桥墩温度变化对桥上道岔动力特性的影响

2024-01-18林红松潘自立

铁道标准设计 2024年1期

徐浩，林红松，曹保，潘自立

(1.广州航海学院土木与工程管理学院,广州 510725; 2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

引言

道岔是铁路线路的薄弱环节,是影响行车平稳性与安全性的关键设备[1]。随着高速铁路的发展,我国先后研制了时速250 km和350 km系列高速道岔。列车-道岔系统耦合动力学理论是研究列车过岔时的动态行为以及评估高速列车过岔时安全性和平稳性的基础,为此,国内外学者对列车-道岔系统动力学进行大量研究[2-5]。如王平[2]基于轮轨系统动力学,结合道岔区轨道结构自身特点,研究了道岔区多点轮轨接触关系,率先建立列车-道岔空间耦合动力学分析理论;陈嵘等[3-5]建立了完整的车辆-道岔-桥梁耦合系统动力学模型,并研究了道岔结构参数、桥梁跨度、等宽与变宽连续梁等不同因素对桥上无缝道岔动力特性的影响规律;GURULE等[6]利用Nucars软件研究了车辆通过道岔时的动态响应;SCHUPP等[7]研究了道岔区的轮轨多点接触在多体动力学仿真中的实现方法;KASSA等[8]则采用多体动力学软件GENSYS实现了列车-道岔动力学模型的建立,并研究了列车-道岔耦合系统的动态力学响应;陈小平等[9]基于车辆-道岔耦合动力学模型,研究了轨道刚度对250 km/h客运专线无砟道岔动力特性的影响;SEBES等[10]基于多点赫兹接触理论,研究了列车通过道岔时的接触应力及等效应力等动态影响;陈伯靖等[11]基于有限元软件ABAQUS建立车辆-道岔-无砟道床-高架桥梁耦合动力学模型,研究了桥梁墩台沉降对系统动力特性的影响规律;辛涛[12]基于Fortran和ANSYS建立了列车-无砟道岔-桥梁耦合系统,研究了高速铁路无砟道岔的动力特性;伍曾等[13]基于车辆-道岔-桥梁耦合动力学,研究了道岔与桥梁的合理相对位置;李仓楠[14]基于SIMPACK和ABAQUS联合仿真建立了车岔桥系统动力学模型,研究了无砟道岔的动力特性;王平[15]、高亮等[16]针对桥上道岔,建立了列车-道岔-桥梁耦合系统动力学模型,研究了高速列车通过桥上道岔时的动力响应,并与现场实测数据进行了对比验证;王慧东等[17]针对韩江大桥,研究了道岔连续梁上车桥耦合振动响应;WANG等[18]模拟评估了列车通过道岔时的脱轨风险;刘冀等[19]研究了车轮磨耗对高速车辆侧向通过道岔时动力特性的影响。

尽管国内外学者针对列车-道岔系统动力学、列车-道岔-桥梁系统动力学进行了不少研究,研究内容涵盖列车-道岔空间耦合理论、车-岔-桥耦合动力学、道岔脱轨仿真等方面,但均未考虑桥墩变形引起的轨道不平顺对车-岔-桥系统动力特性的影响,为此有必要研究温度荷载下桥墩变形对桥上道岔系统动力特性的影响。

某高速铁路18号道岔位于(40+56+40) m变宽连续梁上,受地理环境限制,该连续梁的桥墩高度差异较大,相邻桥墩的高度差最大达到29.5 m。以该高墩差连续梁上道岔为研究对象,建立车辆-道岔-桥梁耦合动力学模型,研究了温度作用下桥墩变形对高速列车安全性和平稳性、道岔变形的影响,从而为高墩差大跨连续梁上道岔设计和铺设提供参考。

1 工程概况

某高速铁路设计速度为350 km/h,正线采用双块式无砟轨道。两组18号单开道岔(客专07(009))对称位于(40+56+40) m的变宽连续梁上,道岔的岔心距右侧梁端55.66 m,桥梁总布置为8×32 m简支梁+(40+56+40) m变宽连续梁+(68+68) m连续T构。桥梁及道岔布置如图1所示。

变宽道岔梁的桥墩从左至右编号依次为8号、9号、10号和11号,桥墩高度分别为23.5,22.0,40.5 m和70 m。道岔梁相邻桥墩高度差最大为10号和11号桥墩,墩高差为29.5 m。由于目前高速道岔主要铺设于主跨48 m的连续梁上,且高墩及相邻墩高差在温度作用下引起的竖向变形可能对道岔的动力学特性有影响,因此,有必要对高速列车通过道岔的安全性和平稳性进行评估。

2 列车-道岔-桥梁耦合动力学模型及验证

2.1 列车-道岔-桥梁耦合动力学模型

利用多体动力学软件UM建立CR400型高速动车组模型,将车体、转向架、轮轨等均视为刚体,忽略其弹性变形;一系、二系悬挂采用弹性原件模拟,建立的车辆模型包含50个自由度。在UM软件中,道岔的模拟考虑道岔线型及钢轨截面沿道岔纵向的变化,具体做法同文献[20],轮轨接触采用非线性赫兹接触理论进行求解,利用UM软件建立的列车-道岔模型如图2所示。

图2 列车-道岔耦合模型Fig.2 Coupling model of vehicle-turnout

根据文献[5]可知,对于桥上无砟道岔,可将钢轨直接与桥面连接,桥轨关系体现为钢轨与桥梁的相互作用,基于此建立的桥上无砟道岔有限元模型如图3所示。桥梁两侧为路基,为消除边界条件的影响,模型中桥梁两侧路基长度为120 m。

图3 桥上无砟道岔有限元模型Fig.3 Finite element model of ballastless turnout on bridge

列车-道岔-桥梁耦合动力学建模的基本思路是通过在多体动力学软件中建立车辆和刚性道岔模型,与ANSYS桥上道岔有限元模型中的轨道变形进行实时交互迭代,从而达到列车-道岔-桥梁耦合的目的。

2.2 计算参数

车辆采用CR400型标准动车组,车辆的主要计算参数如表1所示。

表1 CR400型动车组参数Table 1 Parameters of CR400 multiple units

道岔采用60 kg/m 18号可动心道岔(客专(07)009),道岔全长69 m,前长31.729 m,后长37.271 m,轨距1 435 mm,平面线型为切线型,导曲线半径1 100 m,尖轨采用弹性可弯结构,尖轨跟端按限位器设计,道岔平面线型如图4所示。道岔直向容许通过速度为350 km/h,侧向容许通过速度为80 km/h。简支梁和变宽道岔梁的典型参数如表2所示。

表2 桥梁截面参数Table 2 Bridge section parameters

图4 道岔平面线型[21](单位:mm)Fig.4 Plane alignment of turnout[21] (unit: mm)

2.3 模型验证

为验证车辆-道岔-桥梁系统耦合动力学模型的准确性与可靠性,不考虑桥墩高度差的影响,计算时仅考虑道岔结构本身的不平顺,分析高速列车直向过岔和侧向过岔时系统动力特性,并与相关文献进行对比验证。具体计算工况如下。

工况一:动车组以385 km/h直向过岔,不考虑高墩变形的影响。

工况二:动车组以90 km/h侧向过岔,不考虑高墩变形的影响。

对比文献[14]中的计算工况为高速列车以385 km/h速度直向通过4×32 m变宽连续梁上18号无砟道岔,对比文献[15]中的计算工况为高速列车以385 km/h速度直向通过6×32 m连续梁上18号无砟道岔,实测数据为京沪高铁徐州东站桥上无砟道岔动力测试结果,测试速度为300～325 km/h。

本文计算结果与相关文献的对比结果如表3所示。

表3 计算结果对比Table 3 Comparison of calculation results

从表3可知,由于本文分析的道岔梁及道岔布置与对比文献存在一定差异,相关指标分析结果也存在一定差异。但从车体垂向和横向加速度、轮轨垂向力、横向力、尖轨开口量、心轨开口量等数据看,本报告计算结果与对比文献[14-15]及实测动力结果吻合度基本良好;由于本文采用主跨56 m连续梁,其桥梁竖向抗弯刚度与32 m连续梁存在较大差异,故钢轨垂向位移、桥梁垂向位移较对比文献[14-15]大。

综合来看,本文计算结果与文献[14-15]及实测动力结果吻合良好,说明本文采用的计算方法具有一定的可靠性和准确性,能用于高速列车-无砟道岔-桥梁系统耦合动力学分析。

3 计算结果分析

3.1 计算工况

为评估高速列车过岔的安全性和平稳性,轨道不平顺除了考虑道岔结构不平顺外,还考虑桥梁高墩差引起的轨道不平顺。考虑最不利工况,即桥墩温度变化取为±30 ℃,计算工况如下。

工况一:桥墩升温30 ℃,动车组以385 km/h直向过岔。

工况二:桥墩降温30 ℃,动车组以385 km/h直向过岔。

工况三:桥墩升温30 ℃,动车组以90 km/h侧向过岔。

工况四:桥墩降温30 ℃,动车组以90 km/h侧向过岔。

由于桥墩温度变化30 ℃,引起的道岔区钢轨不平顺如图5所示。

图5 桥墩温度变化引起的钢轨不平顺Fig.5 Rail irregularity due to the temperature variation of bridge pier

从图5可知,桥墩升降温对钢轨竖向变形影响较大,当桥墩温度变化为30 ℃时,钢轨的最大竖向变形为20.97 mm,出现在桥墩最高处,即11号桥墩处。

3.2 评价标准

根据TB/T 3301—2013《高速铁路道岔技术条件》和文献[5],车辆-道岔-桥梁系统动力学性能的评价指标及限值如表4所示。

表4 车辆-道岔-桥梁动力学性能评价指标Table 4 Dynamic performance evaluation index of vehicle-turnout-bridge

3.3 直向过岔

当考虑桥墩高度差引起的轨道不平顺,且动车组以385 km/h速度直向过岔时,车辆-道岔-桥梁耦合系统动力学响应如图6所示。

图6 车辆-道岔-桥梁耦合系统动力学响应Fig.6 Dynamic responses of coupling system of vehicle-turnout-bridge

从图6可知,考虑桥墩变形引起的不平顺后,不同工况下轮轨垂向力和横向力与不考虑桥墩变形的情况类似。

降温工况下前轴轮轨垂向力最大为130.13 kN,轮轨横向力为7.45 kN;脱轨系数最大值为0.09,轮重减载率最大为0.59;车体横向振动加速度为0.13 m/s2,车体垂向振动加速度为0.42 m/s2;道岔区钢轨垂向位移为1.44 mm,道岔尖轨开口量0.063 mm,心轨开口量0.061 mm;桥梁振动加速度最值为0.336 m/s2。

升温工况下前轴轮轨垂向力最大为131.59 kN,轮轨横向力为6.96 kN;脱轨系数最大值为0.09,轮重减载率最大为0.63;车体横向振动加速度为0.12 m/s2,车体垂向振动加速度为0.43 m/s2;道岔区钢轨垂向位移为1.54 mm,道岔尖轨开口量0.067 mm,心轨开口量0.059 mm;桥梁振动加速度最值为0.331 m/s2。

可见,当考虑桥墩升、降温时,高速列车以385 km/h速度直向通过连续梁上道岔时,系统动力学指标均满足规范要求。