軟土環境考慮樁土作用的高速鐵路車橋耦合參數影響分析

(廣州大學 廣東 廣州 510000)

目前我國已修建的快速客運專線最高運營速度已接近350km/h，其中車橋耦合振動是高速鐵路運營的關鍵技術問題，線路不平順等會對高速列車的行車穩定和乘客舒適度產生顯著影響。張媛[1]為研究車速、車輛編組及軌道不平順等因素對汽車-橋梁-列車耦合系統的影響，通過約束方程將3個子系統進行耦合，研究了軌道不平順等對該系統的影響。郝向煒[2]以某大型鋼管混凝土拱橋為對象，采用經動力試驗驗證的自編車橋耦合振動分析程序，進行了多組隨機不平度樣本下的車橋動力響應分析。朱勁松[3]為研究大跨度公路懸索橋各 構件沖擊作用的影響因素及其敏感性，分析了車速、橋面不平順度、車重及橫向加載位置對橋梁各構件沖擊系數的影響。

上述關于車橋耦合的影響因素研究中，大多僅對單一因素影響的進行定性分析，多影響因素分析也未考慮樁土作用。實際上，樁土作用對于高速列車車橋耦合振動行為具有顯著的影響，需要考慮具體的地質環境建立“車-橋-樁土”相互作用模型，才能準確分析各種運營環境在的車橋耦合振動效應。本文基于廣東某地區軟土地質參數，分別建立“車-橋-墩”和“車-橋-墩-樁土”耦合振動模型，以分析樁土相互作用對車橋耦合振動行為的影響。

一、基本模型

(一)橋梁結構

本文在建立橋梁有限元模型時采用空間梁單元作為橋梁模型基礎單元，橋墩及梁體采用等截面空間梁單元模擬，梁體質量計為一致質量，并計入扭轉慣性矩。橋梁以32米標準跨度、單室箱型截面簡支梁橋為例建立橋梁模型，其梁、墩均采用C30強度等級混凝土；支座采用板式橡膠支座模擬。基礎為3×4群樁基礎，采用C30混凝土灌注樁，樁長14m，樁徑為1000mm。

(二)分析方法

為了更為簡便求解系統動力方程，可以將整個車-橋-墩-樁土系統的運動方程分解成車輛系統振動方程和橋梁系統振動方程兩個獨立方程[3]，同時假定輪軌始終保持接觸，且接觸點處滿足幾何相容條件和輪軌力的靜力平衡條件，表達式如下：

V=B+s

(1)

fVB=fBV=fn

(2)

式中：s—由軌道不平順引起的位移向量；fVB—橋梁作用于車輛上的力；FBV—車輛作用于橋梁上的力；fn—輪軌法向接觸力；

將車輛系統振動方程和橋梁系統振動方程兩個獨立方程與式(1)(2)結合起來，就是整個車-橋系統的耦合振動。

二、列車模型的參數影響

(一)列車輪重的影響

不同的列車類型，列車的軸重和軸距是不一樣的，現選取日本500系動力分散式車組(第一類)、國產300km/h動力分散式車組(第二類)、德國ICE3動力分散式車組(第三類)三類不同軸重的列車作為研究對象，假定它們有相同的軸距。本章節只研究列車軸重對橋梁動力響應影響的規律，因此只采用一列車廂過橋，基本能夠滿足本文需求。

當三種列車以200km/h過橋時，橋梁跨中動力響應與軸重的關系如圖1所示。橋梁跨中動力響應隨軸重單調遞增，符合實際情況。列車軸重增大并不影響橋梁跨中振動響應的基本規律。

(二)列車車速的影響

當列車以速度V通過一跨或者多跨簡支梁時，列車荷載近似為一個頻率為(為車輛全長)的周期性荷載作用在橋梁結構上。當激振頻率與結構自振頻率成倍數關系i時，共振現象就會發生。圖2為不同車速下橋梁的跨中豎向位移對比、跨中豎向加速度對比圖。在車-橋-墩系統和車-橋-墩-樁土系統兩種模型下，橋梁結構跨中位移響應與行車速度之間并非呈簡單的單調遞增或者遞減，車-橋-墩-樁土系統的橋梁跨中豎向加速度始終小于車-橋-墩系統的橋梁跨中豎向加速度，尤其在達到共振車速時，橋梁跨中豎向加速度峰值相差甚大。

(a)跨中豎向位移與軸重的關系

(b)跨中豎向加速度與軸重的關系

(a)跨中豎向位移對比

(b)跨中豎向加速度對比

三、結論

本文基于海南環島的具體軟土地質參數，分析不同外界因素對車橋耦合系統所造成的影響，從列車輪重、車速等幾個方面來考察不同參數所產生的影響，結果如下：

(1)橋梁跨中動力響應隨列車軸重單調遞增，符合實際情況。且列車軸重增大并不影響橋梁跨中振動響應的基本規律，跨中豎向位移和跨中豎向加速度與軸重均呈線性遞增的關系。

(2)在兩種結構體系模型下，隨著行車速度的增加，不同體系的橋梁跨中豎向加速度呈相似的變化規律。車-橋-墩-樁土系統的橋梁跨中豎向加速度始終小于車-橋-墩系統的橋梁跨中豎向加速度。這是因為在考慮樁土作用后，系統豎向剛度減弱，在相同的外荷載激勵下，橋梁豎向振動激烈程度減緩所致。因此對于不同的橋梁體系，應該規定不同的行車速度上限，以保證列車和橋梁在運營時的安全。