橋墩溫度變化對橋上道岔動力特性的影響

徐 浩，林紅松，曹 保，潘自立

(1.廣州航海學(xué)院土木與工程管理學(xué)院,廣州 510725; 2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,成都 610031)

引言

道岔是鐵路線路的薄弱環(huán)節(jié),是影響行車平穩(wěn)性與安全性的關(guān)鍵設(shè)備[1]。隨著高速鐵路的發(fā)展,我國先后研制了時速250 km和350 km系列高速道岔。列車-道岔系統(tǒng)耦合動力學(xué)理論是研究列車過岔時的動態(tài)行為以及評估高速列車過岔時安全性和平穩(wěn)性的基礎(chǔ),為此,國內(nèi)外學(xué)者對列車-道岔系統(tǒng)動力學(xué)進行大量研究[2-5]。如王平[2]基于輪軌系統(tǒng)動力學(xué),結(jié)合道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)自身特點,研究了道岔區(qū)多點輪軌接觸關(guān)系,率先建立列車-道岔空間耦合動力學(xué)分析理論;陳嶸等[3-5]建立了完整的車輛-道岔-橋梁耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型,并研究了道岔結(jié)構(gòu)參數(shù)、橋梁跨度、等寬與變寬連續(xù)梁等不同因素對橋上無縫道岔動力特性的影響規(guī)律;GURULE等[6]利用Nucars軟件研究了車輛通過道岔時的動態(tài)響應(yīng);SCHUPP等[7]研究了道岔區(qū)的輪軌多點接觸在多體動力學(xué)仿真中的實現(xiàn)方法;KASSA等[8]則采用多體動力學(xué)軟件GENSYS實現(xiàn)了列車-道岔動力學(xué)模型的建立,并研究了列車-道岔耦合系統(tǒng)的動態(tài)力學(xué)響應(yīng);陳小平等[9]基于車輛-道岔耦合動力學(xué)模型,研究了軌道剛度對250 km/h客運專線無砟道岔動力特性的影響;SEBES等[10]基于多點赫茲接觸理論,研究了列車通過道岔時的接觸應(yīng)力及等效應(yīng)力等動態(tài)影響;陳伯靖等[11]基于有限元軟件ABAQUS建立車輛-道岔-無砟道床-高架橋梁耦合動力學(xué)模型,研究了橋梁墩臺沉降對系統(tǒng)動力特性的影響規(guī)律;辛濤[12]基于Fortran和ANSYS建立了列車-無砟道岔-橋梁耦合系統(tǒng),研究了高速鐵路無砟道岔的動力特性;伍曾等[13]基于車輛-道岔-橋梁耦合動力學(xué),研究了道岔與橋梁的合理相對位置;李倉楠[14]基于SIMPACK和ABAQUS聯(lián)合仿真建立了車岔橋系統(tǒng)動力學(xué)模型,研究了無砟道岔的動力特性;王平[15]、高亮等[16]針對橋上道岔,建立了列車-道岔-橋梁耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型,研究了高速列車通過橋上道岔時的動力響應(yīng),并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了對比驗證;王慧東等[17]針對韓江大橋,研究了道岔連續(xù)梁上車橋耦合振動響應(yīng);WANG等[18]模擬評估了列車通過道岔時的脫軌風(fēng)險;劉冀等[19]研究了車輪磨耗對高速車輛側(cè)向通過道岔時動力特性的影響。

盡管國內(nèi)外學(xué)者針對列車-道岔系統(tǒng)動力學(xué)、列車-道岔-橋梁系統(tǒng)動力學(xué)進行了不少研究,研究內(nèi)容涵蓋列車-道岔空間耦合理論、車-岔-橋耦合動力學(xué)、道岔脫軌仿真等方面,但均未考慮橋墩變形引起的軌道不平順對車-岔-橋系統(tǒng)動力特性的影響,為此有必要研究溫度荷載下橋墩變形對橋上道岔系統(tǒng)動力特性的影響。

某高速鐵路18號道岔位于(40+56+40) m變寬連續(xù)梁上,受地理環(huán)境限制,該連續(xù)梁的橋墩高度差異較大,相鄰橋墩的高度差最大達到29.5 m。以該高墩差連續(xù)梁上道岔為研究對象,建立車輛-道岔-橋梁耦合動力學(xué)模型,研究了溫度作用下橋墩變形對高速列車安全性和平穩(wěn)性、道岔變形的影響,從而為高墩差大跨連續(xù)梁上道岔設(shè)計和鋪設(shè)提供參考。

1 工程概況

某高速鐵路設(shè)計速度為350 km/h,正線采用雙塊式無砟軌道。兩組18號單開道岔(客專07(009))對稱位于(40+56+40) m的變寬連續(xù)梁上,道岔的岔心距右側(cè)梁端55.66 m,橋梁總布置為8×32 m簡支梁+(40+56+40) m變寬連續(xù)梁+(68+68) m連續(xù)T構(gòu)。橋梁及道岔布置如圖1所示。

變寬道岔梁的橋墩從左至右編號依次為8號、9號、10號和11號,橋墩高度分別為23.5,22.0,40.5 m和70 m。道岔梁相鄰橋墩高度差最大為10號和11號橋墩,墩高差為29.5 m。由于目前高速道岔主要鋪設(shè)于主跨48 m的連續(xù)梁上,且高墩及相鄰墩高差在溫度作用下引起的豎向變形可能對道岔的動力學(xué)特性有影響,因此,有必要對高速列車通過道岔的安全性和平穩(wěn)性進行評估。

2 列車-道岔-橋梁耦合動力學(xué)模型及驗證

2.1 列車-道岔-橋梁耦合動力學(xué)模型

利用多體動力學(xué)軟件UM建立CR400型高速動車組模型,將車體、轉(zhuǎn)向架、輪軌等均視為剛體,忽略其彈性變形;一系、二系懸掛采用彈性原件模擬,建立的車輛模型包含50個自由度。在UM軟件中,道岔的模擬考慮道岔線型及鋼軌截面沿道岔縱向的變化,具體做法同文獻[20],輪軌接觸采用非線性赫茲接觸理論進行求解,利用UM軟件建立的列車-道岔模型如圖2所示。

圖2 列車-道岔耦合模型Fig.2 Coupling model of vehicle-turnout

根據(jù)文獻[5]可知,對于橋上無砟道岔,可將鋼軌直接與橋面連接,橋軌關(guān)系體現(xiàn)為鋼軌與橋梁的相互作用,基于此建立的橋上無砟道岔有限元模型如圖3所示。橋梁兩側(cè)為路基,為消除邊界條件的影響,模型中橋梁兩側(cè)路基長度為120 m。

圖3 橋上無砟道岔有限元模型Fig.3 Finite element model of ballastless turnout on bridge

列車-道岔-橋梁耦合動力學(xué)建模的基本思路是通過在多體動力學(xué)軟件中建立車輛和剛性道岔模型,與ANSYS橋上道岔有限元模型中的軌道變形進行實時交互迭代,從而達到列車-道岔-橋梁耦合的目的。

2.2 計算參數(shù)

車輛采用CR400型標(biāo)準(zhǔn)動車組,車輛的主要計算參數(shù)如表1所示。

表1 CR400型動車組參數(shù)Table 1 Parameters of CR400 multiple units

道岔采用60 kg/m 18號可動心道岔(客專(07)009),道岔全長69 m,前長31.729 m,后長37.271 m,軌距1 435 mm,平面線型為切線型,導(dǎo)曲線半徑1 100 m,尖軌采用彈性可彎結(jié)構(gòu),尖軌跟端按限位器設(shè)計,道岔平面線型如圖4所示。道岔直向容許通過速度為350 km/h,側(cè)向容許通過速度為80 km/h。簡支梁和變寬道岔梁的典型參數(shù)如表2所示。

表2 橋梁截面參數(shù)Table 2 Bridge section parameters

圖4 道岔平面線型[21](單位:mm)Fig.4 Plane alignment of turnout[21] (unit: mm)

2.3 模型驗證

為驗證車輛-道岔-橋梁系統(tǒng)耦合動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性與可靠性,不考慮橋墩高度差的影響,計算時僅考慮道岔結(jié)構(gòu)本身的不平順,分析高速列車直向過岔和側(cè)向過岔時系統(tǒng)動力特性,并與相關(guān)文獻進行對比驗證。具體計算工況如下。

工況一:動車組以385 km/h直向過岔,不考慮高墩變形的影響。

工況二:動車組以90 km/h側(cè)向過岔,不考慮高墩變形的影響。

對比文獻[14]中的計算工況為高速列車以385 km/h速度直向通過4×32 m變寬連續(xù)梁上18號無砟道岔,對比文獻[15]中的計算工況為高速列車以385 km/h速度直向通過6×32 m連續(xù)梁上18號無砟道岔,實測數(shù)據(jù)為京滬高鐵徐州東站橋上無砟道岔動力測試結(jié)果,測試速度為300～325 km/h。

本文計算結(jié)果與相關(guān)文獻的對比結(jié)果如表3所示。

表3 計算結(jié)果對比Table 3 Comparison of calculation results

從表3可知,由于本文分析的道岔梁及道岔布置與對比文獻存在一定差異,相關(guān)指標(biāo)分析結(jié)果也存在一定差異。但從車體垂向和橫向加速度、輪軌垂向力、橫向力、尖軌開口量、心軌開口量等數(shù)據(jù)看,本報告計算結(jié)果與對比文獻[14-15]及實測動力結(jié)果吻合度基本良好;由于本文采用主跨56 m連續(xù)梁,其橋梁豎向抗彎剛度與32 m連續(xù)梁存在較大差異,故鋼軌垂向位移、橋梁垂向位移較對比文獻[14-15]大。

綜合來看,本文計算結(jié)果與文獻[14-15]及實測動力結(jié)果吻合良好,說明本文采用的計算方法具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性,能用于高速列車-無砟道岔-橋梁系統(tǒng)耦合動力學(xué)分析。

3 計算結(jié)果分析

3.1 計算工況

為評估高速列車過岔的安全性和平穩(wěn)性,軌道不平順除了考慮道岔結(jié)構(gòu)不平順外,還考慮橋梁高墩差引起的軌道不平順?？紤]最不利工況,即橋墩溫度變化取為±30 ℃,計算工況如下。

工況一:橋墩升溫30 ℃,動車組以385 km/h直向過岔。

工況二:橋墩降溫30 ℃,動車組以385 km/h直向過岔。

工況三:橋墩升溫30 ℃,動車組以90 km/h側(cè)向過岔。

工況四:橋墩降溫30 ℃,動車組以90 km/h側(cè)向過岔。

由于橋墩溫度變化30 ℃,引起的道岔區(qū)鋼軌不平順如圖5所示。

圖5 橋墩溫度變化引起的鋼軌不平順Fig.5 Rail irregularity due to the temperature variation of bridge pier

從圖5可知,橋墩升降溫對鋼軌豎向變形影響較大,當(dāng)橋墩溫度變化為30 ℃時,鋼軌的最大豎向變形為20.97 mm,出現(xiàn)在橋墩最高處,即11號橋墩處。

3.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)TB/T 3301—2013《高速鐵路道岔技術(shù)條件》和文獻[5],車輛-道岔-橋梁系統(tǒng)動力學(xué)性能的評價指標(biāo)及限值如表4所示。

表4 車輛-道岔-橋梁動力學(xué)性能評價指標(biāo)Table 4 Dynamic performance evaluation index of vehicle-turnout-bridge

3.3 直向過岔

當(dāng)考慮橋墩高度差引起的軌道不平順,且動車組以385 km/h速度直向過岔時,車輛-道岔-橋梁耦合系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)如圖6所示。

圖6 車輛-道岔-橋梁耦合系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)Fig.6 Dynamic responses of coupling system of vehicle-turnout-bridge

從圖6可知,考慮橋墩變形引起的不平順后,不同工況下輪軌垂向力和橫向力與不考慮橋墩變形的情況類似。

降溫工況下前軸輪軌垂向力最大為130.13 kN,輪軌橫向力為7.45 kN;脫軌系數(shù)最大值為0.09,輪重減載率最大為0.59;車體橫向振動加速度為0.13 m/s2,車體垂向振動加速度為0.42 m/s2;道岔區(qū)鋼軌垂向位移為1.44 mm,道岔尖軌開口量0.063 mm,心軌開口量0.061 mm;橋梁振動加速度最值為0.336 m/s2。

升溫工況下前軸輪軌垂向力最大為131.59 kN,輪軌橫向力為6.96 kN;脫軌系數(shù)最大值為0.09,輪重減載率最大為0.63;車體橫向振動加速度為0.12 m/s2,車體垂向振動加速度為0.43 m/s2;道岔區(qū)鋼軌垂向位移為1.54 mm,道岔尖軌開口量0.067 mm,心軌開口量0.059 mm;橋梁振動加速度最值為0.331 m/s2。

可見,當(dāng)考慮橋墩升、降溫時,高速列車以385 km/h速度直向通過連續(xù)梁上道岔時,系統(tǒng)動力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.4 側(cè)向過岔

當(dāng)考慮橋墩高度差引起的軌道不平順,且動車組以90 km/h速度側(cè)向過岔時,車輛-道岔-橋梁耦合系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)如表5所示。

表5 側(cè)向過岔時系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)Table 5 System dynamic responses during lateral crossing

由表5可知,當(dāng)考慮橋墩升、降溫時,高速列車以90 km/h速度側(cè)向通過連續(xù)梁上道岔時,系統(tǒng)動力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

綜上,考慮橋墩變形引起的軌道不平順后,相對于不考慮橋墩變形,主要是車體垂向振動加速度增大,但其他指標(biāo)均滿足高速列車安全性和平穩(wěn)性要求,這是由于橋墩變形引起的不平順為長波不平順,主要影響高速列車的平穩(wěn)性。

4 結(jié)論

以相鄰橋墩高墩差變寬連續(xù)梁上道岔為研究對象,建立了車輛-道岔-橋梁耦合動力學(xué)模型,研究了溫度作用下相鄰橋墩高度差對橋上道岔動力學(xué)的影響,在本文的工程條件下,得到如下結(jié)論。

(1)通過與相關(guān)文獻及實測數(shù)據(jù)對比可知,建立的車輛-道岔-橋梁耦合動力學(xué)模型具有一定的正確性和可靠性。

(2)橋墩升溫30 ℃時,直向過岔時車體垂向振動加速度從0.05 m/s2增大至0.42 m/s2,側(cè)向過岔時從0.04 m/s2增大至0.10 m/s2。

(3)橋墩降溫30 ℃時,直向過岔時車體垂向振動加速度從0.05 m/s2增大至0.43 m/s2,側(cè)向過岔時從0.04 m/s2增大至0.10 m/s2。

(4)當(dāng)相鄰橋墩高差為29.5 m時,橋墩高差僅對車體垂向振動加速度有影響,對輪軌力、車輛安全性、平穩(wěn)性和道岔變形基本無影響,且均滿足規(guī)范的限值要求。相關(guān)研究成果可為高墩差變寬連續(xù)梁上道岔的設(shè)計與鋪設(shè)提供參考。