列车荷载作用下临时装配式钢桥动力响应
2022-06-29白永明曹立朋
白永明 曹立朋
摘 要：为了研究在列车荷载作用下铁路装配式临时应急钢桥的动响应，本文建立了车-桥耦合振动系统模型，并对其运行规律进行研究，在列车不同时速下，分析了行车安全性以及桥梁动力响应，对比了列车不同时速通过桥梁时对临时钢桥动力响应的影响规律。结果表明：当列车时速为60 km/h通过桥梁时，车辆与桥梁的动力响应符合规范要求;随着列车运行时速增加，车辆和桥梁的动力响应也相应增大，但影响曲线是属于非线性的;列车的最大通行速度建议为80 km/h。
关键词：车-桥耦合;装配式桥梁;行车安全性;UM软件;响应
中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2022）03-0016-03
0引言
铁路车辆通过桥梁时，车-桥耦合效应会引起桥梁断裂或者列车脱轨。为了研究车-桥耦合效应，很多专家做出巨大贡献。陈英俊等简化车-桥模型，建立了车-桥-墩系统模型并进行了现场试验验证[1];李旺旺等为分析重载列车作用下钢桁梁桥的动力性能，建立了空间重载铁路与跨度48 m钢桁梁桥耦合振动模型，对轨道不平顺、列车轴重和列车速度等因素进行系统分析[2];蔡小杨等为了研究单轨列车与双层桥面钢桁梁动力学性能，建立了车-桥空间耦合动力学模型，在不同车速作用下，研究了列车的动力响应并评估了行车安全性[3];朱志辉等基于Ansys-Matlab联合仿真的车-桥耦合分析方法，研究了移动列车引起钢桁梁桥局部应力;雷虎军等采用自编的车-轨-桥-地震分析程序，研究了脉冲参数对车-桥耦合系统动响应;熊鹰为研究多线铁路大跨度钢桁梁桥耦合振动规律，建立了列车与多线钢桁梁桥耦合动力模型，分析了列车通过该桥时的桥梁动力响应。上述文献对车-桥耦合研究仅针对混凝土桥梁以及铁路钢桁梁，而对铁路装配式的临时应急钢桥动力响应研究较少。
为了保证行车安全性，在移动车辆荷载作用下，研究铁路装配式临时应急钢桥的动力响应。通过建立车-桥耦合系统的振动分析模型，采用UM軟件进行仿真，求解不同时速下的车-桥动力学响应的变化规律。
1工程背景
本文以中铁十二局北京市通州区广渠路东延下穿通东机场专用线框架桥工程为背景，研究施工现场架设的铁路临时应急钢桥的车桥动力学响应。广渠路东延（怡乐西路至东六环路）起点接怡乐西路高架桥，终点与东六环相交，路线沿现况通朝大街，运河东、西大街布线，全长约7.6 km，该道路分为地面道路及地下道路两系统，伴随地下道路同步建设市政综合管廊。广渠路东延需要下穿通东机场专用线铁路，该专用线铁路为61267部队产权，起点为通州站，终点为通东机场，南北走向，非电气化有缝铁路，采用43 kg/m轨，铁路路肩与两侧地面基本齐平，为单线铁路。为保证基坑开挖后铁路尽可能早地恢复交通，上跨基坑假设铁路临时应急钢桥，跨度设计为（14+40+14） m单线，以货运为主，采用现场拼组的结构形式完成施工，桥梁现场拼组见图1。
2车-桥耦合系统模型
2.1 建立车辆系统模型
铁路车辆由车体、转向架、轮对等主要部件构成，车体与转向架间通过二系悬挂装置相连、转向架与轮对间通过一系悬挂装置相连，悬挂装置多为弹簧-阻尼器，则列车为多自由度振动体系。车体、转向架与轮对均有沿X、Y、Z方向的平动自由度以及绕X、Y、Z方方向的转动自由度，共计6个自由度，分别对应为伸缩、横移、沉浮、摇头、侧滚、点头6种基本振动形式，每节车有一个车体、两个转向架、四个轮对，共计7个刚体，42个自由度。
车辆模型按照C70型货车参数建立，由三节货车车辆组成，C70型货车车辆模型见图2。
2.2 建立桥梁系统模型
临时钢桥利用有限元软件ansys建模，桥梁全长40.7 m，采用solid185单元，单元数共计846 465个，桥梁有限元模型如图3，桥梁振动特性见表1，桥梁结构的固有频率与振型见图4。
2.3 车桥系统的建立
利用动力学原理建立车辆方程，矩阵形式如下：
（1）
桥梁采用有限元法建模，振动方程矩阵形式如下：
（2）
式中[cv]、[kv]、[mv]、[cb]、[kb]、[mb]分别为车辆、桥梁的阻尼、刚度、质量矩阵，{?}、{?}、{u}是相应的加速度、速度、位移向量，{pv}为作用于车辆上的轮轨力、{pb}为车辆通过轮轨作用于桥梁上的作用力。{pv}、{pb}是作用于车辆、桥梁上的轮轨力。
采用赫兹非线性理论，轮轨力方程确定如下：
（3）
（4）
式中pri（t）、pli（t）分别为左/右轨的竖向力;ω为轮对轴重;zωi（t）为第i个轮对在t时刻的动位移;zri（t）、zli（t）分别为左右轨第i个轮对在t时刻对应钢轨位置的竖向位移;G为轮轨接触常数，锥形踏面车轮的轮轨接触常数取4.57r0-0.149×10-8m/N2/3。
建立车-桥耦合振动方程后，利用UM软件进行计算。Universal Mechanism（UM）程序是一款多体动力学计算软件，由俄罗斯Bryansk State Technical University力学实验室开发。通过UM前处理软件与ANSYS软件联合，实现外部子系统和内部车-轨系统耦合，形成车-桥耦合模拟，采用采用Park求解器，蠕变力算法采用FASTSIM，求解车-桥耦合系统（图5）。9ACE96D3-02A5-479D-BA21-0456D911058B
3车-桥耦合仿真动力响应
列车过桥时会引起桥梁振动，列车行车时的安全性和平稳性是最关注因素。为保证车辆行车安全性，需计算桥梁跨中竖向挠度、加速度、脱轨系数、轮重减载率等安全指标。本节列车时速取60km/h，轨道不平顺取美国五级轨道谱，轮对为LMA踏面，钢轨采用RAIL60型轨。
4结论
通过车-桥动力学响应可以得出如下结论：
（1）列车时速为60 km/h时，三节满载C70型货车通过临时钢桥时引起的车体和桥梁动力响应符合规范安全限值。
（2）随着速度提高，车辆和桥梁动力响应总体呈增大趋势，呈非线性增加趋势。
（3）列车速度为80 km/h时，车桥动响应增幅过大，接近安全限值，因此列车过桥时的安全速度建议不超过80 km/h。
参考文献
[1] 夏禾，陈英俊.车-梁-墩体系动力相互作用分析[J].土木工程学报，1992，25（2）：3-12.
[2] 李旺旺，季文玉，朱力，等.重载车桥耦合作用下48m钢桁梁橋动力性能[J].铁道工程学报，2020（1）：31-37.
[3] 蔡小杨，李小珍，王雷，等.大跨度公轨两用钢桁梁斜拉桥车桥耦合效应及影响参数研究[J].铁道科学与工程学报，2021，18（8）：2 097-2 104.
Dynamic Response of Temporary Assembled Steel Bridge under Train Load
BAI Yongming， CAO Lipeng
（The Third Engineering Co.， Ltd. of China Railway 12th Bureau Group， Taiyuan Shanxi 030024）
Abstract： In order to study the dynamic response of the railway fabricated temporary emergency steel bridge under the action of train load， this paper establishes a vehicle-bridge coupled vibration system model， and studies its operation law， and analyzes the safety of trains under different train speeds. As well as the dynamic response of the bridge， the influence laws of the dynamic response of the temporary steel bridge when the train passes through the bridge at different speeds are compared. The results show that when the train passes the bridge at a speed of 60km/h， the dynamic response of the vehicle and the bridge meets the requirements of the specification; as the operating speed of the train increases， the dynamic response of the vehicle and the bridge also increases， but the influence curve is non-linear ; The recommended maximum speed of the train is 80km/h.
Keywords： vehicle-bridge coupling; fabricated bridge; traffic safety; UM software; response
收稿日期：2022-01-04
作者简介：白永明（1986—），男，吉林洮南人，本科，副高级工程师，研究方向：市政工程。9ACE96D3-02A5-479D-BA21-0456D911058B
