高速鐵路箱梁振動特性與減振措施

謝曉明

摘要：近年來，隨著科技不斷發(fā)展，我國高速鐵路建設得到快速發(fā)展，高速鐵路對列車運行速度及軌道平順性的高要求，使得橋梁尤其是箱梁結構在高鐵建設中占有重要地位。隨著高鐵進一步提速及橋梁的結構變化，高鐵箱梁在列車荷載作用下產生的振動問題日益被人們所重視。本文以高鐵橋梁建設中廣泛采用的32m箱梁為研究對象，分析箱梁結構在高速列車荷載作用下的振動特性及其相關有效減振措施。

關鍵詞：高速鐵路；箱梁；振動特性；減振措施

1引言

隨著現(xiàn)階段社會經濟的不斷發(fā)展，人民生活水平不斷提高，傳統(tǒng)的速度慢、載客少、舒適度低的鐵路運輸已經無法滿足人們日益增長的出行要求，在航空與陸路運輸?shù)母偁帀毫ο拢l(fā)展高速鐵路已經是大勢所趨。高速鐵路對列車運行速度具有硬性的標準，為保證其運行過程中的安全性和舒適性，高鐵建設對運行線路的平、縱斷面要求非常高，對軌道的平順性也有極高的要求。傳統(tǒng)的鐵路沿線無法滿足高鐵運輸?shù)母咭螅虼嗽诟咚勹F路的建設當中，以連續(xù)箱梁、簡支箱梁為主的高架橋已成為高鐵線路建設的重要組成部分。

2高速鐵路箱梁振動控制措施重要性分析

在中衛(wèi)至蘭州高鐵橋梁的建設當中，廣泛采用箱梁結構，其中預制混凝土箱梁應用最為廣泛，其整體性好、偏心荷載下較為有利、能有效抵抗正負彎矩、剛度大、施工方法多、節(jié)省材料、簡潔美觀等優(yōu)點讓其在橋梁建設中具有廣泛的發(fā)展運用空間。而當高速鐵路在橋梁上運行時，伴隨著強大的摩擦損耗和能量輸入，在高速列車的動力作用下，會使箱梁結構體系發(fā)生振動。高速鐵路箱梁振動關系著車輛的平穩(wěn)性和乘車的舒適性，同時也涉及了橋梁的使用壽命和正常的工作狀態(tài)，甚至在車橋的動力響應達到一定的界限時會使車橋發(fā)生共振，嚴重影響高速列車的行車安全，對公共財產和乘客生命安全帶來極大的危害。

3列車荷載作用下高鐵箱梁結構振動特性分析

3.1概述

我國對高速鐵路的定義為：新建設計運行時速250km（含預留）及以上的動車組列車，初期運營速度不小于時速200km的高速鐵路。因此說運行時速250km是高速鐵路的硬性標準，而這個速度標準在實際當中有著安全性的保留，我國大部分高速鐵路的設計時速都在300km以上，部分可到350km/h的安全運行限值，且具備提速標準。

我國高速鐵路箱梁現(xiàn)階段包括：時速350km客運專線無砟軌道箱梁；時速250km客運專線有砟軌道箱梁（兼顧貨運）；時速250km客運專線（城際鐵路）有（無）砟軌道箱梁。中衛(wèi)至蘭州鐵路設計時速250km有砟軌道箱梁。

3.2高速鐵路箱梁設計參數(shù)分析

我國高鐵早期建設普遍采用24m跨度箱梁結構，近年來隨著高速鐵路大量的建設發(fā)展，更大跨度的箱梁得到更為廣泛的運用。高鐵由于對運行條件的高要求，對箱梁結構具有更高的標準，普通鐵路橋梁結構跨度不一，現(xiàn)階段國內常用高鐵箱梁橋跨度為24m和32m，以32m箱梁更為普遍，個別路段由于建設條件的差異與限制，采用40m甚至以上跨度的箱梁結構，研究表明跨度更大的箱梁結構是未來高鐵發(fā)展的趨勢之一，就目前而言，32m箱梁結構在高鐵建設中運用最為廣泛。

3.3荷載作用下箱梁結構振動特性分析

單向行駛的兩節(jié)時速350km車廂通過32m箱梁共需時間0.88s，在模擬計算過程中，將模擬高速列車通過32m箱梁時間分為500個時間節(jié)點，共歷時1.643s，前265個時間節(jié)點模擬列車荷載通過箱梁，共歷時0.88s，后235個節(jié)點為無荷載作用下結構振動衰減過程。而不同時間點代表不同荷載作用于箱梁，對結構的影響也不同，在各個時間點下結構豎向加速度峰值均明顯出現(xiàn)在承軌臺處車輪對荷載作用點上，是由于車輪對荷載作用點位置激勵作用尤為明顯，結構在車輪對荷載作用位置抵抗荷載沖擊，豎向加速度較大，變化也大，故結構豎向加速度峰值均出現(xiàn)在車輪對荷載作用點上。

而箱梁結構豎向位移隨著列車車輪對荷載作用時間、位置及輪對數(shù)量的不同而不同，結構在預應力筋的作用下跨中區(qū)域向上起拱，有一個初始豎向正位移，隨著輪對荷載的不斷增大，結構的豎向正位移不斷減小；梁體加速度隨荷載作用較為穩(wěn)定，變化不大，當輪對荷載駛入或駛出梁體時梁端承軌臺荷載作用位置承受很大的輪對荷載的沖擊作用，加速度峰值均出現(xiàn)在輪對荷載駛入或駛出梁體時。

荷載作用下箱梁跨中位置位移最大，梁體端部位移最小，從端部到跨中位移呈現(xiàn)增大的趨勢，各截面中翼緣處位移較其他位置大很多，截面中線在所有位置中位移最小。從截面中線到翼緣位置振動呈現(xiàn)增大趨勢。梁端截面因列車荷載駛入駛出而承受較大的沖擊作用，截面翼緣及梗腋位置加速度較其他截面同一位置大很多，振動更為顯著。

4高速鐵路箱梁減振措施分析

高鐵箱梁與傳統(tǒng)鐵路T梁相比，面板、底板寬度為滿足行車要求進一步擴大，梁身跨度根據不同行車速度有著不同的標準，但從經濟以及技術的發(fā)展考慮，具有進一步增大箱梁跨度的趨勢，使得箱梁結構受力及振動影響更為復雜。

4.1結構橫向加勁肋的設置

加勁肋的設置可有效增強加勁肋設置方向結構的承載能力，已成為目前廣泛使用的措施。加勁肋對于結構振動影響的研究見諸較少，但加勁肋的剛度及對結構承載能力的貢獻使其對結構振動勢必產生影響。

結構橫向加勁肋可增大結構橫向剛度，在箱梁面板、底板寬度較大時可有效減小結構橫向應力，防止結構縱向裂縫的產生，縱向加勁肋類似，對結構縱向剛度貢獻很大，可有效防止結構橫向裂縫的產生。

4.2底板縱向加勁肋箱梁結構振動

在箱梁底板設置兩根縱向加勁肋能夠大大降低結構在列車荷載作用下的豎向振動，結構的豎向加速度峰值可降低20%以上，抗變形能力得到顯著提高，是減小箱梁振動的有效措施。

5結論

總而言之，高速鐵路在荷載作用下箱梁跨中位置位移最大，梁體梁端位移最小，從端部到跨中位移呈現(xiàn)增大的趨勢，而梁端截面因列車荷載駛入駛出而承受較大的沖擊作用，振動更為顯著。本文主要對時速250km高鐵32m箱梁進行了振動特性分析及減振措施簡述，因個人能力及時間上的限制，存在的不足仍有待進一步研究。

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（作者單位：中鐵二十局集團第二工程有限公司）