环境温度场对铁路钢-混组合桥梁列车走行性的影响

岳奕町 刘丽芳

【摘 要】 由于钢-混组合桥梁导热系数存在显著差异，环境温度场对钢-混组合桥梁的结构行为影响较大。对于高海拔地区的钢-混组合桥梁，环境温度效应可能影响列车行驶安全与舒适性。文章以藏区某铁路双线简支钢箱-混凝土组合梁桥为研究对象，通过固-热耦合数值仿真分析研究其环境温度场以及温致效应，并基于车-桥耦合振动分析理论，进行温致效应下的钢-混组合桥梁列车走行性数值仿真分析。研究结果表明：温度效应引起的轨道竖向变形比轨道横向变形更大，两侧轨道的横向变形差异较竖向变形差异更大;温度效应对车辆运行的安全性、组合梁的动力性能影响不大，对车辆运行的平稳性有一定影响。

【关键词】钢-混组合桥梁; 环境温度场; 温度效应; 车桥耦合振动; 列车走行性

钢-混组合桥梁因良好的力学性能与经济性得到广泛应用[1]。由于钢材的热传导系数是混凝土的50倍左右，钢-混组合桥梁的温度效应比较突出[2-3]。既有研究表明，钢-混组合桥梁的环境温度场与现行规范有所差异[4-6]。从静力学角度，温度效应产生的温度应力可能导致桥梁局部破坏，影响结构性能;从动力学角度，温度效应导致的桥梁变形可作为系统激励的一部分，可能影响行车安全性与舒适性。既有研究表明，考虑环境温度作用后大跨度桥梁的列车走行性可能发生较明显变化，列车安全性及舒适性指标有所降低[7-13]。

现有考虑环境温度作用的桥梁列车走行性研究多针对大跨度钢桥或混凝土桥本文针对一座四川藏区钢-混组合桥梁，通过固-热耦合分析研究桥梁的环境温度效应;基于车-桥耦合振动分析理论，研究温致效应下该桥的列车走行性，以期为该类桥梁结构建造提供参考借鉴。

1 钢-混组合梁桥温致效应

研究对象为一座40 m简支钢箱组合梁，截面形式见图1。组合梁高4 m，宽12 m，混凝土板厚0.35 m，为双线铁路桥，轨道中心线距桥梁中心线2.2 m，每跨有12道横梁。

为了消除初始温度的不确定性所带来的误差，本文分析了在同样的气候条件下4天内的逐小时温度响应，取温度曲线基本稳定的第四天的温度场进行后续温度变形的计算。

1.2 桥梁温度变形

采用间接分析法进行热-结构耦合分析，将桥梁温度场作为体荷载加载到结构中，逐小时分析结构24 h温度效应。设置合龙温度为20 ℃，其他主要计算参数见表2。

温度效应的分析通常包括结构整体和局部的应力与位移情况，本文主要分析车桥动力响应受温度效应的影响，因此集中分析结构变形。以桥面跨中竖向位移为标准，提取正、负温差下桥梁钢轨处最不利横竖向变形曲线。根据图3可知，跨中竖向位移最大为5.88 mm，出现在6：00，负温差下桥梁整体上拱见图4（a）;跨中竖向位移最小为-5.36mm，出现在18：00，正温差下桥梁整体下挠见图4（b）。提取6：00和18：00时刻东侧轨道线路的两侧轨道位置处桥梁的位移曲线，作为相应轨道的变形，如图5所示。由图可知，钢轨竖向变形大于横向变形，东西两侧钢轨的竖向变形差距微小。

2 车桥耦合振动分析

2.1 车桥耦合模型

以多刚体动力学理论在UM软件中建立CRH2空间车辆模型，每节车由1个车体、2 个构架、8个轴箱和4 个轮对共15个刚体组成。整车系统有两系悬挂，且考虑了各减振器的非线性特性。车体、构架和轮对均有6个自由度，每个轴箱有1个转动自由度，加上二系横向减振器和坑蛇形减振器的粘弹性力元的附加自由度，每节车共有58个自由度。车辆编组为4动4拖八节车。

轨道模型可分为连续弹性基础梁模型和连续弹性点支承模型。连续弹性基础梁模型把钢轨视作弹性支撑在轨下结构上的Winkler地基梁;连续弹性点支承模型将钢轨按轨枕间距以离散的弹性-阻尼力元支承。后者相比前者是更精细的轨道模型，而结合本文的研究需求，选择计算效率更高的连续弹性基础梁模型，也就是UM软件中的无质量轨道模型。

钢轨采用的 60 kg/m 钢轨（CN60轨），车轮踏面为LMA磨耗型踏面，轮轨接触采用基于Kalker简化理論的Fastsim算法。轨道不平顺采用中国高速铁路轨道谱，考虑温度效应的工况要分别叠加6：00和18：00的轨道处桥梁横、竖变形。

采用基于固定界面的Craig-Bampton模态综合法将热-结构耦合分析中的桥梁有限元模型导入到UM软件中，作为车桥耦合模型中的柔性桥梁子系统。考虑温度变形造成的梁端转角是影响车桥动力响应的重要因素，设置三跨简支梁桥，梁间伸缩缝为30 mm。

2.2 车桥耦合计算

两种典型的车桥相互作用分析方法分别为分离法和耦合法。以往分离法应用较多，它将车辆系统和桥梁系统分割开来计算，可以得到比较有用的桥梁动态响应，但由于车辆动力学计算时并未考虑到桥梁柔性的影响，因此车辆的安全性、平稳性和乘坐舒适性指标并不能反映实际情况。而耦合法考虑车辆系统和桥梁系统的交互作用（迭代）：当车辆运行到桥梁上时，车辆荷载会使车轮下方（轮轨接触点处）钢轨、轨枕、道床和桥梁等轨下结构发生弹性变形和刚性位移，形成总的钢轨位移，钢轨位移和速度的变化会改变作用在车轮上的接触力，该力又反作用于钢轨，传递到轨下结构，引起新的动态响应。故选择耦合法进行计算。

头车距桥梁30 m，前10 m无轨道不平顺，积分步长0.005 s。车辆行驶方向由南向北，从东侧线路上桥，仿真距离380 m。分别计算对比车辆160 km/h、180 km/h、200 km/h、220 km/h、240 km/h的速度通过桥梁，在桥梁无温度变形、6：00整体上拱和18：00整体下挠情况下的车桥动力响应。

3 车桥系统响应

3.1 桥梁动力响应

图6给出了第二跨简支梁在各工况下的跨中横向位移、加速度和横向位移、加速度与车速的关系。由图可知桥梁动力响应受温度效应影响较小，这是由于轨道温度变形属于长波不平顺，而桥梁结构响应多由短波不平顺控制。车速180 km/h时桥梁的横向位移和加速度突然变大，可能是产生了共振。

3.2 车辆动力响应

图7给出了动车组第一节车（拖车）的第一个轮对在各工况下轮重减载率、脱轨系数和横向轮轨力与车速的关系。由图可知车辆的运行安全性受温度效应影响较小。

图8给出了车辆在各工况下车体横竖向加速度和Sperling指标与车速的关系，由图可知车辆的运行平稳性受温度效应影响较大。车体横向加速度与横向Sperling指标在6：00桥梁整体上拱时最为不利，车体竖向加速度与竖向Sperling指标在18：00桥梁整体下挠时最为不利。车速200 km/h时，18：00的车体竖向加速度b无温度变形工况下的百分差最大，达到了44.38 %。6：00桥梁整体上拱对车辆横向加速度的影响随车速的增加而增大（表3）。

4 结论

（1）日照条件下，逐小时分析钢箱组合梁的温度变形，得到跨中竖向位移中最大值出现在6：00，桥梁整体上拱;最小值出现在18：00，桥梁整体下挠。东侧线路的两侧钢轨的竖向位移相差不大，横向位移有一定差距。

（2）将温度变形与轨道不平顺组合作为车桥系统激励，对比不同车速及不同温度工况下的车桥响应，组合梁桥的动力响应和车辆运行安全性受温度效应影响不大，而车辆运行舒适性，特别是车辆竖向加速度受温度效应影响较大。所有车桥响应指标均在规范限值内。

（3）车辆竖向加速度受温度效应影响程度与车速没有明显关联，而车辆横向加速度受温度效应影响程度随车速的增大而增大。

参考文献

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