集包第二雙線鐵路跨210國道大橋的車橋振動分析

王連春+郭薇薇+姚杰

摘 要：橋梁的動力特性分析是評定橋梁結構安全性和適用性的關鍵因素之一，也是評定橋梁安全運營和檢測維修的重要基礎。該文以集包第二雙線鐵路跨210國道大橋為背景，首先對橋梁的自振特性進行了計算分析，然后對橋梁在德國ICE-3型動車組以不同速度通過時的動力響應以及橋上車輛的走行性能進行了數值計算，根據計算結果對橋梁結構和橋上運行車輛的安全性做出評價，為該橋日后的運營提供必要的理論支撐，也為改進同類拱橋的設計和結構布置提供參考。

關鍵詞：集包第二雙線鐵路 系桿拱 鋼管混凝土 自振特性 車橋振動

中圖分類號：U44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（b）-0113-04

集包第二雙線鐵路位于華北地區內蒙古西部，屬于京包通道西段，是我國“八縱八橫”鐵路網主骨架之一的京蘭通道的重要組成部分。該線東起內蒙古自治區烏蘭察布市，西至包頭市，途經呼和浩特市，是中國與蒙古國、俄羅斯開展經貿合作的主要運輸通道，也是蒙西地區煤炭外運和大秦鐵路相連的重要通道。全長308 km，總投資162.2億元。設計標準為國鐵Ⅰ級，客貨共線，速度目標值為160 km/h，預留200 km/h條件，其中呼包段列車控制系統一次實施CTCS-2，具備開行時速200 km動車的條件。

跨210國道特大橋是集包第二雙線鐵路的一項重點工程，全橋總計232孔，長約3859.86 m。沿途跨越210國道和既有鐵路線，是集包鐵路全線跨數最多、架梁工序最為復雜、施工難度最大的一座特大橋。大橋引橋采用跨度32 m預應力混凝土簡支T梁。主橋上部結構采用跨度64 m預應力混凝土簡支系桿拱，矢跨比為1/5；拱肋采用鋼管混凝土結構，啞鈴型截面，拱高2.2 m；弦管內灌注C50微膨脹混凝土，上、下弦管間以鋼墜板連接；系桿拱全跨共設10對吊桿，采用整束擠壓的鋼絞線成品索；梁體采用等截面預應力混凝土箱梁，單箱雙室截面，梁高1.7 m，頂板厚35 cm，底板厚30 cm，跨中邊腹板及中腹板厚分別為70 cm和35 cm。主橋下部結構采用圓端形實體橋墩，墩高9.1 m。

對于鐵路常用跨度橋梁的動力性能在設計階段已經進行了大量的車橋耦合動力仿真分析工作，而對于特殊結構的橋梁，由于剛度條件和結構形式各異，需要對其進行專門車橋振動分析[1-3]，從而對結構的動力性能和車輛走行性做出分析和評估，確定在各種狀態下的使用可靠性，為日后的運營提供必要的理論支撐。

1 跨210國道大橋主橋自振特性分析

根據橋梁的特點，采用大型結構有限元分析軟件Midas對該橋建立了三維模型。建模時，分別采用梁單元和板單元來模擬主拱、邊拱及吊桿橫梁和橋面系；對吊桿和系桿采用只受拉的單元模擬；在計算中將兩根相鄰的吊桿簡化為一根處理；邊界條件按橋梁的實際受力情況進行簡化，滑動支座采用鉸接，拱橋拱肋與主梁之間采用剛性連接，見圖1所示。

橋梁前20階自振特性的計算結果見表1所示。通過計算可知橋梁的一階振型為拱圈的橫向振動，自振頻率為0.875 Hz；橋梁的二階振型為主梁的反對稱豎彎振動，自振頻率為2.792 Hz；主梁的橫彎振動出現在結構第五階振型，自振頻率為4.071 Hz。計算結果滿足我國《鐵路橋梁檢定規范》中規定的橋跨結構自振頻率的限值要求[4]。

2 車橋動力響應計算結果及性能評價

近年來，隨著行車速度的不斷提高，交通密度的日益增加，荷載的日益加重，車輛與橋梁的動力相互作用問題越來越受到人們的重視[5-8]。一方面，高速運行的車輛會對橋梁結構產生動力沖擊作用，使結構發生振動，直接影響橋梁的工作狀態和使用壽命；另一方面，橋梁的振動又會對運行車輛的平穩性和安全性產生影響，這就使得橋梁結構的振動狀態成為了評價結構動力設計參數合理與否的重要指標。因此，對車輛-橋梁動力相互作用系統進行綜合研究，以便對橋梁結構的動力性能和橋上運行車輛的走行性做出動力分析和評估，確定它們在各種狀態下的使用可靠性，是合理進行橋梁結構設計的實際需要。

計算中選用的列車為德國ICE-3型動力分散獨立式高速列車，采用16節編組：（3動+1拖）×4，計算車速為200～400 km/h。采用不平順樣本序列全長2000 m，不平順測點間距0.5 m，其高低不平順幅值為11.80 mm，水平不平順幅值為10.79 mm。

圖2給出了當車速為200 km/h時，主梁的橫、豎向位移響應時程曲線。根據數值仿真計算結果可知，此時由運行列車引起的橋梁最大橫、豎向位移約為0.06 mm、2.32 mm，均發生在橋梁跨中截面。

圖3給出了當車速為200 km/h時，橋上車輛的橫、豎向振動加速度響應的時程曲線。此時，車輛在橋上的最大橫、豎向加速度約為0.405 m/s2、0.612 m/s2，均出現在動車車體。

2.1 橋梁動力性能評價

通過車橋耦合振動仿真分析，跨210國道大橋主橋在德國ICE-3動車組以200～400 km/h速度通過時引起的最大橫、豎向振幅和橫、豎向加速度響應的計算值及評價見表2所示。

從表2中可見，在運行列車作用下，橋梁各項動力響應計算值較小，遠小于規范限值，表明在本文的計算工況下，橋梁的動力性能良好。

2.2 車輛走行性能評價

橋上車輛的運行安全性和平穩性的評價見表3、4所示。從表中可見，當德國ICE-3動車組以200～400 km/h車速通過時，車輛的豎向加速度、豎向Sperling指標分別為日常保養和優秀；而橫向加速度隨著車速的增大從日常保養狀態逐漸下降到舒適度狀態，橫向Sperling指標也從優秀逐漸過渡到良好。

3 結語

集包第二雙線鐵路跨210國道大橋在德國ICE-3高速動車組列車以200～400 km/h的速度通過時，橋梁的動力性能良好；車輛的各項安全性指標不超限；車輛的其他各項平穩性指標均為良好以上，表明該橋不僅可以較好地滿足車速200 km/h的運營條件，還適應于250～350 km/h的高速行車要求。

參考文獻

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