变高度双层钢桁结合梁风-车-桥耦合振动性能分析

舒 鹏

(西南交通大学桥梁工程系，四川成都 610031)

随着我国铁路建设的发展，关于车桥耦合这方面的研究也越来越多，其主要目的是保证列车在高速行驶下的安全性。李永乐[1]等考虑了车辆位置对风-车-桥系统耦合振动影响研究，葛盛昌[2]等证实设置风屏障能够保证列车在11级以上大风的安全性。虽然风-车-桥研究是个热点，但目前对变高度双层钢桁结合梁对风-车-桥耦合振动性能研究还是很少。与常规桁架桥相比，桥梁结构特性显著不同，尤其局部出现变截面，对风和列车的作用可能更加敏感[3-5]，因此在设计中应以重视。

某大桥在修建之际,研究风-车-桥系统的动力行为特点对评价桥梁和车辆的安全性具有现实指导意义。某大桥(方案)主桥桥面宽31 m。桥型为变高度双层钢桁结合梁，跨度布置为(121+276+121) m。本文以该桥为工程背景，对比分析了风-车-桥系统中风速、车速、车辆位置及车辆荷载情况下对车桥振动性能的影响，以此评价变高度双层钢桁结合梁风-车-桥耦合振动特点。

1 CFD模拟

由于此桥断面结构杆件繁多，在CFD中建立精确的三维结构模型进行模拟非常困难，不仅需要大量的人力物力投入，还需要较长的计算周期。针对这种情况，根据相关文献[6]对桁架主梁提出二维简化，车桥系统桥梁气动特性CFD分析模型和桥型布置如图1所示。

边界条件将横桥向来流一侧设置为速度入口边界条件，其他三边界设置为压力出口边界条件。在模型周边及尾流区域采用密网格，在计算域周边选用疏网格。本研究中采用非结构化的四边形网格进行网格划分，网格划分如图2所示。

2 风-车-桥系统模型

2.1 脉动风场模拟方法

图1 模型示意(单位：m)

自然风在时空上都是随机的，抗风分析中常常将其视为多维态下的平稳高斯过程。总体来说，随机过程的数值模拟分为两类，一是线性滤波回归方法；二是三角级数叠加的谱解法。谱解法的特点是算法简单，理论完善，在工程领域得到了广泛的应用。本研究脉动风速场模拟采用简化的谱解法[7]。对于此大桥,风场简化为横向和竖向的多变量随机风速场,共172个风速模拟点，每个模拟点间隔3 m。

2.2 车辆分析模型

车辆动力学模型中通常将车辆各个部件视作为刚体，刚体之间通过阻尼或弹性元件相互连接(图3)。整个车辆可采用质点—弹簧—阻尼器模型。整个车辆共有23个自由度。列车编组为10辆车：1辆动车+8辆拖车+1辆动车，轨道不平顺采用美国5级谱进行数值模拟，动力时程分析的空间步长为0.2 m。

2.3 桥梁模型

桥梁结构模型采用有限元方法建立，钢桁杆件采用空间杆系模拟，混凝土桥面板、桥墩采用空间梁单元。基础刚度的有限元模拟采用正交三梁模型，其原理是采用一个竖向梁、一个顺桥向梁和一个横桥向梁，通过调整几何杆件刚度，使正交三梁模型刚度与更能准确模拟真实基础刚度。

3 风-车-桥性能研究

3.1 计算工况

此大桥共3跨，全长518 m，分别研究了车辆与桥梁在整个系统线路的响应，分析中考虑了AW0(空载)、AW3(满载)两种荷载，40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h四种车速，15 m/s、20 m/s、25 m/s三种风速，共进行了14种工况的对比分析，以考查车载状态、车速、风速等对变高度双层钢桁结合梁和车辆的响应的影响。

图2 网格划分模型

图3 车辆弹簧悬挂系统模型

3.2 计算结果分析

图4为不同风速时，迎风侧车辆空载作用下的主跨跨中位移及梁端折角。

由图4看出随着风速增加桥梁横向位移增大明显，其原因是与侧向风引起的升力作用有关。当车辆进入变高处时，横向位移、竖向位移及扭转角开始趋于平稳，远离变高处，振幅又有较大的变化，其原因是变高处的结构使局部刚度增加，从而影响了车辆运行过程中桥面线路的动态平顺性。

由图5可以得出，车辆的速度效应较为明显，设计车速下(100 km/h)车辆响应均有所增加，并且竖向加速度更加敏感。列车分别在迎风侧和背风侧运行时车辆响应相差非常小，车辆横向加速度略有差别。竖向加速度最大值为1.87 m/s。

图4 桥梁响应

图5 车辆响应

最大倾覆系数和脱轨系数均小于0.4，满足倾覆系数小于0.8，脱轨系数均小于1.0的行车安全规范。空载下的车辆响应均大于满载下的车辆响应。车辆加速度及脱轨系数对风速变化不敏感，但倾覆系数随风速增加变化较大。

4 结 论

本文针对变高度双层钢桁结合梁，采用较为完善的风-车-桥空间耦合振动分析方法，对不同风速、车速、车辆位置及车辆荷载情况下的风-车-桥空间耦合振动进行了较为完整的对比研究。列车分别在迎风侧和背风侧运行时车辆和桥梁横向响应略有差别，其他响应基本相同。随着风速增加，桥梁和车辆的响应也逐步增大，但相应的值都小于控制指标，所以能满足车辆运行安全性要求。空载下的车辆响应均大于满载下的车辆响应，但空载下的桥梁竖向位移均小于满载下的桥梁竖向位移。桥梁响应发生最大的位置在第二跨跨中，因为第二跨跨度较边跨长，刚度相对较小，所以会产生较大的位移。当车辆驶入变高处时，横向位移、竖向位移及扭转角开始趋于平稳，远离变高处，振幅又有较大的变化，说明变高式桁架桥能局部减弱车辆与桥梁之间的相互作用。