環境溫度場對鐵路鋼-混組合橋梁列車走行性的影響

岳奕町 劉麗芳

【摘 要】?由于鋼-混組合橋梁導熱系數存在顯著差異，環境溫度場對鋼-混組合橋梁的結構行為影響較大。對于高海拔地區的鋼-混組合橋梁，環境溫度效應可能影響列車行駛安全與舒適性。文章以藏區某鐵路雙線簡支鋼箱-混凝土組合梁橋為研究對象，通過固-熱耦合數值仿真分析研究其環境溫度場以及溫致效應，并基于車-橋耦合振動分析理論，進行溫致效應下的鋼-混組合橋梁列車走行性數值仿真分析。研究結果表明：溫度效應引起的軌道豎向變形比軌道橫向變形更大，兩側軌道的橫向變形差異較豎向變形差異更大;溫度效應對車輛運行的安全性、組合梁的動力性能影響不大，對車輛運行的平穩性有一定影響。

【關鍵詞】鋼-混組合橋梁; 環境溫度場; 溫度效應; 車橋耦合振動; 列車走行性

鋼-混組合橋梁因良好的力學性能與經濟性得到廣泛應用[1]。由于鋼材的熱傳導系數是混凝土的50倍左右，鋼-混組合橋梁的溫度效應比較突出[2-3]。既有研究表明，鋼-混組合橋梁的環境溫度場與現行規范有所差異[4-6]。從靜力學角度，溫度效應產生的溫度應力可能導致橋梁局部破壞，影響結構性能;從動力學角度，溫度效應導致的橋梁變形可作為系統激勵的一部分，可能影響行車安全性與舒適性。既有研究表明，考慮環境溫度作用后大跨度橋梁的列車走行性可能發生較明顯變化，列車安全性及舒適性指標有所降低[7-13]。

現有考慮環境溫度作用的橋梁列車走行性研究多針對大跨度鋼橋或混凝土橋本文針對一座四川藏區鋼-混組合橋梁，通過固-熱耦合分析研究橋梁的環境溫度效應;基于車-橋耦合振動分析理論，研究溫致效應下該橋的列車走行性，以期為該類橋梁結構建造提供參考借鑒。

1 鋼-混組合梁橋溫致效應

研究對象為一座40 m簡支鋼箱組合梁，截面形式見圖1。組合梁高4 m，寬12 m，混凝土板厚0.35 m，為雙線鐵路橋，軌道中心線距橋梁中心線2.2 m，每跨有12道橫梁。

為了消除初始溫度的不確定性所帶來的誤差，本文分析了在同樣的氣候條件下4天內的逐小時溫度響應，取溫度曲線基本穩定的第四天的溫度場進行后續溫度變形的計算。

1.2 橋梁溫度變形

采用間接分析法進行熱-結構耦合分析，將橋梁溫度場作為體荷載加載到結構中，逐小時分析結構24 h溫度效應。設置合龍溫度為20 ℃，其他主要計算參數見表2。

溫度效應的分析通常包括結構整體和局部的應力與位移情況，本文主要分析車橋動力響應受溫度效應的影響，因此集中分析結構變形。以橋面跨中豎向位移為標準，提取正、負溫差下橋梁鋼軌處最不利橫豎向變形曲線。根據圖3可知，跨中豎向位移最大為5.88 mm，出現在6：00，負溫差下橋梁整體上拱見圖4（a）;跨中豎向位移最小為-5.36mm，出現在18：00，正溫差下橋梁整體下撓見圖4（b）。提取6：00和18：00時刻東側軌道線路的兩側軌道位置處橋梁的位移曲線，作為相應軌道的變形，如圖5所示。由圖可知，鋼軌豎向變形大于橫向變形，東西兩側鋼軌的豎向變形差距微小。

2 車橋耦合振動分析

2.1 車橋耦合模型

以多剛體動力學理論在UM軟件中建立CRH2空間車輛模型，每節車由1個車體、2 個構架、8個軸箱和4 個輪對共15個剛體組成。整車系統有兩系懸掛，且考慮了各減振器的非線性特性。車體、構架和輪對均有6個自由度，每個軸箱有1個轉動自由度，加上二系橫向減振器和坑蛇形減振器的粘彈性力元的附加自由度，每節車共有58個自由度。車輛編組為4動4拖八節車。

軌道模型可分為連續彈性基礎梁模型和連續彈性點支承模型。連續彈性基礎梁模型把鋼軌視作彈性支撐在軌下結構上的Winkler地基梁;連續彈性點支承模型將鋼軌按軌枕間距以離散的彈性-阻尼力元支承。后者相比前者是更精細的軌道模型，而結合本文的研究需求，選擇計算效率更高的連續彈性基礎梁模型，也就是UM軟件中的無質量軌道模型。

鋼軌采用的 60 kg/m 鋼軌（CN60軌），車輪踏面為LMA磨耗型踏面，輪軌接觸采用基于Kalker簡化理論的Fastsim算法。軌道不平順采用中國高速鐵路軌道譜，考慮溫度效應的工況要分別疊加6：00和18：00的軌道處橋梁橫、豎變形。

采用基于固定界面的Craig-Bampton模態綜合法將熱-結構耦合分析中的橋梁有限元模型導入到UM軟件中，作為車橋耦合模型中的柔性橋梁子系統。考慮溫度變形造成的梁端轉角是影響車橋動力響應的重要因素，設置三跨簡支梁橋，梁間伸縮縫為30 mm。

2.2 車橋耦合計算

兩種典型的車橋相互作用分析方法分別為分離法和耦合法。以往分離法應用較多，它將車輛系統和橋梁系統分割開來計算，可以得到比較有用的橋梁動態響應，但由于車輛動力學計算時并未考慮到橋梁柔性的影響，因此車輛的安全性、平穩性和乘坐舒適性指標并不能反映實際情況。而耦合法考慮車輛系統和橋梁系統的交互作用（迭代）：當車輛運行到橋梁上時，車輛荷載會使車輪下方（輪軌接觸點處）鋼軌、軌枕、道床和橋梁等軌下結構發生彈性變形和剛性位移，形成總的鋼軌位移，鋼軌位移和速度的變化會改變作用在車輪上的接觸力，該力又反作用于鋼軌，傳遞到軌下結構，引起新的動態響應。故選擇耦合法進行計算。

頭車距橋梁30 m，前10 m無軌道不平順，積分步長0.005 s。車輛行駛方向由南向北，從東側線路上橋，仿真距離380 m。分別計算對比車輛160 km/h、180 km/h、200 km/h、220 km/h、240 km/h的速度通過橋梁，在橋梁無溫度變形、6：00整體上拱和18：00整體下撓情況下的車橋動力響應。

3 車橋系統響應

3.1 橋梁動力響應

圖6給出了第二跨簡支梁在各工況下的跨中橫向位移、加速度和橫向位移、加速度與車速的關系。由圖可知橋梁動力響應受溫度效應影響較小，這是由于軌道溫度變形屬于長波不平順，而橋梁結構響應多由短波不平順控制。車速180 km/h時橋梁的橫向位移和加速度突然變大，可能是產生了共振。

3.2 車輛動力響應

圖7給出了動車組第一節車（拖車）的第一個輪對在各工況下輪重減載率、脫軌系數和橫向輪軌力與車速的關系。由圖可知車輛的運行安全性受溫度效應影響較小。

圖8給出了車輛在各工況下車體橫豎向加速度和Sperling指標與車速的關系，由圖可知車輛的運行平穩性受溫度效應影響較大。車體橫向加速度與橫向Sperling指標在6：00橋梁整體上拱時最為不利，車體豎向加速度與豎向Sperling指標在18：00橋梁整體下撓時最為不利。車速200 km/h時，18：00的車體豎向加速度b無溫度變形工況下的百分差最大，達到了44.38 %。6：00橋梁整體上拱對車輛橫向加速度的影響隨車速的增加而增大（表3）。

4 結論

（1）日照條件下，逐小時分析鋼箱組合梁的溫度變形，得到跨中豎向位移中最大值出現在6：00，橋梁整體上拱;最小值出現在18：00，橋梁整體下撓。東側線路的兩側鋼軌的豎向位移相差不大，橫向位移有一定差距。

（2）將溫度變形與軌道不平順組合作為車橋系統激勵，對比不同車速及不同溫度工況下的車橋響應，組合梁橋的動力響應和車輛運行安全性受溫度效應影響不大，而車輛運行舒適性，特別是車輛豎向加速度受溫度效應影響較大。所有車橋響應指標均在規范限值內。

（3）車輛豎向加速度受溫度效應影響程度與車速沒有明顯關聯，而車輛橫向加速度受溫度效應影響程度隨車速的增大而增大。

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