高速铁路大跨度钢管混凝土拱桥车桥耦合振动仿真分析

韩　兴，蔡子龙，李　鑫，祝　兵

(西南交通大学土木工程学院，成都　610031)



高速铁路大跨度钢管混凝土拱桥车桥耦合振动仿真分析

韩兴，蔡子龙，李鑫，祝兵

(西南交通大学土木工程学院，成都610031)

摘要：以鸭池河桥为工程背景，建立车-桥系统耦合振动分析的数值仿真模型。利用大型通用有限元软件ANSYS建立桥梁的动力分析模型，并计算其空自振特性。通过多体动力学软件SIMPACK对于CRH3动车组模型进行高精度仿真，结合SIMPACK软件和ANSYS软件，建立车桥耦合振动仿真系统，输入轨道不平顺和轮轨关系进行车桥耦合振动计算。车桥耦合振动分析结果表明：桥梁具有足够的刚度，振动状态良好；车辆运行安全性可以得到保障，舒适性指标为“优良”。该桥的车桥耦合振动计算结果为今后类似桥梁设计提供了借鉴，同时也验证了联合仿真的可行性和便利性。

关键词：大跨度钢管混凝土拱桥；车桥耦合振动；多体系统动力学；有限元法

近年来我国铁路事业飞速发展，由于设计分析能力和施工技术水平的提高，桥梁跨径、列车行驶速度都大幅提高。其中具有代表性的课题之一是研究移动车辆荷载通过桥梁时的车桥系统的振动响应。在客运专线桥梁中，大跨度钢管混凝土拱桥是一种常见桥型，该类型桥梁的车桥耦合振动研究有着很强的实际意义。论文所依托的工程背景是位于贵州省的鸭池河大桥，该桥为中承式铁路拱桥。

国内目前对于大跨度高速铁路拱桥的车桥耦合振动的研究较少，单德山[1]对于铁路提篮拱桥车桥耦合振动进行仿真分析时发现列车速度对提篮拱桥横向振幅有着较大的影响。张敏[2]也通过对大跨度铁路拱桥南京大胜关长江大桥进行过车桥耦合振动分析，探讨了该桥在不同列车车型通过时候的桥梁和车辆的动力响应。为了进一步总结这种桥型的车桥耦合振动的规律和结果，有必要以本典型钢管混凝土拱桥为研究对象进一步探索。

为了探寻所选中承式铁路拱桥在列车不同车速下通过时的车桥耦合振动特性，分别通过ANSYS与SIMPACK软件进行了桥梁与车辆的建模模拟，计算了多种列车时速过桥的工况下该桥的动力响应，也证明了ANSYS与SIMPACK联合车桥仿真的优越性。

1桥梁动力分析模型及自振特性分析

鸭池河特大桥位于贵州省，主桥为中承式钢-混凝土结合拱桥，主跨跨径436.0 m，矢高115 m，矢跨比0.264。拱肋采用钢-混凝土结合桁架拱结构，拱轴线采用悬链线，拱内倾角4.62°形成提篮拱，引桥段高墩区采用跨径为61.75 m+61.75 m的预应力混凝土T构，下部基础采用桩基础或扩大基础，全长971 m。

该桥为双线铁路拱桥，使用过程中列车时速较高，桥梁跨径较大，需要对该桥进行车桥耦合振动分析，以确定其结构动力性能。主桥总体布置如图1所示。

图1　鸭池河桥跨径布置(单位：m)

通过有限元软件ANSYS按照传统的鱼骨刺的方法对桥梁进行建模。具体单元使用情况见表1。有限元模型示意见图2。

表1　桥梁有限元模型单元使用情况

图2　鸭池河桥有限元模型示意

通过有限元软件，采用LANCZOS方法计算桥梁模态，选取了前10阶作为动力计算依据。该桥模态计算结果如表2所示。图3给出了该桥典型模态的示意。

表2　桥梁自振频率和模态

图3　鸭池河桥部分振型

通过计算结果可知，结构横弯的基态出现在第1阶，模态系主梁对称横弯，其频率为0.258 Hz；主梁竖弯基频模态出现在第2阶，其频率为0.426 Hz，振型为反对称竖弯。

2多体动力学系统下的车辆动力模型

本文在计算的时候采用了多体动力学方法建立车桥系统的空间动力模型。多体动力学建立车辆模型的优势在于可以对车桥进行精细化的仿真，并且可以避免一般车桥计算中对于车桥进行重复编程的缺点。本文采用文献[9]中的车辆模型的主要结构和自由度，通过SIMPACK软件建立了CRH3动车组的车辆动力学模型。

图4表示的是将动车简化为通过弹簧阻尼系统相联接的若干刚体，而图5是基于SIMPACK软件所得到的精确动车仿真模型。经对比可知，利用SIMPACK软件所得的模型精度更高，输出的模型较之简单的刚体连接，其空间可视性更佳。

图4　简化的车辆空间模型

图5　动车三维空间精细化仿真模型

本文通过多体动力学软件SIMPACK建立了CHR3型动车组模型，模型如图6所示。选取了高速列车通过桥梁的几种典型的速度进行计算，采取了300～420 km/h每25 km/h一级共6种工况进行计算。

图6　CHR3动车组空间模型

3车桥耦合计算方法与结果分析

在ANSYS中建立起桥梁的有限元模型，形成桥梁子系统；在SIMPACK中建立起车辆模型，形成车辆子系统，两个系统通过在轮轨接触面上建立起平衡方程，形成整体的车桥耦合计算系统。鸭池河大桥车桥耦合振动动力仿真局部放大图见图7。

图7　鸭池河大桥车桥耦合振动动力仿真局部放大图

本文在CRH3动车组列车作用下，选取了德国低干扰谱作为轨道不平顺，在轮轨关系分析时把轮轨同时均视为刚体，车辆各个自由度的相关参数由代数方程来描述。

通过计算桥梁在6种速度工况下的动力响应，对桥梁和车辆在6种工况下进行评定。所计算的内容和结果如表3所示。420 km/m的工况下桥梁主跨跨中位移和车体加速度时程曲线如图8、图9所示。

表3　鸭池河大桥车桥耦合振动响应计算结果

图8　桥梁主跨跨中位移在车速420 km/h下的时程曲线

图9　动车车体在车速420 km/h下加速度时程曲线

通过表3的计算结果可以看出：对于不同的工况，桥梁的动力冲击系数和脱轨系数的变化趋势与列车速度的变化趋势一致；随着工况列车时速的增长，相应的动力冲击系数和脱轨系数也在增长。

6种工况下，桥梁的动力系数最大值为1.178，桥梁最大的竖向和横向位移分别为11.36 mm和1.327 mm，参考规范对于桥梁振幅的规定，可以发现该桥的振动性能良好。对于车辆，6种工况下，车辆脱轨系数最大值为0.253，轮重减载率最大值为0.358，均满足规范的要求。车辆的加速度与舒适度指标也都满足规范要求，说明该桥的车辆通过性良好。

从图8(a)中可以看出：桥梁跨中位移先出现上挠再出现下降，原因是桥梁本身是连续梁的形式，车辆从刚上桥到桥的跨中的过程中，桥梁短暂上挠，在车桥逐步驶入之后桥梁进入了周期性变化。图8(b)中可以发现：在轮轴的横向力和偏载的作用下，桥梁跨中的横向位移发生了很大的变化。

综合分析可以得出：由于采用了钢管混凝土拱的结构形式，该桥的刚度较大，在车桥耦合振动作用下桥梁的竖向、横向位移及对应挠跨比均较小，满足工程使用需要。铁路钢管混凝土拱桥在设计时速区间内，车桥耦合振动中动力响应表现良好，同时可以提供较为平稳的行车环境。

4仿真分析结论

通过6种工况下对鸭池河桥的车桥耦合振动分析，得出以下结论。

(1)6种工况下，桥梁的位移指标、加速度指标、冲击系数等动力响应系数均满足要求，车辆的加速和相应的动力指标也满足规范要求，说明桥梁的车桥耦合动力性能良好。相关文献[1，2，10]和本研究表明铁路钢管混凝土拱桥在设计时速区间内，车桥耦合振动中动力响应表现良好，同时可以提供较为平稳的行车环境。

(2)采用多体动力学软件和有限元软件相互结合的方法进行车桥耦合的仿真计算有着其独特的优点，可以更准确、更直观地反映桥梁和车辆的动力特性，也可以避免大量重复的编程建模工作，提高计算效率。

参考文献：

[1]单德山，李乔.铁路提篮拱桥车桥耦合振动分析[J].西南交通大学学报，2005，40(1):53-57.

[2]张敏.大跨度铁路钢桁拱桥车-桥耦合振动分析[J].桥梁建设，2012，40(6):14-19.

[3]李小珍，强士中.大跨度公铁两用斜拉桥车桥动力分析[J].振动与冲击，2003，22(1)：6-13.

[4]崔圣爱，祝兵.客运专线大跨连续梁桥车桥耦合振动仿真分析[J].西南交通大学学报，2009，44(1)：66-71.

[5]罗浩，郭向荣.大跨度提篮拱桥车桥耦合振动分析[J].振动与冲击，2008，27(2)：147-149，165.

[6]缪炳荣，张卫华，肖守讷，等.基于多体动力学和有限元法的车体结构疲劳寿命仿真[J].铁道学报，2007，29(4)：38-42,66-71.

[7]缪炳荣，肖守讷，金鼎昌.应用Simpack对复杂机车多体系统建模与分析方法研究[J].机械科学与技术，2006，25(7)：813-816.

[8]Fryba L， Dynamic interaction of vehicle with tracks and roads[J]. Vehicle System Dynamics，1987，16(3):129-138.

[9]崔圣爱，祝兵，白峰涛，等.琼州海峡跨海斜拉桥方案车桥系统耦合振动仿真分析[J].振动与冲击，2011，30(5):106-111.

[10]韩兴.鸭池河桥的车桥耦合振动研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[11]单德山，李乔.铁路曲线连续梁桥车桥耦合振动分析[J].中国铁道科学，2004(5):61-66.

[12]施颖，宋一凡.基于ANSYS的公路复杂桥梁车桥耦合动力分析方法[J].天津大学学报，2010(6):537-542.

Coupled Vibration Analysis of Vehicle-Bridge System for Long-Span Concrete Filled Steel Tube Arch Bridge on High Speed Railway

HAN Xing1， CAI Zi-long， LI Xin， ZHU Bing

(School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：The numerical simulation model to analyze the coupled vibration between vehicle and bridge is established on the engineering background of Yachi River Bridge. The finite element commercial software ANSYS is employed to set up the dynamic analysis model and to compute its natural vibration characteristics. Specific CRH3 model is simulated with multi-body dynamics software SIMPACK. With ANSYS and SIMPACK software， the vehicle bridge coupled vibration simulation system is created and the vehicle bridge coupled vibration is calculated with the input of track-rail irregularity and wheel-rail relation. The analysis results show that the bridge has sufficient stiffness and satisfactory vibration performance， and the train operation safety is guaranteed with stimulated riding comfort. All the calculation results not only provide references for future design of similar bridges but also verify the feasibility and convenience of joint simulation．

Key words：Long-span concrete filled steel tube arch bridge; Coupled vibration; Multi-body system dynamics; Finite element method

中图分类号：U448.38

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.009

文章编号：1004-2954(2016)04-0036-04

作者简介：韩兴(1985—)，男，博士研究生，研究方向为桥梁动力行为分析，E-mail：hanxing1122@163.com。通信作者：蔡子龙(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为桥梁结构动力行为分析，E-mail:648216152@qq.com。

收稿日期：2015-09-14； 修回日期：2015-09-23