橫風下高速列車橋上交會行車風速閾值研究

施凌云 祝兵 王浩宇

采用有限元軟件Ansys建立橋梁模型，多體動力學軟件Simpack建立列車模型，采用聯合仿真方法建立風-車-橋耦合振動模型，分析風速5～25 m/s下，CRH380A列車組在40 m簡支梁橋上以350～425 km/h的速度進行交會時的橋梁和列車動力響應。研究結果表明：簡支梁橋的橫、豎向加速度隨風速增大的增幅較小；橫風對列車橫豎向加速度、脫軌系數和輪重減載率影響較為顯著；輪重減載率應作為列車橋上交會的控制性指標；列車若以425 km/h的速度在橋上進行交會時，風速閾值應為10 m/s。

高速鐵路；簡支梁；列車交會；車橋耦合；風速閾值

U447 A

［定稿日期］2021-12-27

［作者簡介］施凌云（1997—），男，在讀碩士，研究方向為車橋耦合振動。

至2019年底，我國高速鐵路運營總里程已位居世界第一。形成了頗具規模的時速350 km高速鐵路網，部分線路的運行速度有望突破400 km/h。我國高速鐵路網具有橋梁占比較高的特點，部分鐵路線橋梁占比高達90%，40 m簡支梁是我國高速鐵路常采用的梁型之一，雙線列車在橋上高速交會將成為常態。尤其在橫風作用下，可能會產生脫軌、側翻等事故，因此需要考慮橫風作用下，高速列車在橋上進行交會時的行車安全性與平穩性問題。

對于高速列車在簡支梁橋上進行交會時的行車安全性、乘坐舒適性問題，科研人員們已經做了許多研究。沈銳利［1］研究了不同跨度簡支梁橋的自振特性、橋梁動力系數與列車行駛速度的關系。李小珍等［2］通過數值模擬分析給出了單線高速列車以400 km/h在32 m簡支梁橋上的安全行車風速閾值。王亞朋等［3］建立了考慮會車壓力波的高速鐵路車-橋耦合振動模型，得出高速列車在橋上等速交會時的應控制在450 km/h以內較為安全。郭文華等［4］通過建立車-橋耦合振動聯合仿真模型，提出在側風下高鐵列車交會時，列車輪重減載率是控制列車車速閾值的控制因素。

本文以高速鐵路常用的40 m簡支梁為研究對象，利用多體動力學理論建立高速列車在橋上交會的車-橋耦合分析模型，將列車和橋梁所受的風荷載以力和力矩形式輸入到車-橋耦合分析模型中，分析雙線列車受橫風作用以350 km/h甚至更高速度交會過橋時的列車和橋梁動力響應，探討橫風作用對簡支梁橋上雙線列車行車安全性產生的影響規律，提出高速列車在簡支梁橋上交會的風速閾值。

1 考慮列車交會的風-車-橋梁系統耦合振動模型

本文中風-車-橋系統耦合振動模型，采用多體動力學軟件Simpack，建立CRH380A型動車組車輛動力學精細模型，車輛模型包括1個車體、2個轉向架和4個輪對在內的7個剛體，并通過一二系彈簧、減震器、抗側滾扭桿和抗蛇形減震器等構件連接，轉向架模型如圖1所示。單節動車模型共74個自由度。列車采用4節編組，編組方式為動車+拖車+拖車+動車。單節車輛模型如圖2所示。

本文采用有限元軟件Ansys建立簡支梁橋模型，考慮6個節點自由度，即3個平動和3個轉動自由度，支座與墩底約束在有限元軟件中解耦，將橋梁結構縮減自由度后以柔性體文件（.fbi）的形式導入Simpack中，再利用43號彈簧力元模擬支座和墩底約束。輪軌法向作用力采用Hertz非線性接觸理論進行計算，輪軌切向蠕變力采用簡化的Kalker蠕變理論計算。

車輛與橋梁之間的耦合采用啞元方法［5］。啞元法又稱虛體法，即在列車每個車輪的下方建立一個隨車輪一同運動的物體，稱其為啞元。將啞元與橋上的移動標志點以力元連接，使車輛和橋梁能行成力的傳遞，因其質量和轉動慣量都非常小，對車-橋耦合系統的計算結果影響也極小。基于啞元方法的耦合系統如圖3所示。

分析采用德國低干擾軌道譜生成的軌道不平順，考慮軌距、方向、高低和水平不平順，空間步長為0.2 m。

橋梁、車輛子系統模型考慮平均風引起的靜風力和脈動風引起的抖振力作用。本文40 m簡支梁主梁和列車的氣動力系數參考文獻，如表1所示。其中：CH為阻力系數；CV為升力系數；CM為彎矩系數。橋梁和列車氣動力以Simpack中的93號力元即力/彎矩力元進行施加。

2 算例簡介

以高速鐵路常用的40 m雙線簡支梁橋為例，分析該類型橋梁適應雙線CRH380A列車組以高速度在橋上交會時的動力響應特性。采用Ansys軟件中的Shell63單元建立主梁模型，Beam188單元建立橋墩模型。模型橋面寬12.6 m，梁長40.5 m，梁高3.235 m，墩高18.5 m，線間距取為5 m。橋梁附屬設施等二期荷載采用Mass21單元按180 kN/m施加。其中10跨40 m簡支梁模型如圖4所示。橋梁有限元模型在Ansys中先進行子結構縮減計算，對結構進行自由度縮減，之后將縮減后的橋梁外形數據和結構質量、剛度矩陣分別輸入Simpack中生成柔性體文件并導入多體計算系統中，再采用啞元方法與列車組成列車-橋梁耦合振動系統。

研究考慮2組4節編組的CRH380A列車組在不同風速等級下，以不同車輛速度等級在40 m簡支梁橋上進行等速交會，計算列車組交會時的列車、橋梁的動力響應。速度等級以350 km/h為基準，按25 km/h的梯度遞增至425 km/h。風速等級則以5 m/s為基準按2.5 m/s的梯度遞增至25 m/s。

3 列車及橋梁響應評價指標

橋梁的評價指標選取梁體的橫向、豎向加速度。橋梁橫向加速度限值取1.4 m/s2，豎向加速度取為5 m/s2車輛的安全性評價指標選取脫軌系數和輪重減載率，車輛的平穩性指標選取車體的橫向、豎向加速度進行評價。根據TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》，車輛的評價指標及其限值如表2所示。

4 數值計算結果

4.1 橋梁動力響應分析

車速等級為400 km/h，不同風速下的橋梁橫向、豎向加速度如圖5所示。從圖5（a）可以看出，在同一車速下，橋梁的豎向加速度受風速的影響較小，隨著風速的增加，豎向加速度的增幅較小，基本保持穩定；而圖5（b）中的橫向加速度受風速影響較大，但總體增幅較小。

4.2 列車交會運行安全性分析

為了保證列車在橫風中交會時的安全，計算不同速度的橫風下列車以不同速度在橋上交會運行時列車的動力響應，如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著車速和風速的增加，列車的脫軌系數和輪重減載率呈現增大的趨勢，列車脫軌系數增幅相對較小，滿足規范限值要求，而輪重減載率增幅較大，在部分工況中超過了規范規定的0.6限值要求，因此應以輪重減載率作為高速列車簡支梁橋上交會時車速的控制指標。

從圖6（b）可以看出，在22.5 m/s風速下，列車以350 km/h速度交會通過，輪重減載率在0.6以下，其交會風速閾值取22.5 m/s；在20 m/s風速下，列車以375 km/h交會通過，輪重減載率滿足規范要求，其交會風速閾值取20 m/s；在17.5 m/s風速下，列車以400 km/h速度交會時的輪重減載率在0.6以下，其交會風速閾值取17.5 m/s;在12.5 m/s風速下，列車以425 km/h交會通過時輪重減載率為0.612，已經超出規范要求，因此其交會風速閾值應為10 m/s。

4.3 列車交會運行平穩性分析

不同速度等級下，列車交會時車體橫向、豎向加速度如圖7所示。可以看出，列車的橫向和豎向加速度均隨著車速和風速的增大而增加，總體增加幅度較小，且均未達到規范規定的限值要求。

5 結論

（1）橫風作用下，高速列車在橋上交會時，簡支梁橋的橫向、豎向加速度隨風速增加而增大，但受風速的影響較小。

（2）隨著橋上交會時的風速和車速的增加，列車的橫向加速度、豎向加速度、脫軌系數和輪重減載率均呈現增大的趨勢，輪重減載率的增幅較大，部分工況下輪重減載率超過了規范限值，因此應以輪重減載率作為列車橋上高速交會的控制性指標。

（3）風速在10 m/s以上時，高速列車在橋上進行交會車速應控制在425 km/h以下，否則將影響行車安全。

參考文獻

［1］ 沈銳利.高速鐵路簡支梁橋豎向振動響應研究［J］.中國鐵道科學，1996，17（3）：24-34.

［2］ 李小珍，龔振華.400km/h高速鐵路32m簡支梁橋上安全行車橫向風速閾值分析［J］.鐵道建筑，2021，61（7）：17-20.

［3］ 王亞朋，藺鵬臻，孫加林，等.高速列車橋上等速交會時的車-橋耦合振動特性研究［J］.鐵道學報，2021，43（5），169-176.

［4］ 郭文華，洪新民，陳春霞.側風下高鐵列車交會運行時車-橋耦合振動［J］.中國鐵道科學，2020，41（4），48-56.

［5］ 羅錕，汪振國，雷曉燕.軌道交通車橋耦合振動仿真改進方法與應用［J］.現代制造過程，2018，11，60-65.