冲压机械振动对高铁桥梁及行车动力影响分析

杨尚福,蔡成标,朱胜阳,韩兆令,杨吉忠

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都 610031； 2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

进入21世纪以来，我国高速铁路发展迅猛，取得了举世瞩目的重大成就。其中高速铁路线路中桥梁结构占据了重要形式，为保障列车安全运行和桥梁的正常服役，对车辆与桥梁耦合系统进行全面研究，分析评估车辆、桥梁的动力学性能，就成为高速铁路建设中需要研究的重要课题[1-7]。

随着高速铁路覆盖的区域越来越广，高速铁路桥梁将不可避免地穿过一些情况较为复杂的区域，例如高原冻土区域、积雪较久区域、地震活动较强的区域[8-16]等。本文主要研究外部振动激励对高铁桥梁的影响，目前国内外学者已经就地震对于列车运行安全的影响进行了深入研究。其中黄宇辰[17]分析了地震作用下高速铁路FPS隔震桥梁无砟轨道的力学特性，对提高无砟轨道的抗震性能、保障震后高速铁路的正常运营具有重要意义；谭长建[18]研究了地震作用下高速列车与桥梁耦合振动，对轨道不平顺、不同地震波对耦合振动响应的影响进行了比较研究；陈令坤[19]等基于有限元法，建立了高速铁路多跨简支梁桥的梁单元全桥空间分析模型和单墩实体模型，计算了不同地震强度、不同地震荷载组合下，高铁桥梁在是否考虑桩土作用、不同车速以及不同墩高等工况下的弹塑性地震反应。

以某计划修建的高铁为例，设计时速350 km。线路附近有一机械加工厂，厂房内有冲压机械。为探明工厂生产时冲压机械振动对高铁桥梁及运营列车的影响，考虑后期是否拆除此加工厂，本文采用实验与仿真相结合的方法，利用ANSYS和列车-轨道-桥梁动力学分析软件TTBSIM分析地面振动对高铁桥梁及行车的影响，研究方法与结果有助于了解高铁桥梁周边产生的振动响应对列车-轨道-桥梁产生的影响，具有一定的工程实际意义。

2 冲压机械振动实测及仿真验证

2.1 现场试验

机械加工厂可以开启的最大冲击振动力为16 000 kN，但由于工厂铸造需求及设备原因，试验时仅开启了最大冲击力的30%左右，冲压机械如图1所示。

图1 冲压机械

根据振源中心到各桥墩处的距离，选取距振源最近的3个桥墩进行测点布置，均以振源为中心，向桥墩处辐射，共计3条测线，如图2所示，每条测线上相隔10 m布置1个测点。振源中心距离最近处桥墩(2号墩)约80 m。

本次测试的地面振动加速度以垂向、横向加速度为主，传感器安装如图3所示。

图2 冲击振动地面测试点示意

图3 加速度传感器安装

选取3条测线中到2号桥墩这一段(即距振源最近的测线)的数据进行处理分析。图4～图6分别为振源处、距振源50 m(铁路用地红线位置)以及距振源80 m(2号桥墩位置)3个关键位置的垂向和横向加速度。由于横向加速度传递至50 m位置时已经很微弱，基本上只有干扰电信号，所以80 m位置并未列出其横向加速度测试结果。

图4 振源处加速度

图5 距振源50 m处加速度

图6 距振源80 m处加速度

可以看出，同一位置处横向加速度明显要小于垂向加速度，在距振源大致50 m位置处，横向加速度基本衰减完毕。

2.2 地面冲击振动有限元模型及计算结果

研究中建立三维地面振动有限元模型，分析冲压机械作用下，振动波沿土层传播至桥墩处的振动响应，与地面振动测试结果进行对比验证。

为真实模拟现场实际情况，建立如图7所示的地面冲击振动有限元模型。模型为200 m×200 m×40 m的土体，单元尺寸为0.5 m，土体简化分为两层，由地表向下10 m为第一层，土质为粉质黏土；10～40 m为第二层，土质为安山岩。

图7 地面冲击振动三维有限元模型

模型中央位置为模拟的铸造台，在进行有限元计算时，即在铸造台上施加冲击荷载，然后提取周边土体的振动响应，分析其传递至桥墩位置的振动情况。

实验时机器开启的冲击荷载为最大冲击力16 000 kN的30%，所以在有限元模型中施加4 800 kN的冲击荷载。将仿真结果与实测结果进行对比，如图8～图11所示。虽然实测数据在非冲击作用时段仍有干扰信号出现，但在冲击振动作用时段实测与仿真的时域结果和频域结果基本吻合，传递至50 m和80 m位置处的振动主要集中在10～25 Hz。结果验证了有限元模型的可靠性，为后续计算最大冲击荷载作用下对高速铁路桥梁及运营列车的影响提供激励。

图8 距振源50 m位置垂向加速度

图11 距振源80 m位置垂向加速度频谱

3 列车-轨道-桥梁耦合振动分析模型

3.1 列车-轨道-桥梁系统动力相互作用原理

列车通过桥梁时，列车、轨道、桥梁3个子系统分别通过轮/轨相互作用关系和桥/轨相互作用关系耦合成一个整体大系统，在系统激扰作用下，产生耦合振动，从而引起大系统动态响应，包括机车车辆振动响应、桥梁结构动力响应、轨道动力响应及轮轨动作用力响应等。在这一耦合大系统中，轮轨动态相互作用关系作为连接列车与桥梁结构的“纽带”，起到核心作用，如图12所示。

图12 列车-轨道-桥梁动态相互作用模型示意

3.2 列车-轨道-桥梁耦合动力学模型

本文应用列车-轨道-桥梁动力学分析软件TTBSIM进行计算分析[20]。列车-轨道-桥梁耦合动力学模型包括桥梁模型、轨道结构参数、轨道不平顺以及列车类型及其参数。

TTBSIM中桥梁部分采用有限元方法建模，包含梁单元、杆单元、带刚臂单元、板壳单元的单元库，具有较强的可移植性。为提高效率也可以利用桥梁有限元软件Midas Civil来建立桥梁结构的有限元模型，并将模型的节点、单元、节点耦合、材料参数等转换为TTBSIM桥梁模型指定格式，据此建立桥梁的动力有限元模型。

(1)桥梁为5跨简支梁模型，对应机械加工厂旁的部分桥梁，梁体均为32 m双线简支箱梁，墩高为18.5～19.5 m。

基于Mida Civil建立桥梁有限元模型，在模型中，梁体与桥墩均采用了梁单元，墩体之间通过主从自由度实现简支约束。桥梁的有限元模型如图13所示。

图13 机械加工厂附近桥梁结构有限元模型

(2)轨道结构采用CTRSIII型板式无砟轨道。

(3)轨道不平顺谱采用我国高速铁路无砟轨道不平顺谱，考虑到国内无砟轨道线路条件较好，为了模拟线路状态较差的情况，分析也考虑了德国轨道低干扰谱作为轨道不平顺激励。

(4)根据线路的设计情况，设计运行速度以350 km/h为主。研究中列车运行速度按250，300，350 km/h 三个速度等级进行分析。根据该速度等级，选取CRH380B作为研究车辆。

3.3 动力学评价标准

从车辆的运行安全性、平稳性和轮轨动力相互作用以及桥梁动力响应等方面，来分析评价在不同条件下各结构的动态性能。各项指标[20]详情见表1～表3。

表1 列车运行安全性指标

表2 列车乘坐舒适性指标

表3 桥梁动力响应评定指标

4 冲击振动对高铁桥梁及行车的动力影响

4.1 分析工况

冲压气锤工作时为周期性作用，根据实测结果，其作用周期为10～12 s，每次冲击从产生到完全衰减持续1.5 s左右，设定分析的区域为5跨32 m简支梁桥，正常运行的高速列车完全穿越该区域(即8节编组从头车进入到尾车离开)需要4 s，而仅考虑单节车，穿越该区域时间为2 s。因此每组行车工况仅需考虑1次地面冲击振动，且需要确保冲击振动作用时列车刚好经过此桥梁。

在分析中采用的地面振动激励为16 000 kN冲压力作用下的仿真计算结果，参与到动力学分析时段的波形如图14所示。

图14 地面振动激励波形

冲压机械附近的桥梁与振源中心的最短距离为80 m，采用16 000 kN冲压作用下的仿真结果作为外部激励输入到模型中，加载示意如图15所示。计算时不仅考虑了距振源80 m的地面振动作为激励，也选取了距振源50 m的地面振动作为激励进行分析，以期获得较为恶劣工况下的振动响应作为参考。

图15 外部激励加载示意

考虑到运营速度等因素，设置了3组不同车速，即250，300，350 km/h，进行仿真分析，以期获得车-桥系统各动力响应随行车速度的变化规律。

4.2 冲击振动作用对车桥动力影响分析

图16为在无地面振动、距振源80 m处地面振动、距振源50 m处地面振动作用下，速度350 km/h工况的部分波形。

由图16可知，地面振动对桥梁响应会产生一定的影响，距振源50 m处地面振动对桥梁所产生的响应较另两种情况明显，而对轮轨力几乎无影响。并且地面振动对车辆动力学响应方面的影响均非常微弱，此处不再赘述。

由表4可以更直观地看出，距振源80 m处和距振源50 m处地面振动激励作用下相比于无地面振动激励作用下各结构响应增大的情况。距振源越近，对各结构的影响也就越大。

表4 各结构响应增大情况对照

为了分析地面冲击振动对不同车速下列车-轨道-桥梁动力学的影响，提取了相关结构的动力学响应。其中轮轨力以及轮重减载率、脱轨系数等与行车安全性相关的响应幅值如表5所示；车体加速度、车体Sperling指标等与行车平稳性相关的响应幅值如表6所示；桥梁跨中位移、桥梁跨中加速度等桥梁响应幅值如表7所示。

图16 不同地面激励作用下系统响应

表5 地面振动与行车速度下的运行安全性响应幅值

表6 地面振动与行车速度下的运行平稳性相关响应幅值

由表5～表7可以看出，在不同速度下，无地面振动激励、距振源50 m处、80 m处的地面振动激励作用下各工况的车-桥动力响应不同。对研究中所考察的各项动力学指标而言，各项响应随着行车速度增加而增大。在分析的所有工况中，包括不同速度和有无地面振动的情况，各项动力学指标均未出现超标现象。总体而言，研究中所考虑的地面振动对车-桥系统的动力学影响均很小，对行车安全性与平稳性均不构成威胁。

表7 地面振动与行车速度下的桥梁响应幅值

5 结论

本文研究了冲击振动传播至高铁桥梁桥墩处对列车-轨道-桥梁系统的动力学影响，通过分析得到的结论概括如下。

(1)现场实测结果表明，机械厂气锤冲击导致的地面振动随距离增大而迅速衰减，距振源30～50 m后以垂向振动为主，且传播至桥墩位置处的振动已经非常小。

(2)仿真计算结果与实测结果基本吻合，验证了有限元模型的可靠性。通过计算得到了16 000 kN最大冲击荷载作用下桥墩位置的地面振动响应，可以认为这是机械厂生产过程中最不利工况，以此作为外部激励分析其对车桥动态服役性能的影响是合理的。

(3)通过对速度250，300，350 km/h三个速度等级以及无地面振动激励、距振源50 m处、80 m处的地面振动激励作用下各工况的车-桥响应进行分析，各项动力学指标均未超标。因此，冲压机械冲击作用导致的地面振动对列车-轨道-桥梁系统动态服役性能影响非常有限，对行车安全性和平稳性的影响可以忽略，确保后期列车可以正常运行，故此机械加工厂无需拆除，以节省工程项目的额外开支。