高速鐵路簡支梁橋豎向動撓度和行車速度之間關(guān)系的研究

1、高速鐵路簡支梁橋豎向動撓度和行車速度之間關(guān)系的研究 摘 要：在高速鐵路建設(shè)中，橋梁占有很大部分比例。隨著高速鐵路的建設(shè)與發(fā)展，行車速度的不斷提高，而且高速鐵路橋梁對橋梁豎向變形的要求也非常嚴(yán)格。本文主要分析了在行車速度不斷提高的前提下，橋梁結(jié)構(gòu)的豎向動撓度和行車速度之間的關(guān)系。 關(guān)鍵詞：車橋耦合；速度；簡支梁 近幾年來，我國高速鐵路建設(shè)比較迅速。越來越多的高鐵和動車相繼投入運行。鐵路的行車速度不斷提高，運載量也不斷加大。高速鐵路橋梁和高速鐵路車輛之間的相互影響關(guān)系也更多的受到人們的關(guān)注和研究。西南交通大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)等多所高校一直致力于這方面的研究與分析。本文擬通過建立四分之一車輛模型，綜

2、合考慮輪對、轉(zhuǎn)向架、車體的慣性力及其相互作用，采用有限元分析軟件ansys來研究和比較行車速度對簡支梁橋動撓度的影響1-3。 1 模型的建立 用移動車輪、轉(zhuǎn)向架、車體組成的四分之一車輛模型模擬實際運行的高速列車勻速運行通過一跨度為標(biāo)準(zhǔn)長度的簡支橋梁的的情況，采用大型有限元分析軟件建立適當(dāng)?shù)牡哪Ｐ?，對?biāo)準(zhǔn)跨度簡支橋梁的豎向位移進(jìn)行仿真模擬計算和分析。在本分析和計算中，簡支橋梁模型不考慮橋梁本身不平整的影響，也不考慮橋梁本身的粗糙度以及地震作用和風(fēng)荷載對車輛、橋梁以及車輛與橋梁之間相互關(guān)系的影響。同時也不考慮車輛上橋之前的初始震動和運行狀態(tài)，理想的認(rèn)為車輛是勻速的，沒有震動的狀態(tài)下上橋，并且勻速運

3、行通過橋面。 本分析只考慮簡支梁在豎向的變形，鑒于其受力特點決定采用二維梁單元beam3。對于輪對質(zhì)量和車體質(zhì)量，由于只分析其沿簡支梁長度方向的水平移動和隨簡支梁在垂直方向的位移，鑒于其受力和位移的方向特點采用mass21。在本文選用的四分之一車模型中，要綜合考慮作為車體的質(zhì)量與作為轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量之間的彈簧與阻尼作用、作為質(zhì)量的轉(zhuǎn)向架與簡化為質(zhì)量的車輪之間的彈簧阻尼作用，鑒于其受力特點采用的單元為combin14。 本文橋梁模型采用一投入運行的高速鐵路箱梁，材料基準(zhǔn)數(shù)據(jù)如下：材料c50砼，混凝土彈性模量近似取為3.5104kpa，考慮到路面做法等因素混凝土的密度近似取為=2500kg/m3。簡支

4、橋梁參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)跨徑取為32m，箱型斷面總高度取實際高度2.8m，橋梁總寬度為13m，橋梁的斷面截面積為8.29m2，慣性矩計算得8.64m4。 簡支橋梁的單元劃分由兩方面決定：1、橋梁上車輛的運行速度；2、簡支橋梁的長度。在本文的分析和計算中，將簡支梁橋均勻通過101個節(jié)點劃分為100個單元，25節(jié)點、51節(jié)點、75節(jié)點把橋梁分成四份，取這三個節(jié)點分別為左側(cè)四分之一節(jié)點、跨中節(jié)點、右側(cè)四分之一節(jié)點。 車體參數(shù)如下：車輪質(zhì)量1.887噸，車身質(zhì)量36.8噸，車體和輪對之間的轉(zhuǎn)向架質(zhì)量5.36噸，輪對和轉(zhuǎn)向架之間彈簧剛度和阻尼取k1=2180kn/m，c1=150kn/ms，轉(zhuǎn)向架和車體之間彈

5、簧剛度及阻尼參數(shù)取為：k2=760kn/m，c2=1500kn/ms。 2.1 數(shù)值模擬及結(jié)果分析 本文考慮的速度變化范圍按車速由5300（km/h）考慮計算，本文主要考慮和分析和對比研究的是標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋梁結(jié)構(gòu)在速度為5km/h、50km/h、100km/h、200km/h、300km/h五種不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)的豎向動撓度變化情況。 不同速度下結(jié)構(gòu)的動撓度情況。 圖1 各節(jié)點最大動撓度曲線 通過圖1對比出32m簡支梁橋上各個節(jié)點在速度為5km/h、50km/h、100km/h、200km/h、300km/h下橋梁結(jié)構(gòu)各個節(jié)點的最大豎向動撓度，從圖中我們可以看出：隨著列車速度的提高，橋梁上各個節(jié)點

6、的最大豎向動撓度都有所增加，也就是說，隨著行車速度的不斷增加，橋梁的各個節(jié)點的最大豎向動撓度都是逐漸增大的。通過曲線的形狀也可以看出，在本分析中，簡支梁橋的最大豎向動撓度的發(fā)生位置并不是在簡支梁的中部，而是發(fā)生于中部附近的節(jié)點。 通過圖2我們可以看出三個不同節(jié)點在不同車輛速度下的豎向動撓度，從中我們可以看出在速度不是很高（v=50km/h，v=100km/h）的情況時，本分析所選取的三個節(jié)點的動撓度是沒有什么規(guī)律的，仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)線可以發(fā)現(xiàn)，各點的豎向位移都是近似的以不確定的頻率圍繞v=5km/h狀態(tài)下的橋梁撓度的波動，這種波動類似與正弦曲線，隨著行車速度的的不斷提高，這種類似與正弦的波動的波動

7、頻率變低，波動的幅度變大，波動的周期邊長。 圖2 橋梁結(jié)構(gòu)在不同車輛速度下的動撓度 通過表1中的數(shù)據(jù)和圖2可以對比出：當(dāng)速度為50km/h時，跨中節(jié)點、左四分節(jié)點、右四分節(jié)點的豎向動撓度分別為橋梁在靜態(tài)車速下豎向動撓度的102%、103%、103%；當(dāng)車速為100km/h時，跨中節(jié)點、左四分節(jié)點、右四分節(jié)點的豎向動撓度分別為橋梁在靜態(tài)車速下豎向動撓度的104%、107%、107%；當(dāng)車速為200km/h時，跨中節(jié)點、左四分節(jié)點、右四分節(jié)點的豎向動撓度分別為橋梁在靜態(tài)車速下豎向動撓度的117%、114%、116%；當(dāng)車速為300km/h時，跨中節(jié)點、左四分節(jié)點、右四分節(jié)點的豎向動撓度分別為橋梁在

8、靜態(tài)車速下動撓度的116%、123%、111%；綜合以上動撓度的數(shù)據(jù)對比可以看出：在行車速度不是很高的情況下，行車速度對橋梁上三個節(jié)點的影響不是很大，但是隨著行車速度的不斷提高，行車速度對橋梁上三個節(jié)點豎向動撓度的影響會逐漸增大。同時從上面的數(shù)據(jù)可以得出，橋梁豎向動撓度的提高并不是與車速成正比的。 表1 不同節(jié)點在車速不同下的最大動撓度 2 結(jié)論 （1）隨著行車速度的提高，橋梁豎向的動撓度總體變化的趨勢是變大的。 （2）橋梁最大豎向動撓度不一定發(fā)生在橋梁的跨中，經(jīng)常發(fā)生在跨中前后。 （3）橋梁的豎向動撓度和行車速度之間并非是簡單的線性關(guān)系，而是更加復(fù)雜的曲線關(guān)系。 參考文獻(xiàn)： 1錢仲候.高速鐵路概論m.北京：中國鐵道出版社，1999（第二版）. 2鐵道部工程管理中心，鐵道科學(xué)研究院.高速鐵路技術(shù)m.北京：中國鐵道出版社，2003. 3xia he，zhang nan.dynamic analysis of hi