變高度雙層鋼桁結合梁風-車-橋耦合振動性能分析

舒 鵬

(西南交通大學橋梁工程系，四川成都 610031)

隨著我國鐵路建設的發展，關于車橋耦合這方面的研究也越來越多，其主要目的是保證列車在高速行駛下的安全性。李永樂[1]等考慮了車輛位置對風-車-橋系統耦合振動影響研究，葛盛昌[2]等證實設置風屏障能夠保證列車在11級以上大風的安全性。雖然風-車-橋研究是個熱點，但目前對變高度雙層鋼桁結合梁對風-車-橋耦合振動性能研究還是很少。與常規桁架橋相比，橋梁結構特性顯著不同，尤其局部出現變截面，對風和列車的作用可能更加敏感[3-5]，因此在設計中應以重視。

某大橋在修建之際,研究風-車-橋系統的動力行為特點對評價橋梁和車輛的安全性具有現實指導意義。某大橋(方案)主橋橋面寬31 m。橋型為變高度雙層鋼桁結合梁，跨度布置為(121+276+121) m。本文以該橋為工程背景，對比分析了風-車-橋系統中風速、車速、車輛位置及車輛荷載情況下對車橋振動性能的影響，以此評價變高度雙層鋼桁結合梁風-車-橋耦合振動特點。

1 CFD模擬

由于此橋斷面結構桿件繁多，在CFD中建立精確的三維結構模型進行模擬非常困難，不僅需要大量的人力物力投入，還需要較長的計算周期。針對這種情況，根據相關文獻[6]對桁架主梁提出二維簡化，車橋系統橋梁氣動特性CFD分析模型和橋型布置如圖1所示。

邊界條件將橫橋向來流一側設置為速度入口邊界條件，其他三邊界設置為壓力出口邊界條件。在模型周邊及尾流區域采用密網格，在計算域周邊選用疏網格。本研究中采用非結構化的四邊形網格進行網格劃分，網格劃分如圖2所示。

2 風-車-橋系統模型

2.1 脈動風場模擬方法

圖1 模型示意(單位：m)

自然風在時空上都是隨機的，抗風分析中常常將其視為多維態下的平穩高斯過程。總體來說，隨機過程的數值模擬分為兩類，一是線性濾波回歸方法；二是三角級數疊加的譜解法。譜解法的特點是算法簡單，理論完善，在工程領域得到了廣泛的應用。本研究脈動風速場模擬采用簡化的譜解法[7]。對于此大橋,風場簡化為橫向和豎向的多變量隨機風速場,共172個風速模擬點，每個模擬點間隔3 m。

2.2 車輛分析模型

車輛動力學模型中通常將車輛各個部件視作為剛體，剛體之間通過阻尼或彈性元件相互連接(圖3)。整個車輛可采用質點—彈簧—阻尼器模型。整個車輛共有23個自由度。列車編組為10輛車：1輛動車+8輛拖車+1輛動車，軌道不平順采用美國5級譜進行數值模擬，動力時程分析的空間步長為0.2 m。

2.3 橋梁模型

橋梁結構模型采用有限元方法建立，鋼桁桿件采用空間桿系模擬，混凝土橋面板、橋墩采用空間梁單元。基礎剛度的有限元模擬采用正交三梁模型，其原理是采用一個豎向梁、一個順橋向梁和一個橫橋向梁，通過調整幾何桿件剛度，使正交三梁模型剛度與更能準確模擬真實基礎剛度。

3 風-車-橋性能研究

3.1 計算工況

此大橋共3跨，全長518 m，分別研究了車輛與橋梁在整個系統線路的響應，分析中考慮了AW0(空載)、AW3(滿載)兩種荷載，40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h四種車速，15 m/s、20 m/s、25 m/s三種風速，共進行了14種工況的對比分析，以考查車載狀態、車速、風速等對變高度雙層鋼桁結合梁和車輛的響應的影響。

圖2 網格劃分模型

圖3 車輛彈簧懸掛系統模型

3.2 計算結果分析

圖4為不同風速時，迎風側車輛空載作用下的主跨跨中位移及梁端折角。

由圖4看出隨著風速增加橋梁橫向位移增大明顯，其原因是與側向風引起的升力作用有關。當車輛進入變高處時，橫向位移、豎向位移及扭轉角開始趨于平穩，遠離變高處，振幅又有較大的變化，其原因是變高處的結構使局部剛度增加，從而影響了車輛運行過程中橋面線路的動態平順性。

由圖5可以得出，車輛的速度效應較為明顯，設計車速下(100 km/h)車輛響應均有所增加，并且豎向加速度更加敏感。列車分別在迎風側和背風側運行時車輛響應相差非常小，車輛橫向加速度略有差別。豎向加速度最大值為1.87 m/s。

圖4 橋梁響應

圖5 車輛響應

最大傾覆系數和脫軌系數均小于0.4，滿足傾覆系數小于0.8，脫軌系數均小于1.0的行車安全規范。空載下的車輛響應均大于滿載下的車輛響應。車輛加速度及脫軌系數對風速變化不敏感，但傾覆系數隨風速增加變化較大。

4 結 論

本文針對變高度雙層鋼桁結合梁，采用較為完善的風-車-橋空間耦合振動分析方法，對不同風速、車速、車輛位置及車輛荷載情況下的風-車-橋空間耦合振動進行了較為完整的對比研究。列車分別在迎風側和背風側運行時車輛和橋梁橫向響應略有差別，其他響應基本相同。隨著風速增加，橋梁和車輛的響應也逐步增大，但相應的值都小于控制指標，所以能滿足車輛運行安全性要求。空載下的車輛響應均大于滿載下的車輛響應，但空載下的橋梁豎向位移均小于滿載下的橋梁豎向位移。橋梁響應發生最大的位置在第二跨跨中，因為第二跨跨度較邊跨長，剛度相對較小，所以會產生較大的位移。當車輛駛入變高處時，橫向位移、豎向位移及扭轉角開始趨于平穩，遠離變高處，振幅又有較大的變化，說明變高式桁架橋能局部減弱車輛與橋梁之間的相互作用。