高鐵橋梁典型長期變形對列車響應的影響研究

李 龍,徐昕宇,梁長海

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,合肥 230088； 2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,合肥 230088； 3.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

高速鐵路要求橋上線路平順性好，以保證列車運行安全性和平穩性。目前，混凝土簡支箱梁橋在我國高鐵橋梁中占比最大，其占比一般在80%以上[1-3]。混凝土橋梁長期變形主要有梁體混凝土徐變上拱和橋墩沉降2種典型類型，變形在橋梁全生命周期中逐漸發展，如混凝土徐變，橋梁建造過程中，預制箱梁在梁場的徐變變形可能無法完全發展，梁體在橋梁鋪軌、運營時仍有一定的徐變上拱[4-7]。我國幅員遼闊，各地區基礎情況各異，橋梁可能穿越軟土地基地區，甚至布置在漏斗區上，橋墩沉降將會導致橋面線形發生變化[8-10]。鐵科院在京津城際武清段開展長期沉降觀測，2011年9月至2013年3月，該區間發生了19.6～27.5 mm均勻沉降量，沉降已接近扣件30 mm的最大調高值[11-12]。

學者們針對高速鐵路橋梁徐變和橋墩沉降問題開展研究。王昆鵬等[13]針對高速鐵路32 m和24 m兩種簡支梁橋，考慮車體柔性因素，研究了混凝土徐變對橋上列車動力響應的影響；李奇等[14]研究了徐變、溫度等因素產生的軌道靜態變位，綜合靜態變位和列車活載作用下的動態變形考慮簡支梁豎向剛度限值；宋國華等[15]對比分析了墩臺不均勻沉降對混凝土T梁上貨車豎向動力響應的影響；ZHANG等[16]開展了單墩沉降對橋上高速列車豎向加速度的影響分析；HUNG和HSU[17]通過現場實測驗證分析模型的合理性后，開展了30，35，70，140 m四種波長的豎向波對車體振動敏感性分析。

徐變和橋墩沉降是兩種在橋梁建設中無法避免的長期變形，變形會進一步導致橋面和軌面線形發生變化，進而可能導致橋上列車產生更大程度的振動。徐變和橋墩沉降形式復雜，尤其橋墩沉降可能會發生單墩沉降、相鄰墩沉降等多種沉降情況，其聯合作用可能導致運行在橋上的列車發生不同程度振動。以某高速鐵路典型32 m簡支梁橋為背景，基于所建立的車-橋系統耦合振動模型，首先分析了梁體徐變對列車響應的影響程度，再開展單墩沉降、相鄰雙墩沉降和相鄰三墩沉降3種沉降形式和不同沉降量對橋上列車動力響應的影響分析。

1 工程概況

高鐵混凝土簡支梁橋主梁采用箱形結構形式，主梁頂板寬12 m，梁高2.83 m，跨中斷面如圖1所示。頂板端部和中部厚分別為21 cm和29 cm，腹板厚36 cm，底板厚27 cm。橋墩高30 m。主梁采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土。

圖1 主梁斷面(單位： cm)

2 車-橋系統耦合振動模型

對于車輛模型，一節車輛包含1個車體、2個轉向架及4個輪對共7個剛體，不同剛體通過懸掛系統進行連接，主要有軸箱彈簧、一系減振器、空氣彈簧、二系橫垂向減振器等[18-19]。建立的車輛模型共23個自由度，車輛模型示意如圖2所示。采用Kalker滾動接觸簡化理論(FASTSIM)計算輪軌蠕滑力。采用商用有限元軟件ANSYS，建立6跨橋梁有限元模型(圖3)，采用梁單元模擬橋梁主梁和橋墩，主梁與橋墩間根據支座的設置進行相應約束。

橋梁與車輛系統作為2個子系統獨立求解，運動方程如式(1)所示，其相互作用通過輪軌關系進行迭代，最終滿足2個子系統間幾何和力學耦合關系[20-21]。

(1)

圖2 車輛模型

圖3 橋梁有限元模型

3 橋梁典型長期變形對列車響應影響分析

車輛采用CRH3動車組，列車速度取350 km/h。軌道不平順采用德國低干擾譜模擬，考慮高低不平順、水平不平順和方向不平順。

橋梁徐變考慮為簡支梁上拱，每跨主梁跨中上拱量均為5 mm，支座處為0 mm，主梁位置通過正弦曲線擬合。

橋梁沉降考慮為橋墩的整體沉降，這將直接導致墩頂主梁下沉，計算中橋墩沉降位移量按10，20，30，40，50 mm五種工況。分別考慮無沉降、單墩(3號墩)沉降、相鄰雙墩(3號和4號墩)沉降和相鄰三墩(3號、4號和5號墩)沉降3種沉降形式，橋墩編號如圖4所示。

圖4 橋墩編號示意

分析工況如表1所示，計算中將徐變上拱和橋墩沉降通過軌道不平順的形式輸入到計算模型中。不同工況下高低不平順對比如圖5所示，圖中橋墩沉降量均為10 mm。需要說明的是，橋梁豎向向下為正，因此，橋墩沉降在高低不平順中表現為負值。對于高低不平順，不考慮徐變和沉降時最大為8.5 mm，當考慮徐變時最大為10.9 mm，當考慮徐變和沉降時最大為14.1 mm。考慮橋梁為混凝土橋，分析時阻尼比取2%。

表1 分析工況

圖5 豎向不平順曲線對比

3.1 梁體徐變影響

未考慮徐變(工況1)和考慮5 mm梁體徐變(工況2)時，列車動力響應對比如表2所示。由表2可看出，當橋梁考慮徐變時，車輛豎向加速度、輪重減載率和豎向Sperling指標有所增大。其中，豎向加速度由1.003 m/s2增大至1.071 m/s2，增幅達6.8%。但梁體徐變對其他動力響應影響較小，變化均在2%以內，說明因梁體徐變產生的周期性波動主要影響豎向舒適性指標，對橫向動力響應無顯著影響。

表2 車輛動力響應

3.2 梁體徐變與橋墩沉降聯合作用影響

考慮梁體徐變與橋墩沉降聯合作用時，車輛加速度和Sperling指標隨沉降量變化曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 車輛加速度響應隨沉降量變化曲線

圖7 車輛Sperling指標隨沉降量變化曲線

由圖6(a)和圖7(a)可看出，隨著橋墩沉降量增大，車輛豎向加速度和豎向Sperling指標明顯增大，且車輛在發生單墩沉降的橋上行駛時，豎向加速度最大。當工況3～工況5中橋墩沉降量為50 mm時，車輛豎向加速度分別為1.893，1.743，1.433 m/s2，相比僅考慮徐變時的1.071 m/s2分別增大76.8%、62.7%和33.8%。

工況3(單墩)發生沉降，沉降量為30 mm時，豎向加速度為1.377 m/s2，已超過1.3 m/s2的規范限值要求；當工況4和工況5(相鄰雙墩和三墩)發生沉降，沉降量達到40 mm，豎向加速度分別為1.482，1.330 m/s2，超過規范限值要求。若沉降量達到上述數值，需采取車輛限速或及時通過調高支座、調整軌道扣件等方式對軌面線形進行調整。

由圖6(b)和圖7(b)可看出，車輛橫向加速度和橫向Sperling指標受沉降量變化影響均較小，與僅考慮徐變相比，不同沉降量的變化幅度均在1%以內。

輪軸橫向力、輪重減載率和脫軌系數隨沉降量變化如圖8～圖10所示。由圖8可看出，針對輪軸橫向力，對于工況3(單墩沉降)，由僅考慮徐變時的18.32 kN減小至18.22 kN；對于工況4或工況5(雙墩或三墩沉降)，則增大至18.45 kN和18.52 kN，但變化幅度有限，約為1%。由圖9可看出，對于輪重減載率，工況4影響最大，較僅考慮徐變時減少近3%。由圖10可看出，對于脫軌系數，沉降形式和沉降量的影響甚微，其變化在1%以內。

圖8 輪軸橫向力隨沉降量變化曲線

圖9 輪重減載率隨沉降量變化曲線

圖10 脫軌系數隨沉降量變化曲線

4 結論

針對徐變和橋墩沉降兩種典型鐵路橋梁長期變形問題，開展了變形對橋上列車動力響應的影響分析，結論如下。

(1)當橋梁僅考慮梁體徐變時，車輛豎向加速度、輪重減載率和豎向Sperling指標有所增大，其中，豎向加速度較不考慮徐變時增大6.8%。

(2)考慮徐變和橋墩沉降聯合作用，隨著橋墩沉降量增大，車輛豎向加速度和豎向Sperling指標明顯增大。在發生單墩沉降時的橋上行駛時，車輛豎向加速度最大。當單墩沉降量為50 mm時，車輛豎向加速度為1.893 m/s2，相比僅考慮徐變時的1.071 m/s2，增大了76.8%。

(3)考慮5 mm徐變上拱，當單墩發生沉降，沉降量為30 mm時，或當相鄰雙墩、三墩發生沉降，沉降量達到40 mm，車輛豎向加速度超過規范1.3 m/s2的限值要求。若沉降量達到上述值，應當采取車輛限速或及時通過調高支座或調整軌道扣件等方式進行橋面線形調整。