桥梁刚度对桥梁竖向动挠度的影响分析

2014-12-04李兴权

承德石油高等专科学校学报 2014年4期

李兴权

(承德石油高等专科学校资产与后勤管理处，河北承德 067000)

随着我国高速铁路行车速度的不断提高，高速铁路的不断推广运行，列车质量和载重的不断增加，特别是近几年来越来越多的高速铁路相继投入运行，高速列车与铁路桥梁之间的相互动力作用越来越受到人们的重视。一方面，车辆在桥梁上高速运行会对结构产生一个冲击力，影响桥梁的工作状态和使用寿命，另外一方面，桥梁本身的震动会影响车辆的平稳性和安全性。

表1例举了我国部分已经运行的铁路桥梁和铁路总长度对比，从表中我们可以很明显的发现，桥梁在高速铁路的建设中占有很大的比重。

本文通过以移动的四分之一车辆模型(车轮加轮对加转向架)模拟车辆荷载，采用大型有限元分析软件ANSYS来比较和分析桥梁刚度对桥梁结构动力性能的影响。

表1 高速铁路桥梁比重

1 模型建立

以四分之一车辆模型模拟列车，主要考虑在桥梁刚度变化情况下桥梁上三个典型节点(左右两侧四分之一处节点和跨中节点)，本分析中桥梁的刚度变化由桥梁的弹性模量变化表示，考虑的基本行车速度为300 km/h。考虑桥梁结构的刚度变化范围为:0.5×1010N/m2～9.5×1010N/m2。

2 数值模拟及分析结果

2.1 桥梁刚度对结构竖向动挠度的影响

图2绘制了桥梁结构在车速为300 km/h时，不同刚度桥梁的三个典型点的动挠度曲线。从图中可以发现，对于高速铁路桥梁，随着桥梁刚度的不断增大，桥梁的挠度有明显的减小，桥梁结构的竖向动挠度曲线随着桥梁刚度的增大变得越来越平缓。弹性模量为1.5×1010N/m2和弹性模量为3.5×1010N/m2之间，桥梁的挠度减少的非常多，曲线变化非常明显，但是桥梁刚度由3.5×1010N/m2改变至7.5×1010N/m2之间，桥梁的刚度变化却很小，三条曲线比较接近，说明在一定的范围内提高桥梁的刚度可以有效的控制桥梁的竖向动挠度，但是随着桥梁刚度的不断增大，这种变化越来越不明显，在这种情况下，通过提高桥梁刚度的办法来控制桥梁的竖向动挠度是不经济合理的，但是总的规律是:桥梁结构的竖向动挠度是随着桥梁刚度的增加而减少的。

表2 桥梁结构在不同刚度下最大竖向动挠度

表2列出了桥梁刚度变化下桥梁三个典型节点的最大竖向动挠度。从其中的数据我们可以看到，以桥梁的左侧四分之一点为例，当桥梁刚度由0.5×1010N/m2变化为1.5×1010N/m2时，桥梁的竖向动挠度减少了5.099，桥梁刚度由1.5×1010N/m2变化为2.5×1010N/m2时，桥梁的竖向动挠度减少了1.046，桥梁刚度由2.5 ×1010N/m2变化为3.5 ×1010N/m2时，桥梁的竖向动挠度减少了0.419，依此计算，随着桥梁刚度的增加，桥梁的竖向动挠度值减少值 0.222、0.134、0.056、0.045、0.038、0.031。从中可以看到，桥梁结构的竖向动挠度值的变化总体趋势是越来越小，但是受刚度的影响也越来越小。为了更清楚的表示桥梁竖向动挠度和桥梁刚度之间的关系，绘制出图3。

图3清晰的表示出不同刚度下同一节点的竖向动挠度变化情况。可以很清晰的发现，随着刚度的不断提高，竖向动挠度不断减少，这和理论的计算是相符合的。从图中还可以看出，桥梁结构的竖向动挠度和桥梁刚度之间并不是线性关系，呈现出非线性的特性，尤其是在桥梁结构的刚度不是很大的时候这种非线性关系越显著，所以，在一定的范围内提高桥梁的刚度对控制桥梁的竖向震动是十分有效的，本例中，桥梁结构的弹性模量取值为为3.5×1010N/m2，对比图3的三个节点动挠度变化曲线我们可以看出，这一取值是合理经济的。