城際軌道交通加勁鋼桁梁橋車橋耦合動力性能研究

摘要：文章根據車橋耦合振動分析理論，針對穗莞深城際軌道交通東江南特大橋主橋（143+264+143）m加勁鋼桁梁橋采用空間有限元建立全橋動力分析模型，對橋梁的空間自振特性進行計算，并對該橋梁在CRH2動車組列車通過下進行車輛和橋梁振動耦合性能研究，評價該橋的自身的動力特性和CRH2動車組通過時運行的舒適性和安全性，為該橋的設計提供參考依據。

關鍵詞：城際軌道交通；加勁鋼桁梁橋；車橋耦合；動力性能；橋梁工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：U448 文章編號：1009-2374（2017）04-0098-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.050

1 概述

近年來，隨著鐵路車輛行車速度不斷提高，使得車輛與結構動力相互作用這一話題日益得到廣泛的關注。列車-橋梁空間耦合振動分析模型是由車輛計算模型、橋梁計算模型按一定的輪軌運動關系聯系起來而組成的系統，車橋耦合的研究是運用車輛動力學與橋梁結構動力學的研究方法，將車輛與橋梁看作一個聯合動力體系。檢算橋梁的自振頻率、跨中豎向與橫向動位移、跨中豎向與橫向加速度、墩頂橫向位移與加速度；檢算機車車輛的安全性和舒適度指標，包括脫軌系數、輪重減載率、豎橫向加速度及Sperling舒適度指標。評價橋梁的動力性能以及列車運行安全性與舒適性，為梁橋的設計提供參考依據。列車-橋梁空間耦合振動分析模型是由車輛計算模型、橋梁計算模型按一定的輪軌運動關系聯系起來而組成的系統，按照振動的相關方法來進行計算。

2 項目概況及橋梁分析模型的建立

東江南特大橋位于穗莞深城際軌道交通洪梅至深圳機場段，該橋主橋為（143+264+143）m加勁鋼桁連續梁，最高設計速度140km/h，二期恒載106.0kN/m。該橋主桁為“N”字型，由上弦桿、下弦桿、加勁弦和腹桿組成，加勁弦高36m。兩片主桁的橫向中心距（桁寬）13m，桁高18m，主橋跨度布置為（143+264+143）m。主梁采用加勁鋼桁梁，兩片主桁的橫向中心距（桁寬）13m，平行弦桁架高18m。加勁弦部分呈懸索狀，最高36m，全橋除邊墩、中墩部分斜腹桿設置橋門架外。橋面采用正交異性板鋼橋面，主桁中心距13m，線間距4.2m，道碴槽（內到內）7.9m，鋼桁梁：主桁下弦、上弦、加勁弦采用Q370qE鋼；桁腹桿和吊桿截面編號為14、17、18、25、27～32者采用Q370qE鋼，其余采用Q345qD鋼；橋面系、平聯、橫聯等采用Q345qD鋼。

分別采用軟件MIDAS和橋梁結構動力分析軟件BDAP，來建立穗莞深城際軌道交通東江南特大橋主橋加勁鋼桁梁方案的動力分析模型。將橋面、主桁、加勁弦及橋墩等離散為相應類型單元，最終得到全橋動力分析模型。模型中單元共2547個，節點1353個。

3 橋梁自振特性分析

東江南特大橋主橋加勁鋼桁梁橋，主桁寬13m，中跨寬跨比1/20，加勁弦部分呈懸索狀，最高達36m，這相對提高了主梁的豎向剛度，豎彎基頻較大0.79Hz，出現在第3模態；橫向剛度則較弱，橫向彎曲作為第1振型出現，該模態縱向和豎向沒有參與質量，而橫向參與質量比占7.56%；東江南特大橋主橋中墩高34.2m，主梁和墩之間在177#墩設置固定支座，這使得結構在第2階出現縱漂振型。該模態豎向參與質量比占0.04，而縱向參與質量比達到30.69%；由于加勁桁及橫聯的貢獻，使得主梁具有較大的抗扭剛度，結構扭轉振型在第7階出現，扭頻為1.17Hz，扭彎頻率比為，且該模態縱向和豎向均沒有參與質量，豎向參與質量比僅占0.3%，因此本橋結構具有足夠的抗風性能和良好的抗震性能。

4 車橋耦合動力仿真分析

根據前述計算模型與計算原理，運用BDAP對該梁進行車輛和橋梁的動力響應分析，從而得到車輛和橋梁的動力參數，其中包括Sperling指標、CRH2動車組車輛的橫向和豎向加速度的最大值、列車的脫軌系數、車輪的輪重減載率指標、該橋梁對應的橫向和豎向的振動情況的加速度、橋梁最大位移、橋梁墩頂的振動加速度參數、橋梁墩頂部的位移參數，導出了這些動力作用下而產生的時程曲線。在國產CRH2動車組作用下計算得到的橋梁位移響應，加速度響應，車輛響應。

5 主要結論

針對穗莞深城際軌道交通東江南特大橋主橋加勁鋼桁梁橋，計算了地基土層和樁基的相互影響，采用通用有限元軟件，建立該橋動力作用的模型，首先，對該橋的自振情況進行了分析；其次，對該橋在國產CRH2高速列車作用下的車橋空間耦合振動進行了分析，用Sperling指標來評價車輛作用下乘車的舒適性。參考《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（GB 5599-85）和《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》（TB/T 2360-93）兩本規范標準評價了該橋的車橋耦合性能。其主要結論如下：

5.1 橋梁自振特性分析

全橋橫向一階自振頻率為0.47Hz，對應一階橫向自振周期為2.14s；全橋豎向一階自振頻率為0.79Hz，對應一階豎向自振周期為1.27s。

5.2 橋梁振動性能

在CRH2動車組以速度80～160km/h過橋時，如表3所示，加勁鋼桁梁橫向、豎向位移及加速度，墩頂橫向位移及橫向加速度均滿足限值要求。

5.3 列車行車安全性與舒適性

在CRH2列車以速度80～160km/h通過東江南特大橋主橋加勁鋼桁梁橋時，動車和拖車的脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內，高速列車行車安全性可以得到保障。國產CRH2動車組以速度80～160km/h通過時，該橋的豎向和橫向舒適性均達到“優良”。

參考文獻

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作者簡介：施永恒（1983-），碩士。

（責任編輯：王 波）