列車荷載作用下臨時裝配式鋼橋動力響應

白永明 曹立朋

摘 要：為了研究在列車荷載作用下鐵路裝配式臨時應急鋼橋的動響應，本文建立了車-橋耦合振動系統模型，并對其運行規律進行研究，在列車不同時速下，分析了行車安全性以及橋梁動力響應，對比了列車不同時速通過橋梁時對臨時鋼橋動力響應的影響規律。結果表明：當列車時速為60 km/h通過橋梁時，車輛與橋梁的動力響應符合規范要求;隨著列車運行時速增加，車輛和橋梁的動力響應也相應增大，但影響曲線是屬于非線性的;列車的最大通行速度建議為80 km/h。

關鍵詞：車-橋耦合;裝配式橋梁;行車安全性;UM軟件;響應

中圖分類號：TU476? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）03-0016-03

0引言

鐵路車輛通過橋梁時，車-橋耦合效應會引起橋梁斷裂或者列車脫軌。為了研究車-橋耦合效應，很多專家做出巨大貢獻。陳英俊等簡化車-橋模型，建立了車-橋-墩系統模型并進行了現場試驗驗證[1];李旺旺等為分析重載列車作用下鋼桁梁橋的動力性能，建立了空間重載鐵路與跨度48 m鋼桁梁橋耦合振動模型，對軌道不平順、列車軸重和列車速度等因素進行系統分析[2];蔡小楊等為了研究單軌列車與雙層橋面鋼桁梁動力學性能，建立了車-橋空間耦合動力學模型，在不同車速作用下，研究了列車的動力響應并評估了行車安全性[3];朱志輝等基于Ansys-Matlab聯合仿真的車-橋耦合分析方法，研究了移動列車引起鋼桁梁橋局部應力;雷虎軍等采用自編的車-軌-橋-地震分析程序，研究了脈沖參數對車-橋耦合系統動響應;熊鷹為研究多線鐵路大跨度鋼桁梁橋耦合振動規律，建立了列車與多線鋼桁梁橋耦合動力模型，分析了列車通過該橋時的橋梁動力響應。上述文獻對車-橋耦合研究僅針對混凝土橋梁以及鐵路鋼桁梁，而對鐵路裝配式的臨時應急鋼橋動力響應研究較少。

為了保證行車安全性，在移動車輛荷載作用下，研究鐵路裝配式臨時應急鋼橋的動力響應。通過建立車-橋耦合系統的振動分析模型，采用UM軟件進行仿真，求解不同時速下的車-橋動力學響應的變化規律。

1工程背景

本文以中鐵十二局北京市通州區廣渠路東延下穿通東機場專用線框架橋工程為背景，研究施工現場架設的鐵路臨時應急鋼橋的車橋動力學響應。廣渠路東延（怡樂西路至東六環路）起點接怡樂西路高架橋，終點與東六環相交，路線沿現況通朝大街，運河東、西大街布線，全長約7.6 km，該道路分為地面道路及地下道路兩系統，伴隨地下道路同步建設市政綜合管廊。廣渠路東延需要下穿通東機場專用線鐵路，該專用線鐵路為61267部隊產權，起點為通州站，終點為通東機場，南北走向，非電氣化有縫鐵路，采用43 kg/m軌，鐵路路肩與兩側地面基本齊平，為單線鐵路。為保證基坑開挖后鐵路盡可能早地恢復交通，上跨基坑假設鐵路臨時應急鋼橋，跨度設計為（14+40+14） m單線，以貨運為主，采用現場拼組的結構形式完成施工，橋梁現場拼組見圖1。

2車-橋耦合系統模型

2.1 建立車輛系統模型

鐵路車輛由車體、轉向架、輪對等主要部件構成，車體與轉向架間通過二系懸掛裝置相連、轉向架與輪對間通過一系懸掛裝置相連，懸掛裝置多為彈簧-阻尼器，則列車為多自由度振動體系。車體、轉向架與輪對均有沿X、Y、Z方向的平動自由度以及繞X、Y、Z方方向的轉動自由度，共計6個自由度，分別對應為伸縮、橫移、沉浮、搖頭、側滾、點頭6種基本振動形式，每節車有一個車體、兩個轉向架、四個輪對，共計7個剛體，42個自由度。

車輛模型按照C70型貨車參數建立，由三節貨車車輛組成，C70型貨車車輛模型見圖2。

2.2 建立橋梁系統模型

臨時鋼橋利用有限元軟件ansys建模，橋梁全長40.7 m，采用solid185單元，單元數共計846 465個，橋梁有限元模型如圖3，橋梁振動特性見表1，橋梁結構的固有頻率與振型見圖4。

2.3 車橋系統的建立

利用動力學原理建立車輛方程，矩陣形式如下：

（1）

橋梁采用有限元法建模，振動方程矩陣形式如下：

（2）

式中[cv]、[kv]、[mv]、[cb]、[kb]、[mb]分別為車輛、橋梁的阻尼、剛度、質量矩陣，{?}、{?}、{u}是相應的加速度、速度、位移向量，{pv}為作用于車輛上的輪軌力、{pb}為車輛通過輪軌作用于橋梁上的作用力。{pv}、{pb}是作用于車輛、橋梁上的輪軌力。

采用赫茲非線性理論，輪軌力方程確定如下：

（3）

（4）

式中pri（t）、pli（t）分別為左/右軌的豎向力;ω為輪對軸重;zωi（t）為第i個輪對在t時刻的動位移;zri（t）、zli（t）分別為左右軌第i個輪對在t時刻對應鋼軌位置的豎向位移;G為輪軌接觸常數，錐形踏面車輪的輪軌接觸常數取4.57r0-0.149×10-8m/N2/3。

建立車-橋耦合振動方程后，利用UM軟件進行計算。Universal Mechanism（UM）程序是一款多體動力學計算軟件，由俄羅斯Bryansk State Technical University力學實驗室開發。通過UM前處理軟件與ANSYS軟件聯合，實現外部子系統和內部車-軌系統耦合，形成車-橋耦合模擬，采用采用Park求解器，蠕變力算法采用FASTSIM，求解車-橋耦合系統（圖5）。9ACE96D3-02A5-479D-BA21-0456D911058B

3車-橋耦合仿真動力響應

列車過橋時會引起橋梁振動，列車行車時的安全性和平穩性是最關注因素。為保證車輛行車安全性，需計算橋梁跨中豎向撓度、加速度、脫軌系數、輪重減載率等安全指標。本節列車時速取60km/h，軌道不平順取美國五級軌道譜，輪對為LMA踏面，鋼軌采用RAIL60型軌。

4結論

通過車-橋動力學響應可以得出如下結論：

（1）列車時速為60 km/h時，三節滿載C70型貨車通過臨時鋼橋時引起的車體和橋梁動力響應符合規范安全限值。

（2）隨著速度提高，車輛和橋梁動力響應總體呈增大趨勢，呈非線性增加趨勢。

（3）列車速度為80 km/h時，車橋動響應增幅過大，接近安全限值，因此列車過橋時的安全速度建議不超過80 km/h。

參考文獻

[1] 夏禾，陳英俊.車-梁-墩體系動力相互作用分析[J].土木工程學報，1992，25（2）：3-12.

[2] 李旺旺，季文玉，朱力，等.重載車橋耦合作用下48m鋼桁梁橋動力性能[J].鐵道工程學報，2020（1）：31-37.

[3] 蔡小楊，李小珍，王雷，等.大跨度公軌兩用鋼桁梁斜拉橋車橋耦合效應及影響參數研究[J].鐵道科學與工程學報，2021，18（8）：2 097-2 104.

Dynamic Response of Temporary Assembled Steel Bridge under Train Load

BAI Yongming， CAO Lipeng

（The Third Engineering Co.， Ltd. of China Railway 12th Bureau Group， Taiyuan? Shanxi? 030024）

Abstract： In order to study the dynamic response of the railway fabricated temporary emergency steel bridge under the action of train load， this paper establishes a vehicle-bridge coupled vibration system model， and studies its operation law， and analyzes the safety of trains under different train speeds. As well as the dynamic response of the bridge， the influence laws of the dynamic response of the temporary steel bridge when the train passes through the bridge at different speeds are compared. The results show that when the train passes the bridge at a speed of 60km/h， the dynamic response of the vehicle and the bridge meets the requirements of the specification; as the operating speed of the train increases， the dynamic response of the vehicle and the bridge also increases， but the influence curve is non-linear ; The recommended maximum speed of the train is 80km/h.

Keywords： vehicle-bridge coupling; fabricated bridge; traffic safety; UM software; response

收稿日期：2022-01-04

作者簡介：白永明（1986—），男，吉林洮南人，本科，副高級工程師，研究方向：市政工程。9ACE96D3-02A5-479D-BA21-0456D911058B