車—橋耦合系統振動性能評價標準研究

裴小杰

摘 要：隨著我國軌道交通高速重載的發(fā)展趨勢，橋梁工程作為線路的咽喉，其車-橋耦合分析對于保證橋梁的安全和車輛的舒適至關重要，針對各國不同的車-橋耦合評價標準，做出了詳細的總結和對比，為后續(xù)車-橋耦合系統的分析提供依據。

關鍵詞：車-橋耦合；振動性能；評價標準

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.022

0 引言

隨著我國“一路一帶”戰(zhàn)略的不斷深入，軌道交通業(yè)得到了迅速的發(fā)展，而橋梁工程在線路工程中的比例也不斷增加，橋梁作為其咽喉工程，面對頻發(fā)的鐵路安全事故，為保證人民的生命和財產安全，橋梁的安全性以及車輛的舒適性能至關重要。列車通過橋梁時將引起橋梁結構振動，而這種振動會反作用于車輛的振動，這種相互作用與影響稱之為車-橋耦合振動[1]。這種相互作用，不僅與橋梁自身特性有關，而且還取決于車輛行駛速度、類型、編組情況、輪軌接觸以及線路狀況[3]。

車-橋耦合系統包括橋梁子系統和車輛子系統，用輪軌相互作用進行連接。車輛過橋時將產生振動，若這種振動超過一定的允許范圍，則會影響列車的運行安全性和穩(wěn)定性。如果正常的輪軌關系被破壞，將造成脫軌甚至車輛傾覆。對于橋梁結構，如果車輛過橋時發(fā)生共振，將會導致橋梁垮塌，造成嚴重的危害。現在各個國家對于車-橋耦合系統的評價執(zhí)行各自的標準，本文旨在對各個標準進行比較，從而能夠針對某一座橋梁的車-橋耦合系統進行分析時提供評判標準，不僅保證了橋梁的安全和穩(wěn)定也對車輛安全和行車舒適提供了依據[2]。

1 車-橋耦合評價系統分類

整個耦合系統可以分為橋梁振動評價指標和車輛運行評價指標，其中橋梁振動評價指標又包括橋梁動力響應評價和橋梁自振特性評價，車輛運行評價指標包括車輛安全性與平穩(wěn)性評價。

2 橋梁動力性能評定及標準

橋梁作為車輛通行的重要工具，其安全性直接影響到車輛的通行安全，不同國家都頒布了相關規(guī)范、準則對車輛通過橋梁時的動力性能進行評價，如歐洲鐵路聯盟（UIC）的“EUROCODE”規(guī)范，日本的《鐵路結構設計標準》、《鐵道構造物設計標準》（鐵道綜合技術研究所），德國的鐵路設計規(guī)范，我國的《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運函[2004]120號）、《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》（TB10002.1-99）、《高速鐵路設計規(guī)范（試行）》（TB10621-2009）等規(guī)范都提出了相應的規(guī)定和限值。

2.1 橋梁自振頻率

日本研究所[3]規(guī)定貨車或客車范圍內，橋梁橫向自振頻率在110/L與120/L之間。日本標準[4]規(guī)定對于高速鐵路橋梁的豎向自振頻率（單位為Hz）應大于等于55L-0.8。前蘇聯采用自振周期衡量橋梁橫向剛度為：跨徑小于150m時，T小于等于0.012L；跨徑大于150m時，T小于等于1.8。我國規(guī)范[5]規(guī)定低合金鋼桁梁橋橫向自振頻率為大于等于90/L。我國其他規(guī)范[6]給出橋梁自振頻率限值為：

以上規(guī)范均表示跨度，單位m。

2.2 橋梁振幅和加速度

（1）橋梁橫向振幅。日本國鐵研究所[3]給出的限值為：貨車速度時橋梁最大振幅在，客車速度時橋梁最大振幅在。我國規(guī)范[5]對低合金鋼桁梁橋橫向水平幅值限定為小于等于L/2.2B，表示跨度，單位m；為鋼桁梁橋主梁中心距，單位m。

（2） 橋梁振動加速度.我國規(guī)范[7]對橋梁跨中豎向振動加速度規(guī)定為小于等于0.35g。我國規(guī)范[5]對橋梁結構橫向振動加速度限值規(guī)定為小于等于0.14g。

2.3 橋梁變位標準

我國規(guī)范[8]規(guī)定車輛的新建、改建標準軌距的鐵路橋梁，簡支桁梁橋豎向撓度容許值限定為小于等于L/900。日本標準[4]規(guī)定時速為的電車及內燃動車荷載作用于的單跨橋梁時為小于等于L/900。

3 車輛振動性能評定及標準

車-橋耦合振動研究中對于車輛子系統的振動性能評定主要包括車輛運行安全性評定和車輛運行平穩(wěn)性評定。車輛運行安全性主要根據脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等指標評定；車輛運行平穩(wěn)性主要根據車體振動加速度（垂向、橫向振動加速度）和平穩(wěn)性指標評定。

3.1 車輛運行安全性標準

（1）脫軌系數。脫軌系數是作用在單側車輪上的橫向力和垂向力的比值，主要作用時防止輪對脫軌[9]，Nadal公式為：

式中，為車輪的輪緣角；為輪軌接觸點處滑動摩擦系數；為單側輪對的橫向力；為單側輪對的垂向力[9]。我國規(guī)范[10]對機車的脫軌系數規(guī)定： 小于等于0.6為優(yōu)良。各國對脫軌系數的控制限值規(guī)定如下，歐洲鐵路聯盟小于等于1.2；德國高速試驗小于等于0.8；日本提速試驗小于等于0.8；北美鐵路小于等于1.0。

（2）輪重減載率.輪重減載率為輪對橫向力時，因一側車輪嚴重減載導致脫軌的安全性指標。其值為減載側輪對的輪重減載量與輪對的平均靜輪重之比，記為。我國規(guī)范[11]對車輛的輪重減載率規(guī)定，小于等于0.65為危險標準，小于等于0.6為允許標準。我國其他規(guī)范[12]-[14]規(guī)定則為小于等于0.6。

（3）輪軌橫向力。我國規(guī)范[11]對輪軌橫向力Q的評價標準為：

式中，為同一個輪對上左右兩個車輪橫向力之和，單位為kN。歐美鐵路根據試驗，一般取0.4倍軸重作為橫向力的允許限度，即要求[14]小于等于0.4Pw，為靜軸重（kN）。我國其他暫行規(guī)定[14]限值為小于等于0.8kN。

（4）輪軌垂向力。德國規(guī)范規(guī)定輪軌垂向力小于等于170kN。我國規(guī)范[85]采用的設計動輪載為300 kN。

3.2 車輛運行平穩(wěn)性標準

（1）車體振動加速度。我國規(guī)范[11]對車輛振動加速度指標規(guī)定：車輛的豎向加速度（m/s?）對于貨車要小于等于0.70g，客車要小于等于0.20g；車輛的豎向加速度（m/s?）對于貨車要小于等于0.50g，客車要小于等于0.15g。我國行業(yè)標準[10]對機車車體振動加速度指標的規(guī)定：機車車體豎向加速度（m/s?）小于2.45為優(yōu)良，機車車體橫向加速度（m/s?）小于1.47為優(yōu)良。歐洲規(guī)范規(guī)定車體垂向振動加速度的評定標準：車體垂向振動加速度（cm/s?）小于100為優(yōu)秀，小于130為良好，小于200為合格。

（2）舒適度指標。有ISO2627法、等舒適度評定法及平穩(wěn)性評定法，其中，平穩(wěn)性評定法即所謂的Sperling指標是應用最廣泛的評定方法。

我國規(guī)范[11]給出了車輛的Sperling計算公式：

4 結論

（1）根據車-橋耦合系統振動的特點，對車-橋動力相互作用性能評價指標體系進行簡要闡述；（2）結合歐洲規(guī)范、日本規(guī)范、我國規(guī)范以及試驗研究成果給出了車-橋耦合振動研究的評價標準；（3）對橋梁動力性能各項指標（自振頻率，豎、橫向振幅、豎、橫向振動加速度等）提出相應的限值，形成統一的評價體系；（4）對車輛振動性能各項指標（安全性指標：脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力；穩(wěn)定性指標：車體振動加速度（豎、橫向）、Sperling指標）提出相應的限值，形成統一的評價體系。

參考文獻：

[1]翟婉明，夏禾等.列車-軌道-橋梁動力相互作用理論與工程應用[M].北京：科學出版社，2011.

[2]萬家.高速列車-無砟軌道-橋梁耦合系統動力學性能仿真研究[D].鐵道科學研究院博士學位論文，2005.

[3]鐵道綜合技術研究所（RTRI）[S].日本鐵道構造物設計標準，1992.

[4]日本土木學會.鐵路結構設計標準-混凝土結構，1996.

[5]鐵運函[2004]120.鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[6]鐵道部工務局.既有線路橋隧設備（行車速度120-160km/h）暫行技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，1996.

[7]TB10621-2009.高速鐵路設計規(guī)范（試行）[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[8]TB10002.1-99.鐵路橋涵設計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2000.

[9]向俊，曾慶元，周智輝.橋上列車脫軌的力學機理、能量隨機分析理論及其應用[J].鐵道學報，2004（02） .

[10]TB/T2360-93.鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準[M].北京：中國鐵道出版社，1993.

[11]GB5599-85.鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范[M].北京：中國計劃出版社，1985.

[12]95J01-L.高速試驗列車動力車強度及動力學性能規(guī)范.北京：鐵道科學研究院，1995.

[13]95J01-M.高速試驗客車動力車強度及動力學規(guī)范[S].北京：鐵道科學研究院，1995.

[14]鐵建設函[2004]439.新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[15]TB10082-2005.鐵路軌道設計規(guī)范[M].北京：中國鐵道出版社，2006.