基于ANSYS的彈性支座對橋梁減振作用仿真分析

梁文偉 鐘玉平 宋建平 王 勇

(中船重工集團有限公司第七二五研究所，洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471023)

近年來，隨著橋梁跨度的不斷增大、軌道交通列車速度的持續提高、車輛軸重的逐步加大，列車引起的橋梁振動越來越受到人們的重視[1]。

橋梁支座作為連接橋梁上部結構和下部結構的重要結構構件，它能將橋梁上部結構的反力和變形(位移和轉角)可靠的傳遞給橋梁的下部結構[2]。為探究列車運行對橋梁產生的振動危害以及防治，本文采用ANSYS軟件建立車輛—軌道—橋梁耦合振動模型進行仿真分析，并分別嵌入不同剛度的彈性支座去分析其產生的減振效果。

1 軌道交通橋梁隔振措施、原理

隨著軌道交通振動噪聲問題逐漸加劇，為了消除城市軌道交通的負面影響，工程上主要通過三種途徑實現減振降噪，即減小振源強度、削弱振動傳播及建筑物隔振[3]。降低振源的振動強度和削弱振動的傳播控制措施主要有：浮置板、彈性支承塊、高彈性扣件、道碴墊、鋼軌下橡膠墊板、鐵墊板下橡膠墊板、鋼軌和車輪的處理、聲屏障、隔振溝、緩沖帶、圍欄樁、鋼軌粘貼阻尼材料等[4]。建筑物隔振是在建筑基礎增加彈性支撐實現的。

如果將整體梁體與基礎結構分離，再放置于彈性隔振支座上[5]，即構成軌道交通鐵路減隔振結構[6,7]。如圖1所示，它是一種質量—彈簧隔振系統，是降低基礎傳振和傳聲的最有效方法[8]。

2 車—橋耦合仿真分析

2.1 車輛建模

地鐵車輛的模型研究已較為成熟。車輛模型是由車體、轉向架和輪對三部分組成。它們之間通過彈簧阻尼器連接，形成一個多自由度的振動體系。

在ANSYS中使用Mass21單元建立車體、轉向架、輪對的單元；使用Combin14單元建立彈簧阻尼器單元；使用剛度較大并且無質量的Beam3單元連接各單元。

2.2 梁體及鋼軌建模

橋梁和鋼軌的有限元建模多是采用梁單元和實體單元。為了便于計算同時也沒有局部應力分析的必要，橋梁和鋼軌的模型采用Beam3單元。

橋梁和鋼軌的連接：設置分別只受壓力和只受拉力的Link10單元連接橋梁和鋼軌。同時設置無剛度但有阻尼的彈簧阻尼器模擬扣件的阻尼。

2.3 橋墩建模

橋墩簡化為梁模型。下節點設置為剛接，上節點與對應橋的端節點耦合豎向位移，且如果此端節點是左端節點，還與橋墩上節點設置縱向位移耦合。

3 仿真結果及分析

6節普通地鐵車輛以時速90 km/h的速度分別通過采用三種不同支座剛度的簡支梁橋，簡支梁一共三跨，每跨長度為35 m。

3.1 支座剛度對橋墩墩頂振動加速度的影響

車致振動通過橋梁上部結構傳遞給支座，再通過支座傳遞給橋墩基礎，從而引起周圍環境的振動。因此，我們通過不同的支座豎向剛度去考量墩頂的豎向加速度的變化，有助于研究如何降低車致振動帶來的不利影響。

從圖2～圖4可以看出，當支座剛度從1 500 kN/mm減小到300 kN/mm時，墩頂的豎向加速度的最大值也在不斷減小，而墩頂加速度的減小必然會降低傳遞到基礎及橋墩周圍環境的加速度，有利于對橋墩周圍環境的豎向隔振。因此，我們可以得出結論：當彈性支座剛度變小時有利于橋梁的豎向隔振。

3.2 支座剛度對梁體豎向位移的影響

根據圖5～圖7可以得到如下結論：

當彈性支座的豎向剛度不斷降低時，橋梁梁體的響應中靜力成分逐漸增大，即跨中豎向位移逐漸增大。

3.3 支座剛度對梁體豎向加速度的影響

通過對圖8～圖10進行對比分析，可以得出如下結論：

隨著支座剛度的降低，跨中梁體的豎向加速度先增大后降低，因此，彈性支座的豎向剛度不宜取在900 kN/mm，此時橋梁梁體可能發生了共振。

4 結語

本文通過ANSYS APDL命令流建立了車—橋耦合振動分析模型，并分別嵌入300 kN/mm，900 kN/mm，1 500 kN/mm三種豎向剛度的彈性支座，然后分別計算得出不同的橋梁動力響應數據。在通過對仿真數據進行分析后，得到以下結論：

1)橋梁在使用彈性支座時，隨著支座剛度的不斷降低，梁體的響應中靜力成分不斷增大(跨中豎向撓度不斷增加)。

2)橋梁在使用彈性支座時，隨著支座剛度不斷降低，梁體的響應中動力成分先增大再減小(跨中豎向加速度先增加再減小)。

3)通過使用彈性隔振支座，橋梁上部結構傳遞給橋墩的豎向加速度隨著支座剛度的降低而降低。

綜合上述結論，可以看到當橋梁采用彈性支座時，支座的豎向剛度取在300 kN/mm比較適宜，對整個橋梁的豎向減振最有利。