梁，在橋梁無溫度變形、6：00整體上拱和18：00整體下?lián)锨闆r下的車橋動(dòng)力響應(yīng)。

3 車橋系統(tǒng)響應(yīng)

3.1 橋梁動(dòng)力響應(yīng)

圖6給出了第二跨簡(jiǎn)支梁在各工況下的跨中橫向位移、加速度和橫向位移、加速度與車速的關(guān)系。由圖可知橋梁動(dòng)力響應(yīng)受溫度效應(yīng)影響較小，這是由于軌道溫度變形屬于長(zhǎng)波不平順，而橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)多由短波不平順控制。車速180 km/h時(shí)橋梁的橫向位移和加速度突然變大，可能是產(chǎn)生了共振。

3.2 車輛動(dòng)力響應(yīng)

圖7給出了動(dòng)車組第一節(jié)車（拖車）的第一個(gè)輪對(duì)在各工況下輪重減載率、脫軌系數(shù)和橫向輪軌力與車速的關(guān)系。由圖可知車輛的運(yùn)行安全性受溫度效應(yīng)影響較小。

圖8給出了車輛在各工況下車體橫豎向加速度和Sperling指標(biāo)與車速的關(guān)系，由圖可知車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性受溫度效應(yīng)影響較大。車體橫向加速度與橫向Sperling指標(biāo)在6：00橋梁整體上拱時(shí)最為不利，車體豎向加速度與豎向Sperling指標(biāo)在18：00橋梁整體下?lián)蠒r(shí)最為不利。車速200 km/h時(shí)，18：00的車體豎向加速度b無溫度變形工況下的百分差最大，達(dá)到了44.38 %。6：00橋梁整體上拱對(duì)車輛橫向加速度的影響隨車速的增加而增大（表3）。

4 結(jié)論

（1）日照條件下，逐小時(shí)分析鋼箱組合梁的溫度變形，得到跨中豎向位移中最大值出現(xiàn)在6：00，橋梁整體上拱;最小值出現(xiàn)在18：00，橋梁整體下?lián)?。東側(cè)線路的兩側(cè)鋼軌的豎向位移相差不大，橫向位移有一定差距。

（2）將溫度變形與軌道不平順組合作為車橋系統(tǒng)激勵(lì)，對(duì)比不同車速及不同溫度工況下的車橋響應(yīng)，組合梁橋的動(dòng)力響應(yīng)和車輛運(yùn)行安全性受溫度效應(yīng)影響不大，而車輛運(yùn)行舒適性，特別是車輛豎向加速度受溫度效應(yīng)影響較大。所有車橋響應(yīng)指標(biāo)均在規(guī)范限值內(nèi)。

（3）車輛豎向加速度受溫度效應(yīng)影響程度與車速?zèng)]有明顯關(guān)聯(lián)，而車輛橫向加速度受溫度效應(yīng)影響程度隨車速的增大而增大。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉永健，高詣民，周緒紅，等. 中小跨徑鋼-混凝土組合梁橋技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2017，30（3）：1-13.

[2] 周勇超，胡圣能，宋磊，等. 鋼-混凝土組合梁的溫度驟變效應(yīng)分析[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2013，13（1）：20-26.

[3] 賀君，劉玉擎，李傳習(xí)，等. 鋼-混凝土組合簡(jiǎn)支梁橋溫度影響因素及分布模式[J]. 公路交通科技，2016，33（11）：63-68.

[4] 劉麗芳. 鋼-混凝土組合梁溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)，2019.

[5] 周愛國(guó). 鋼-混凝土組合梁的溫度響應(yīng)分析[J]. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，9（2）：39-43.

[6] 劉永健，劉江，張寧，等. 鋼-混凝土組合梁溫度效應(yīng)的解析解[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2017，17（4）：9-19.

[7] 鄧雙. 橋面溫度及徐變變形對(duì)連續(xù)梁框架墩橋列車走行性影響研究[D]. 長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)，2012.

[8] 唐志. 鋼管混凝土梁—拱橋徐變及溫度變形對(duì)車橋系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)影響研究[D]. 長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)，2009.

[9] 王凡，郭向榮. 考慮徐（溫）變的連續(xù)梁拱橋車橋耦合振動(dòng)分析[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版，2009，28（6）：986-990.

[10] 朱志輝，劉杰，周智輝，等. 考慮溫度變形的大跨度拱橋行車動(dòng)力響應(yīng)分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2019，36（3）：26-31.

[11] 尹邦武，楊峰，郭向榮，等. 溫度變形對(duì)大跨度鋼箱系桿拱橋車橋動(dòng)力響應(yīng)的影響[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，10（6）：21-27.

[12] 孫奇，張楠，王小寧. 簡(jiǎn)支鋼梁溫度效應(yīng)對(duì)高速鐵路運(yùn)行安全性的影響[J]. 鐵道建筑，2013（12）：10-14.

[13] 田園，張楠，孫奇，等. 溫度效應(yīng)對(duì)鐵路鋼橋行車性能影響研究[J]. 振動(dòng)與沖擊，2015，34（12）：94-100.

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