橋梁剛度對橋梁豎向動撓度的影響分析

李興權

(承德石油高等專科學校資產與后勤管理處，河北 承德 067000)

隨著我國高速鐵路行車速度的不斷提高，高速鐵路的不斷推廣運行，列車質量和載重的不斷增加，特別是近幾年來越來越多的高速鐵路相繼投入運行，高速列車與鐵路橋梁之間的相互動力作用越來越受到人們的重視。一方面，車輛在橋梁上高速運行會對結構產生一個沖擊力，影響橋梁的工作狀態和使用壽命，另外一方面，橋梁本身的震動會影響車輛的平穩性和安全性。

表1例舉了我國部分已經運行的鐵路橋梁和鐵路總長度對比，從表中我們可以很明顯的發現，橋梁在高速鐵路的建設中占有很大的比重。

本文通過以移動的四分之一車輛模型(車輪加輪對加轉向架)模擬車輛荷載，采用大型有限元分析軟件ANSYS來比較和分析橋梁剛度對橋梁結構動力性能的影響。

表1 高速鐵路橋梁比重

1 模型建立

以四分之一車輛模型模擬列車，主要考慮在橋梁剛度變化情況下橋梁上三個典型節點(左右兩側四分之一處節點和跨中節點)，本分析中橋梁的剛度變化由橋梁的彈性模量變化表示，考慮的基本行車速度為300 km/h。考慮橋梁結構的剛度變化范圍為:0.5×1010N/m2～9.5×1010N/m2。

2 數值模擬及分析結果

2.1 橋梁剛度對結構豎向動撓度的影響

圖2繪制了橋梁結構在車速為300 km/h時，不同剛度橋梁的三個典型點的動撓度曲線。從圖中可以發現，對于高速鐵路橋梁，隨著橋梁剛度的不斷增大，橋梁的撓度有明顯的減小，橋梁結構的豎向動撓度曲線隨著橋梁剛度的增大變得越來越平緩。彈性模量為1.5×1010N/m2和彈性模量為3.5×1010N/m2之間，橋梁的撓度減少的非常多，曲線變化非常明顯，但是橋梁剛度由3.5×1010N/m2改變至7.5×1010N/m2之間，橋梁的剛度變化卻很小，三條曲線比較接近，說明在一定的范圍內提高橋梁的剛度可以有效的控制橋梁的豎向動撓度，但是隨著橋梁剛度的不斷增大，這種變化越來越不明顯，在這種情況下，通過提高橋梁剛度的辦法來控制橋梁的豎向動撓度是不經濟合理的，但是總的規律是:橋梁結構的豎向動撓度是隨著橋梁剛度的增加而減少的。

表2 橋梁結構在不同剛度下最大豎向動撓度

表2列出了橋梁剛度變化下橋梁三個典型節點的最大豎向動撓度。從其中的數據我們可以看到，以橋梁的左側四分之一點為例，當橋梁剛度由0.5×1010N/m2變化為1.5×1010N/m2時，橋梁的豎向動撓度減少了5.099，橋梁剛度由1.5×1010N/m2變化為2.5×1010N/m2時，橋梁的豎向動撓度減少了1.046，橋梁剛度由2.5 ×1010N/m2變化為3.5 ×1010N/m2時，橋梁的豎向動撓度減少了0.419，依此計算，隨著橋梁剛度的增加，橋梁的豎向動撓度值減少值 0.222、0.134、0.056、0.045、0.038、0.031。從中可以看到，橋梁結構的豎向動撓度值的變化總體趨勢是越來越小，但是受剛度的影響也越來越小。為了更清楚的表示橋梁豎向動撓度和橋梁剛度之間的關系，繪制出圖3。

圖3清晰的表示出不同剛度下同一節點的豎向動撓度變化情況。可以很清晰的發現，隨著剛度的不斷提高，豎向動撓度不斷減少，這和理論的計算是相符合的。從圖中還可以看出，橋梁結構的豎向動撓度和橋梁剛度之間并不是線性關系，呈現出非線性的特性，尤其是在橋梁結構的剛度不是很大的時候這種非線性關系越顯著，所以，在一定的范圍內提高橋梁的剛度對控制橋梁的豎向震動是十分有效的，本例中，橋梁結構的彈性模量取值為為3.5×1010N/m2，對比圖3的三個節點動撓度變化曲線我們可以看出，這一取值是合理經濟的。

3 結論

本文通過數值模擬計算的研究分析方法，對簡支梁橋的豎向動撓度和橋梁的剛度之間的關系做了簡單的分析對比和研究，利用ANSYS有限元分析軟件對高速列車通過不同剛度的橋梁進行簡單的動態模擬，得到橋梁的豎向動力響應和橋梁的剛度之間的關系，通過分析得出如下結論:

1)橋梁的豎向動撓度隨著橋梁剛度的變化而變化，提高橋梁的剛度可以有效的控制橋梁的豎向動撓度。

2)在適當的范圍內提高橋梁的剛度，可以有效的控制橋梁的動撓度，達到既經濟又有效的效果，隨著橋梁剛度的不斷提高，通過提高橋梁剛度的方法不能有效的控制橋梁的撓度。

3)橋梁的豎向動撓度與橋梁結構的剛度之間并不是簡單的線性關系，而是更加復雜的非線性關系。

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