软土环境考虑桩土作用的高速铁路车桥耦合动力分析

2019-07-01

福建质量管理 2019年13期

(广州大学广东广州 510000)

传统的车桥耦合研究中，一般将桥墩进行简单固结处理，很少考虑地基土对“车-桥-墩”耦合振动的影响。实际上，桩土基础对于桥梁具有弹性约束效应，这种约束效应会影响车桥耦合振动行为，这一问题近期受到学界重视。高芒芒[1]建立了“车-桥-墩-桩土”耦合系统分析模型，指出考虑桩土约束作用下桥梁横向振动相对于采用传统的“车-桥-墩”耦合分析系统具有较大偏差，特别是软土地基环境，这需要引起足够的重视。李忠献[2]结合天津某轻轨工程，将群桩基础简化为弹性地基梁，以弹簧和阻尼器模拟土介质的动力特性，建立了桩基和土体模型，并对混凝土连续钢构桥进行了数值分析。李小珍[3]针对软土地基处的某高速铁路连续刚构桥，建立了包含桩基在内的整桥有限元模型，进行动力仿真分析，得到考虑桩-土作用对上部桥梁结构振动特性的影响。

本文以海南环岛高速铁路为工程背景，基于该地区软土地质参数，分别建立“车-桥-墩”和“车-桥-墩-桩土”耦合振动模型，以分析桩土相互作用对车桥耦合振动行为的影响。首先，建立了列车、桥梁、桩土的力学模型，并给出了车桥耦合振动分析方法；其次，分析了是否考虑桩土作用对于桥梁自振特性的影响，以及不同行车速度下车桥耦合振动行为；最后，参数化研究了考虑桩土相互作用在列车的系列运行指标，包括动力荷载系数、轮重减载率和车体振动加速度。

一、基本模型

(一)桥梁结构

本文在建立桥梁有限元模型时采用空间梁单元作为桥梁模型基础单元，并作出以下假定：①将轨道简化为桥面一部分，轨道与桥面之间不会出现相对滑移。②由于铁路桥梁具有截面刚度大的特征，在建模分析时，忽略桥梁横截面变形。③桥墩及梁体采用等截面空间梁单元模拟，梁体质量计为一致质量，并计入扭转惯性矩。桥梁以32米标准跨度、单室箱型截面简支梁桥为例建立桥梁模型，其梁、墩均采用C30强度等级混凝土；支座采用板式橡胶支座模拟。基础为3×4群桩基础，采用C30混凝土灌注桩，桩长14m，桩径为1000mm。

(二)高速列车

四轴机车车辆模型由车体、两个转向架及四组轮对共七个刚体组成，每个刚体考虑沉浮、横摆、侧滚、点头和摇头五个自由度，共有35个自由度。本文拟采用四轴二系悬挂车辆车辆模型。列车模型选取我国的动力集中式高速列车，列车编组模式(动+托+托+托+托+托+托+托)，共8节，列车模型采用二系悬挂模型，车辆模型计算参数如表1所示。本文拟采用四轴二系悬挂车辆模型。

(三)桩—土模型

采用m法计算桩土作用，当不考虑SSI效应对车桥耦合系统的影响时，墩底采用固定约束，忽略桩基础和地基土的振动反应。

二、桩土作用下桥梁振动行为

(一)自振特性

本文建立了车-桥-墩、车-桥-墩-桩土两种单跨桥梁有限元模型，并对比了这两者模型的自振特性的不同规律。分别计算了其50阶振型。当考虑桩土作用后，结构的自振特性出现了明显的改变，桩基础及土体的变形降低了各阶振型对应的频率，桥梁主梁的竖向振型由一阶振型出现变为第三阶振型出现，且主梁竖向振动频率由不考虑桩土作用时发5.46Hz降为4.87Hz，这必将对桥梁结构竖向振动产生较大影响。

(二)共振行为

当列车以速度V通过一跨或者多跨简支梁时，列车荷载近似为一个频率为fv=V/Lv(Lv为车辆全长)的周期性荷载作用在桥梁结构上。当激振频率fv与结构自振频率fb成倍数关系i时，共振现象就会发生，此时桥梁振动响应最大，桥梁第i共振对应的共振车速为：

(1)

一节车箱长度为27.5m，考虑桩土作用下简支梁桥的竖向自振频率为4.87Hz，按(8)式计算处桥梁对应的共振车速为V=3.6×4.87×27.5/1=482km/h。在车-桥-墩系统和车-桥-墩-桩土系统两种模型下，随着行车速度的增加，不同体系的桥梁跨中竖向加速度呈相似的变化规律，均为先减后增的不规则变化。图1为不同车速下桥梁的跨中竖向位移对比、跨中竖向加速度对比图。在车-桥-墩系统和车-桥-墩-桩土系统两种模型下，桥梁结构跨中位移响应与行车速度之间并非呈简单的单调递增或者递减，车-桥-墩-桩土系统的桥梁跨中竖向加速度始终小于车-桥-墩系统的桥梁跨中竖向加速度，尤其在达到共振车速时，桥梁跨中竖向加速度峰值相差甚大。