變高度雙層鋼桁結(jié)合梁風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)性能分析

舒 鵬

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都 610031)

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展，關(guān)于車橋耦合這方面的研究也越來越多，其主要目的是保證列車在高速行駛下的安全性。李永樂[1]等考慮了車輛位置對(duì)風(fēng)-車-橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)影響研究，葛盛昌[2]等證實(shí)設(shè)置風(fēng)屏障能夠保證列車在11級(jí)以上大風(fēng)的安全性。雖然風(fēng)-車-橋研究是個(gè)熱點(diǎn)，但目前對(duì)變高度雙層鋼桁結(jié)合梁對(duì)風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)性能研究還是很少。與常規(guī)桁架橋相比，橋梁結(jié)構(gòu)特性顯著不同，尤其局部出現(xiàn)變截面，對(duì)風(fēng)和列車的作用可能更加敏感[3-5]，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)以重視。

某大橋在修建之際,研究風(fēng)-車-橋系統(tǒng)的動(dòng)力行為特點(diǎn)對(duì)評(píng)價(jià)橋梁和車輛的安全性具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。某大橋(方案)主橋橋面寬31 m。橋型為變高度雙層鋼桁結(jié)合梁，跨度布置為(121+276+121) m。本文以該橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)比分析了風(fēng)-車-橋系統(tǒng)中風(fēng)速、車速、車輛位置及車輛荷載情況下對(duì)車橋振動(dòng)性能的影響，以此評(píng)價(jià)變高度雙層鋼桁結(jié)合梁風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)特點(diǎn)。

1 CFD模擬

由于此橋斷面結(jié)構(gòu)桿件繁多，在CFD中建立精確的三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬非常困難，不僅需要大量的人力物力投入，還需要較長(zhǎng)的計(jì)算周期。針對(duì)這種情況，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6]對(duì)桁架主梁提出二維簡(jiǎn)化，車橋系統(tǒng)橋梁氣動(dòng)特性CFD分析模型和橋型布置如圖1所示。

邊界條件將橫橋向來流一側(cè)設(shè)置為速度入口邊界條件，其他三邊界設(shè)置為壓力出口邊界條件。在模型周邊及尾流區(qū)域采用密網(wǎng)格，在計(jì)算域周邊選用疏網(wǎng)格。本研究中采用非結(jié)構(gòu)化的四邊形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2 風(fēng)-車-橋系統(tǒng)模型

2.1 脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模擬方法

圖1 模型示意(單位：m)

自然風(fēng)在時(shí)空上都是隨機(jī)的，抗風(fēng)分析中常常將其視為多維態(tài)下的平穩(wěn)高斯過程。總體來說，隨機(jī)過程的數(shù)值模擬分為兩類，一是線性濾波回歸方法；二是三角級(jí)數(shù)疊加的譜解法。譜解法的特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，理論完善，在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本研究脈動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)模擬采用簡(jiǎn)化的譜解法[7]。對(duì)于此大橋,風(fēng)場(chǎng)簡(jiǎn)化為橫向和豎向的多變量隨機(jī)風(fēng)速場(chǎng),共172個(gè)風(fēng)速模擬點(diǎn)，每個(gè)模擬點(diǎn)間隔3 m。

2.2 車輛分析模型

車輛動(dòng)力學(xué)模型中通常將車輛各個(gè)部件視作為剛體，剛體之間通過阻尼或彈性元件相互連接(圖3)。整個(gè)車輛可采用質(zhì)點(diǎn)—彈簧—阻尼器模型。整個(gè)車輛共有23個(gè)自由度。列車編組為10輛車：1輛動(dòng)車+8輛拖車+1輛動(dòng)車，軌道不平順采用美國(guó)5級(jí)譜進(jìn)行數(shù)值模擬，動(dòng)力時(shí)程分析的空間步長(zhǎng)為0.2 m。

2.3 橋梁模型

橋梁結(jié)構(gòu)模型采用有限元方法建立，鋼桁桿件采用空間桿系模擬，混凝土橋面板、橋墩采用空間梁?jiǎn)卧；A(chǔ)剛度的有限元模擬采用正交三梁模型，其原理是采用一個(gè)豎向梁、一個(gè)順橋向梁和一個(gè)橫橋向梁，通過調(diào)整幾何桿件剛度，使正交三梁模型剛度與更能準(zhǔn)確模擬真實(shí)基礎(chǔ)剛度。

3 風(fēng)-車-橋性能研究

3.1 計(jì)算工況

此大橋共3跨，全長(zhǎng)518 m，分別研究了車輛與橋梁在整個(gè)系統(tǒng)線路的響應(yīng)，分析中考慮了AW0(空載)、AW3(滿載)兩種荷載，40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h四種車速，15 m/s、20 m/s、25 m/s三種風(fēng)速，共進(jìn)行了14種工況的對(duì)比分析，以考查車載狀態(tài)、車速、風(fēng)速等對(duì)變高度雙層鋼桁結(jié)合梁和車輛的響應(yīng)的影響。

圖2 網(wǎng)格劃分模型

圖3 車輛彈簧懸掛系統(tǒng)模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖4為不同風(fēng)速時(shí)，迎風(fēng)側(cè)車輛空載作用下的主跨跨中位移及梁端折角。

由圖4看出隨著風(fēng)速增加橋梁橫向位移增大明顯，其原因是與側(cè)向風(fēng)引起的升力作用有關(guān)。當(dāng)車輛進(jìn)入變高處時(shí)，橫向位移、豎向位移及扭轉(zhuǎn)角開始趨于平穩(wěn)，遠(yuǎn)離變高處，振幅又有較大的變化，其原因是變高處的結(jié)構(gòu)使局部剛度增加，從而影響了車輛運(yùn)行過程中橋面線路的動(dòng)態(tài)平順性。

由圖5可以得出，車輛的速度效應(yīng)較為明顯，設(shè)計(jì)車速下(100 km/h)車輛響應(yīng)均有所增加，并且豎向加速度更加敏感。列車分別在迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)運(yùn)行時(shí)車輛響應(yīng)相差非常小，車輛橫向加速度略有差別。豎向加速度最大值為1.87 m/s。

圖4 橋梁響應(yīng)

圖5 車輛響應(yīng)

最大傾覆系數(shù)和脫軌系數(shù)均小于0.4，滿足傾覆系數(shù)小于0.8，脫軌系數(shù)均小于1.0的行車安全規(guī)范。空載下的車輛響應(yīng)均大于滿載下的車輛響應(yīng)。車輛加速度及脫軌系數(shù)對(duì)風(fēng)速變化不敏感，但傾覆系數(shù)隨風(fēng)速增加變化較大。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)變高度雙層鋼桁結(jié)合梁，采用較為完善的風(fēng)-車-橋空間耦合振動(dòng)分析方法，對(duì)不同風(fēng)速、車速、車輛位置及車輛荷載情況下的風(fēng)-車-橋空間耦合振動(dòng)進(jìn)行了較為完整的對(duì)比研究。列車分別在迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)運(yùn)行時(shí)車輛和橋梁橫向響應(yīng)略有差別，其他響應(yīng)基本相同。隨著風(fēng)速增加，橋梁和車輛的響應(yīng)也逐步增大，但相應(yīng)的值都小于控制指標(biāo)，所以能滿足車輛運(yùn)行安全性要求。空載下的車輛響應(yīng)均大于滿載下的車輛響應(yīng)，但空載下的橋梁豎向位移均小于滿載下的橋梁豎向位移。橋梁響應(yīng)發(fā)生最大的位置在第二跨跨中，因?yàn)榈诙缈缍容^邊跨長(zhǎng)，剛度相對(duì)較小，所以會(huì)產(chǎn)生較大的位移。當(dāng)車輛駛?cè)胱兏咛帟r(shí)，橫向位移、豎向位移及扭轉(zhuǎn)角開始趨于平穩(wěn)，遠(yuǎn)離變高處，振幅又有較大的變化，說明變高式桁架橋能局部減弱車輛與橋梁之間的相互作用。