列車荷載作用下臨時(shí)裝配式鋼橋動(dòng)力響應(yīng)

白永明 曹立朋

摘 要：為了研究在列車荷載作用下鐵路裝配式臨時(shí)應(yīng)急鋼橋的動(dòng)響應(yīng)，本文建立了車-橋耦合振動(dòng)系統(tǒng)模型，并對(duì)其運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行研究，在列車不同時(shí)速下，分析了行車安全性以及橋梁動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)比了列車不同時(shí)速通過橋梁時(shí)對(duì)臨時(shí)鋼橋動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)列車時(shí)速為60 km/h通過橋梁時(shí)，車輛與橋梁的動(dòng)力響應(yīng)符合規(guī)范要求;隨著列車運(yùn)行時(shí)速增加，車輛和橋梁的動(dòng)力響應(yīng)也相應(yīng)增大，但影響曲線是屬于非線性的;列車的最大通行速度建議為80 km/h。

關(guān)鍵詞：車-橋耦合;裝配式橋梁;行車安全性;UM軟件;響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TU476? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2022）03-0016-03

0引言

鐵路車輛通過橋梁時(shí)，車-橋耦合效應(yīng)會(huì)引起橋梁斷裂或者列車脫軌。為了研究車-橋耦合效應(yīng)，很多專家做出巨大貢獻(xiàn)。陳英俊等簡(jiǎn)化車-橋模型，建立了車-橋-墩系統(tǒng)模型并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證[1];李旺旺等為分析重載列車作用下鋼桁梁橋的動(dòng)力性能，建立了空間重載鐵路與跨度48 m鋼桁梁橋耦合振動(dòng)模型，對(duì)軌道不平順、列車軸重和列車速度等因素進(jìn)行系統(tǒng)分析[2];蔡小楊等為了研究單軌列車與雙層橋面鋼桁梁動(dòng)力學(xué)性能，建立了車-橋空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，在不同車速作用下，研究了列車的動(dòng)力響應(yīng)并評(píng)估了行車安全性[3];朱志輝等基于Ansys-Matlab聯(lián)合仿真的車-橋耦合分析方法，研究了移動(dòng)列車引起鋼桁梁橋局部應(yīng)力;雷虎軍等采用自編的車-軌-橋-地震分析程序，研究了脈沖參數(shù)對(duì)車-橋耦合系統(tǒng)動(dòng)響應(yīng);熊鷹為研究多線鐵路大跨度鋼桁梁橋耦合振動(dòng)規(guī)律，建立了列車與多線鋼桁梁橋耦合動(dòng)力模型，分析了列車通過該橋時(shí)的橋梁動(dòng)力響應(yīng)。上述文獻(xiàn)對(duì)車-橋耦合研究?jī)H針對(duì)混凝土橋梁以及鐵路鋼桁梁，而對(duì)鐵路裝配式的臨時(shí)應(yīng)急鋼橋動(dòng)力響應(yīng)研究較少。

為了保證行車安全性，在移動(dòng)車輛荷載作用下，研究鐵路裝配式臨時(shí)應(yīng)急鋼橋的動(dòng)力響應(yīng)。通過建立車-橋耦合系統(tǒng)的振動(dòng)分析模型，采用UM軟件進(jìn)行仿真，求解不同時(shí)速下的車-橋動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的變化規(guī)律。

1工程背景

本文以中鐵十二局北京市通州區(qū)廣渠路東延下穿通東機(jī)場(chǎng)專用線框架橋工程為背景，研究施工現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)的鐵路臨時(shí)應(yīng)急鋼橋的車橋動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。廣渠路東延（怡樂西路至東六環(huán)路）起點(diǎn)接怡樂西路高架橋，終點(diǎn)與東六環(huán)相交，路線沿現(xiàn)況通朝大街，運(yùn)河?xùn)|、西大街布線，全長(zhǎng)約7.6 km，該道路分為地面道路及地下道路兩系統(tǒng)，伴隨地下道路同步建設(shè)市政綜合管廊。廣渠路東延需要下穿通東機(jī)場(chǎng)專用線鐵路，該專用線鐵路為61267部隊(duì)產(chǎn)權(quán)，起點(diǎn)為通州站，終點(diǎn)為通東機(jī)場(chǎng)，南北走向，非電氣化有縫鐵路，采用43 kg/m軌，鐵路路肩與兩側(cè)地面基本齊平，為單線鐵路。為保證基坑開挖后鐵路盡可能早地恢復(fù)交通，上跨基坑假設(shè)鐵路臨時(shí)應(yīng)急鋼橋，跨度設(shè)計(jì)為（14+40+14） m單線，以貨運(yùn)為主，采用現(xiàn)場(chǎng)拼組的結(jié)構(gòu)形式完成施工，橋梁現(xiàn)場(chǎng)拼組見圖1。

2車-橋耦合系統(tǒng)模型

2.1 建立車輛系統(tǒng)模型

鐵路車輛由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)等主要部件構(gòu)成，車體與轉(zhuǎn)向架間通過二系懸掛裝置相連、轉(zhuǎn)向架與輪對(duì)間通過一系懸掛裝置相連，懸掛裝置多為彈簧-阻尼器，則列車為多自由度振動(dòng)體系。車體、轉(zhuǎn)向架與輪對(duì)均有沿X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度以及繞X、Y、Z方方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，共計(jì)6個(gè)自由度，分別對(duì)應(yīng)為伸縮、橫移、沉浮、搖頭、側(cè)滾、點(diǎn)頭6種基本振動(dòng)形式，每節(jié)車有一個(gè)車體、兩個(gè)轉(zhuǎn)向架、四個(gè)輪對(duì)，共計(jì)7個(gè)剛體，42個(gè)自由度。

車輛模型按照C70型貨車參數(shù)建立，由三節(jié)貨車車輛組成，C70型貨車車輛模型見圖2。

2.2 建立橋梁系統(tǒng)模型

臨時(shí)鋼橋利用有限元軟件ansys建模，橋梁全長(zhǎng)40.7 m，采用solid185單元，單元數(shù)共計(jì)846 465個(gè)，橋梁有限元模型如圖3，橋梁振動(dòng)特性見表1，橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型見圖4。

2.3 車橋系統(tǒng)的建立

利用動(dòng)力學(xué)原理建立車輛方程，矩陣形式如下：

（1）

橋梁采用有限元法建模，振動(dòng)方程矩陣形式如下：

（2）

式中[cv]、[kv]、[mv]、[cb]、[kb]、[mb]分別為車輛、橋梁的阻尼、剛度、質(zhì)量矩陣，{?}、{?}、{u}是相應(yīng)的加速度、速度、位移向量，{pv}為作用于車輛上的輪軌力、{pb}為車輛通過輪軌作用于橋梁上的作用力。{pv}、{pb}是作用于車輛、橋梁上的輪軌力。

采用赫茲非線性理論，輪軌力方程確定如下：

（3）

（4）

式中pri（t）、pli（t）分別為左/右軌的豎向力;ω為輪對(duì)軸重;zωi（t）為第i個(gè)輪對(duì)在t時(shí)刻的動(dòng)位移;zri（t）、zli（t）分別為左右軌第i個(gè)輪對(duì)在t時(shí)刻對(duì)應(yīng)鋼軌位置的豎向位移;G為輪軌接觸常數(shù)，錐形踏面車輪的輪軌接觸常數(shù)取4.57r0-0.149×10-8m/N2/3。

建立車-橋耦合振動(dòng)方程后，利用UM軟件進(jìn)行計(jì)算。Universal Mechanism（UM）程序是一款多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，由俄羅斯Bryansk State Technical University力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)。通過UM前處理軟件與ANSYS軟件聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)外部子系統(tǒng)和內(nèi)部車-軌系統(tǒng)耦合，形成車-橋耦合模擬，采用采用Park求解器，蠕變力算法采用FASTSIM，求解車-橋耦合系統(tǒng)（圖5）。9ACE96D3-02A5-479D-BA21-0456D911058B

3車-橋耦合仿真動(dòng)力響應(yīng)

列車過橋時(shí)會(huì)引起橋梁振動(dòng)，列車行車時(shí)的安全性和平穩(wěn)性是最關(guān)注因素。為保證車輛行車安全性，需計(jì)算橋梁跨中豎向撓度、加速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全指標(biāo)。本節(jié)列車時(shí)速取60km/h，軌道不平順取美國(guó)五級(jí)軌道譜，輪對(duì)為L(zhǎng)MA踏面，鋼軌采用RAIL60型軌。

4結(jié)論

通過車-橋動(dòng)力學(xué)響應(yīng)可以得出如下結(jié)論：

（1）列車時(shí)速為60 km/h時(shí)，三節(jié)滿載C70型貨車通過臨時(shí)鋼橋時(shí)引起的車體和橋梁動(dòng)力響應(yīng)符合規(guī)范安全限值。

（2）隨著速度提高，車輛和橋梁動(dòng)力響應(yīng)總體呈增大趨勢(shì)，呈非線性增加趨勢(shì)。

（3）列車速度為80 km/h時(shí)，車橋動(dòng)響應(yīng)增幅過大，接近安全限值，因此列車過橋時(shí)的安全速度建議不超過80 km/h。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏禾，陳英俊.車-梁-墩體系動(dòng)力相互作用分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，1992，25（2）：3-12.

[2] 李旺旺，季文玉，朱力，等.重載車橋耦合作用下48m鋼桁梁橋動(dòng)力性能[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2020（1）：31-37.

[3] 蔡小楊，李小珍，王雷，等.大跨度公軌兩用鋼桁梁斜拉橋車橋耦合效應(yīng)及影響參數(shù)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2021，18（8）：2 097-2 104.

Dynamic Response of Temporary Assembled Steel Bridge under Train Load

BAI Yongming， CAO Lipeng

（The Third Engineering Co.， Ltd. of China Railway 12th Bureau Group， Taiyuan? Shanxi? 030024）

Abstract： In order to study the dynamic response of the railway fabricated temporary emergency steel bridge under the action of train load， this paper establishes a vehicle-bridge coupled vibration system model， and studies its operation law， and analyzes the safety of trains under different train speeds. As well as the dynamic response of the bridge， the influence laws of the dynamic response of the temporary steel bridge when the train passes through the bridge at different speeds are compared. The results show that when the train passes the bridge at a speed of 60km/h， the dynamic response of the vehicle and the bridge meets the requirements of the specification; as the operating speed of the train increases， the dynamic response of the vehicle and the bridge also increases， but the influence curve is non-linear ; The recommended maximum speed of the train is 80km/h.

Keywords： vehicle-bridge coupling; fabricated bridge; traffic safety; UM software; response

收稿日期：2022-01-04

作者簡(jiǎn)介：白永明（1986—），男，吉林洮南人，本科，副高級(jí)工程師，研究方向：市政工程。9ACE96D3-02A5-479D-BA21-0456D911058B