多重調頻質量阻尼器(MTMD)作用下32 m混凝土簡支梁的車橋動力特性分析

熊建珍，高芒芒

(中國鐵道科學研究院 研究發展中心，北京 100081)

1 工程概況

蘇州北高架車站為島式站臺，正線及到發線共6股道，軌道及站臺位于橋上，站房位于橋下。站臺范圍橋梁孔跨布置為2×24 m+11×32 m+2×24 m簡支梁，橫向分成獨立的五幅橋，高速正線橋位于中間，為雙線混凝土梁。正線橋梁面寬度為9．98 m。箱底寬5.50 m，梁高3.05 m，單箱單室截面，跨中頂、底、腹板厚度分別為30 cm，28 cm，45 cm，梁端處局部加厚。

為減小正線高速列車通過時對相鄰結構的振動影響，設計中所有房建結構均與正線橋梁部、橋墩、承臺脫開，也與到發線橋梁部脫開;房建結構雨棚柱支承在外側到發線橋墩上部。為進一步研究高架車站的減振降噪措施，擬在正線梁體內安裝多重調頻質量阻尼器(MTMD)，以減小正線橋梁本身振動，降低線下站廳噪聲。

圖1為32 m簡支箱梁內MTMD系統設計平面布置。梁內共設置了8塊質量塊，布置在橋梁跨中區域，每塊質量2 176．8 kg。表1為350 km/h速度條件下質量塊與梁底板之間垂向的剛度、阻尼參數。

圖1 MTMD系統平面布置(單位:cm)

表1 調頻質量阻尼器(MTMD)垂向參數

表2 32 m簡支梁加裝MTMD前后自振頻率對比

表2為加裝MTMD前后高速正線32 m簡支梁的前5階自振頻率的變化，由于加裝MTMD后，橋梁的總重增加，因此橋梁自振頻率均有所降低，其中以一階垂向頻率相對最為明顯，由5.23 Hz降至4.79 Hz。

作為一種被動控制技術，MTMD子系統通過選取適當的質量、剛度及阻尼參數，可以達到有效降低主結構系統橋梁振動的目的。本文針對上面介紹的設計方案進行車橋耦合動力計算，分析加裝MTMD后橋梁及通過車輛的動力響應變化。

2 車橋動力分析模型

簡化為梁單元，墩底考慮了地基剛度對橋梁的振動影響。結構的阻尼簡化為結構總剛度陣和質量陣的線性組合，其中阻尼比按2%選取。全橋有限元模型見圖2。MTMD的質量塊按實際位置和質量通過彈簧和阻尼單元與箱梁梁底板連接。

圖2 橋梁有限元模型

計算車型選取德國ICE3高速動車組，16輛編組，模型中假設車體、轉向架和輪對均為剛體，車體和轉向架各考慮5個自由度，分別是浮沉、橫擺、側滾、點頭及搖頭。每個輪對考慮3個自由度，分別是橫擺、側滾、搖頭。因此對四軸車輛，一節車共有23個自由度。計算采用的軌道不平順樣本由德國低干擾譜生成，波長范圍1～80 m，計算速度為設計速度350 km/h。

橋梁結構采用多自由度有限元模型，以梁式受彎桿件和板殼元為基本單元，橋梁二期恒載7.5 t/m，將其作為均布質量分配到橋面單元中。支座處的約束條件采用主從關系實現。為模擬車輛在橋上充分起振，橋梁建立了15孔簡支梁，梁體采用板單元模擬，橋墩

3 車橋動力計算結果

表3為350 km/h速度下的車橋動力計算的車輛響應值，表中車輛各項動力學指標均滿足相關規范要求，但加裝MTMD后對車輛響應的影響很小，可忽略不計。

圖3為加裝MTMD前后32 m簡支梁跨中附近梁底垂向加速度時程曲線，圖中曲線表明，加裝 MTMD后橋梁在經歷幾個振動周期后，垂向振動加速度幅值開始減小。圖4～圖7為加裝MTMD前后32 m簡支箱梁底部振動最大值沿梁長的分布對比圖。從圖中可知，MTMD對全梁底板在垂向、橫向上的振動均起到了一定的減振作用。

表4為梁底板與其相應位置處的MTMD振動響應，數據表明，MTMD的振動加速度和位移明顯大于對應梁底板處的振動。說明在列車通過橋梁時，梁體內MTMD本身被動振動較大，起到了耗散橋梁振動能量的作用，從而達到了利用MTMD抑制橋梁振動的作用。

圖3 梁底垂向加速度時程曲線

圖4 梁底垂向加速度

圖5 梁底橫向加速度

圖6 梁底豎向位移

4 結論

①加裝MTMD后，橋梁自振頻率均有所降低，其中以一階垂向頻率相對最為明顯。②加裝MTMD對車輛響應的影響很小，可忽略不計。③32 m簡支梁加裝MTMD后橋梁的垂向、橫向振動有所減小。④列車通過橋梁時，梁體內MTMD通過振動耗散橋梁振動能量，對橋梁起到了一定的減振作用。

圖7 梁底垂向速度

表4 梁底板與其相應位置處的MTMD振動響應

［1］沈火明，肖艷平．MTMD控制下車橋動力特性研究［J］．西華大學學報(自然科學版)，2005(7):24-27.

［2］楊宜謙，張煅，周宏業，等．用調頻質量阻尼器抑制鐵路橋梁豎向共振的研究［J］．中國鐵道科學，1998，19(3):12-18.

［3］翟婉明．車輛—軌道耦合動力學［M］．北京:中國鐵道出版社，2001.