高速铁路箱梁振动特性与减振措施

谢晓明

摘要：近年来，随着科技不断发展，我国高速铁路建设得到快速发展，高速铁路对列车运行速度及轨道平顺性的高要求，使得桥梁尤其是箱梁结构在高铁建设中占有重要地位。随着高铁进一步提速及桥梁的结构变化，高铁箱梁在列车荷载作用下产生的振动问题日益被人们所重视。本文以高铁桥梁建设中广泛采用的32m箱梁为研究对象，分析箱梁结构在高速列车荷载作用下的振动特性及其相关有效减振措施。

关键词：高速铁路；箱梁；振动特性；减振措施

1引言

随着现阶段社会经济的不断发展，人民生活水平不断提高，传统的速度慢、载客少、舒适度低的铁路运输已经无法满足人们日益增长的出行要求，在航空与陆路运输的竞争压力下，发展高速铁路已经是大势所趋。高速铁路对列车运行速度具有硬性的标准，为保证其运行过程中的安全性和舒适性，高铁建设对运行线路的平、纵断面要求非常高，对轨道的平顺性也有极高的要求。传统的铁路沿线无法满足高铁运输的高要求，因此在高速铁路的建设当中，以连续箱梁、简支箱梁为主的高架桥已成为高铁线路建设的重要组成部分。

2高速铁路箱梁振动控制措施重要性分析

在中卫至兰州高铁桥梁的建设当中，广泛采用箱梁结构，其中预制混凝土箱梁应用最为广泛，其整体性好、偏心荷载下较为有利、能有效抵抗正负弯矩、刚度大、施工方法多、节省材料、简洁美观等优点让其在桥梁建设中具有广泛的发展运用空间。而当高速铁路在桥梁上运行时，伴随着强大的摩擦损耗和能量输入，在高速列车的动力作用下，会使箱梁结构体系发生振动。高速铁路箱梁振动关系着车辆的平稳性和乘车的舒适性，同时也涉及了桥梁的使用寿命和正常的工作状态，甚至在车桥的动力响应达到一定的界限时会使车桥发生共振，严重影响高速列车的行车安全，对公共财产和乘客生命安全带来极大的危害。

3列车荷载作用下高铁箱梁结构振动特性分析

3.1概述

我国对高速铁路的定义为：新建设计运行时速250km（含预留）及以上的动车组列车，初期运营速度不小于时速200km的高速铁路。因此说运行时速250km是高速铁路的硬性标准，而这个速度标准在实际当中有着安全性的保留，我国大部分高速铁路的设计时速都在300km以上，部分可到350km/h的安全运行限值，且具备提速标准。

我国高速铁路箱梁现阶段包括：时速350km客运专线无砟轨道箱梁；时速250km客运专线有砟轨道箱梁（兼顾货运）；时速250km客运专线（城际铁路）有（无）砟轨道箱梁。中卫至兰州铁路设计时速250km有砟轨道箱梁。

3.2高速铁路箱梁设计参数分析

我国高铁早期建设普遍采用24m跨度箱梁结构，近年来随着高速铁路大量的建设发展，更大跨度的箱梁得到更为广泛的运用。高铁由于对运行条件的高要求，对箱梁结构具有更高的标准，普通铁路桥梁结构跨度不一，现阶段国内常用高铁箱梁桥跨度为24m和32m，以32m箱梁更为普遍，个别路段由于建设条件的差异与限制，采用40m甚至以上跨度的箱梁结构，研究表明跨度更大的箱梁结构是未来高铁发展的趋势之一，就目前而言，32m箱梁结构在高铁建设中运用最为广泛。

3.3荷载作用下箱梁结构振动特性分析

单向行驶的两节时速350km车厢通过32m箱梁共需时间0.88s，在模拟计算过程中，将模拟高速列车通过32m箱梁时间分为500个时间节点，共历时1.643s，前265个时间节点模拟列车荷载通过箱梁，共历时0.88s，后235个节点为无荷载作用下结构振动衰减过程。而不同时间点代表不同荷载作用于箱梁，对结构的影响也不同，在各个时间点下结构竖向加速度峰值均明显出现在承轨台处车轮对荷载作用点上，是由于车轮对荷载作用点位置激励作用尤为明显，结构在车轮对荷载作用位置抵抗荷载冲击，竖向加速度较大，变化也大，故结构竖向加速度峰值均出现在车轮对荷载作用点上。

而箱梁结构竖向位移随着列车车轮对荷载作用时间、位置及轮对数量的不同而不同，结构在预应力筋的作用下跨中区域向上起拱，有一个初始竖向正位移，随着轮对荷载的不断增大，结构的竖向正位移不断减小；梁体加速度随荷载作用较为稳定，变化不大，当轮对荷载驶入或驶出梁体时梁端承轨台荷载作用位置承受很大的轮对荷载的冲击作用，加速度峰值均出现在轮对荷载驶入或驶出梁体时。

荷载作用下箱梁跨中位置位移最大，梁体端部位移最小，从端部到跨中位移呈现增大的趋势，各截面中翼缘处位移较其他位置大很多，截面中线在所有位置中位移最小。从截面中线到翼缘位置振动呈现增大趋势。梁端截面因列车荷载驶入驶出而承受较大的冲击作用，截面翼缘及梗腋位置加速度较其他截面同一位置大很多，振动更为显著。

4高速铁路箱梁减振措施分析

高铁箱梁与传统铁路T梁相比，面板、底板宽度为满足行车要求进一步扩大，梁身跨度根据不同行车速度有着不同的标准，但从经济以及技术的发展考虑，具有进一步增大箱梁跨度的趋势，使得箱梁结构受力及振动影响更为复杂。

4.1结构横向加劲肋的设置

加劲肋的设置可有效增强加劲肋设置方向结构的承载能力，已成为目前广泛使用的措施。加劲肋对于结构振动影响的研究见诸较少，但加劲肋的刚度及对结构承载能力的贡献使其对结构振动势必产生影响。

结构横向加劲肋可增大结构横向刚度，在箱梁面板、底板宽度较大时可有效减小结构横向应力，防止结构纵向裂缝的产生，纵向加劲肋类似，对结构纵向刚度贡献很大，可有效防止结构横向裂缝的产生。

4.2底板纵向加劲肋箱梁结构振动

在箱梁底板设置两根纵向加劲肋能够大大降低结构在列车荷载作用下的竖向振动，结构的竖向加速度峰值可降低20%以上，抗变形能力得到显著提高，是减小箱梁振动的有效措施。

5结论

总而言之，高速铁路在荷载作用下箱梁跨中位置位移最大，梁体梁端位移最小，从端部到跨中位移呈现增大的趋势，而梁端截面因列车荷载驶入驶出而承受较大的冲击作用，振动更为显著。本文主要对时速250km高铁32m箱梁进行了振动特性分析及减振措施简述，因个人能力及时间上的限制，存在的不足仍有待進一步研究。

参考文献：

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（作者单位：中铁二十局集团第二工程有限公司）