基于ANSYS的弹性支座对桥梁减振作用仿真分析

梁文伟 钟玉平 宋建平 王 勇

(中船重工集团有限公司第七二五研究所，洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳 471023)

近年来，随着桥梁跨度的不断增大、轨道交通列车速度的持续提高、车辆轴重的逐步加大，列车引起的桥梁振动越来越受到人们的重视[1]。

桥梁支座作为连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构构件，它能将桥梁上部结构的反力和变形(位移和转角)可靠的传递给桥梁的下部结构[2]。为探究列车运行对桥梁产生的振动危害以及防治，本文采用ANSYS软件建立车辆—轨道—桥梁耦合振动模型进行仿真分析，并分别嵌入不同刚度的弹性支座去分析其产生的减振效果。

1 轨道交通桥梁隔振措施、原理

随着轨道交通振动噪声问题逐渐加剧，为了消除城市轨道交通的负面影响，工程上主要通过三种途径实现减振降噪，即减小振源强度、削弱振动传播及建筑物隔振[3]。降低振源的振动强度和削弱振动的传播控制措施主要有：浮置板、弹性支承块、高弹性扣件、道碴垫、钢轨下橡胶垫板、铁垫板下橡胶垫板、钢轨和车轮的处理、声屏障、隔振沟、缓冲带、围栏桩、钢轨粘贴阻尼材料等[4]。建筑物隔振是在建筑基础增加弹性支撑实现的。

如果将整体梁体与基础结构分离，再放置于弹性隔振支座上[5]，即构成轨道交通铁路减隔振结构[6,7]。如图1所示，它是一种质量—弹簧隔振系统，是降低基础传振和传声的最有效方法[8]。

2 车—桥耦合仿真分析

2.1 车辆建模

地铁车辆的模型研究已较为成熟。车辆模型是由车体、转向架和轮对三部分组成。它们之间通过弹簧阻尼器连接，形成一个多自由度的振动体系。

在ANSYS中使用Mass21单元建立车体、转向架、轮对的单元；使用Combin14单元建立弹簧阻尼器单元；使用刚度较大并且无质量的Beam3单元连接各单元。

2.2 梁体及钢轨建模

桥梁和钢轨的有限元建模多是采用梁单元和实体单元。为了便于计算同时也没有局部应力分析的必要，桥梁和钢轨的模型采用Beam3单元。

桥梁和钢轨的连接：设置分别只受压力和只受拉力的Link10单元连接桥梁和钢轨。同时设置无刚度但有阻尼的弹簧阻尼器模拟扣件的阻尼。

2.3 桥墩建模

桥墩简化为梁模型。下节点设置为刚接，上节点与对应桥的端节点耦合竖向位移，且如果此端节点是左端节点，还与桥墩上节点设置纵向位移耦合。

3 仿真结果及分析

6节普通地铁车辆以时速90 km/h的速度分别通过采用三种不同支座刚度的简支梁桥，简支梁一共三跨，每跨长度为35 m。

3.1 支座刚度对桥墩墩顶振动加速度的影响

车致振动通过桥梁上部结构传递给支座，再通过支座传递给桥墩基础，从而引起周围环境的振动。因此，我们通过不同的支座竖向刚度去考量墩顶的竖向加速度的变化，有助于研究如何降低车致振动带来的不利影响。

从图2～图4可以看出，当支座刚度从1 500 kN/mm减小到300 kN/mm时，墩顶的竖向加速度的最大值也在不断减小，而墩顶加速度的减小必然会降低传递到基础及桥墩周围环境的加速度，有利于对桥墩周围环境的竖向隔振。因此，我们可以得出结论：当弹性支座刚度变小时有利于桥梁的竖向隔振。

3.2 支座刚度对梁体竖向位移的影响

根据图5～图7可以得到如下结论：

当弹性支座的竖向刚度不断降低时，桥梁梁体的响应中静力成分逐渐增大，即跨中竖向位移逐渐增大。

3.3 支座刚度对梁体竖向加速度的影响

通过对图8～图10进行对比分析，可以得出如下结论：

随着支座刚度的降低，跨中梁体的竖向加速度先增大后降低，因此，弹性支座的竖向刚度不宜取在900 kN/mm，此时桥梁梁体可能发生了共振。

4 结语

本文通过ANSYS APDL命令流建立了车—桥耦合振动分析模型，并分别嵌入300 kN/mm，900 kN/mm，1 500 kN/mm三种竖向刚度的弹性支座，然后分别计算得出不同的桥梁动力响应数据。在通过对仿真数据进行分析后，得到以下结论：

1)桥梁在使用弹性支座时，随着支座刚度的不断降低，梁体的响应中静力成分不断增大(跨中竖向挠度不断增加)。

2)桥梁在使用弹性支座时，随着支座刚度不断降低，梁体的响应中动力成分先增大再减小(跨中竖向加速度先增加再减小)。

3)通过使用弹性隔振支座，桥梁上部结构传递给桥墩的竖向加速度随着支座刚度的降低而降低。

综合上述结论，可以看到当桥梁采用弹性支座时，支座的竖向刚度取在300 kN/mm比较适宜，对整个桥梁的竖向减振最有利。