城际轨道交通加劲钢桁梁桥车桥耦合动力性能研究

摘要：文章根据车桥耦合振动分析理论，针对穗莞深城际轨道交通东江南特大桥主桥（143+264+143）m加劲钢桁梁桥采用空间有限元建立全桥动力分析模型，对桥梁的空间自振特性进行计算，并对该桥梁在CRH2动车组列车通过下进行车辆和桥梁振动耦合性能研究，评价该桥的自身的动力特性和CRH2动车组通过时运行的舒适性和安全性，为该桥的设计提供参考依据。

关键词：城际轨道交通；加劲钢桁梁桥；车桥耦合；动力性能；桥梁工程 文献标识码：A

中图分类号：U448 文章编号：1009-2374（2017）04-0098-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.050

1 概述

近年来，随着铁路车辆行车速度不断提高，使得车辆与结构动力相互作用这一话题日益得到广泛的关注。列车-桥梁空间耦合振动分析模型是由车辆计算模型、桥梁计算模型按一定的轮轨运动关系联系起来而组成的系统，车桥耦合的研究是运用车辆动力学与桥梁结构动力学的研究方法，将车辆与桥梁看作一個联合动力体系。检算桥梁的自振频率、跨中竖向与横向动位移、跨中竖向与横向加速度、墩顶横向位移与加速度；检算机车车辆的安全性和舒适度指标，包括脱轨系数、轮重减载率、竖横向加速度及Sperling舒适度指标。评价桥梁的动力性能以及列车运行安全性与舒适性，为梁桥的设计提供参考依据。列车-桥梁空间耦合振动分析模型是由车辆计算模型、桥梁计算模型按一定的轮轨运动关系联系起来而组成的系统，按照振动的相关方法来进行计算。

2 项目概况及桥梁分析模型的建立

东江南特大桥位于穗莞深城际轨道交通洪梅至深圳机场段，该桥主桥为（143+264+143）m加劲钢桁连续梁，最高设计速度140km/h，二期恒载106.0kN/m。该桥主桁为“N”字型，由上弦杆、下弦杆、加劲弦和腹杆组成，加劲弦高36m。两片主桁的横向中心距（桁宽）13m，桁高18m，主桥跨度布置为（143+264+143）m。主梁采用加劲钢桁梁，两片主桁的横向中心距（桁宽）13m，平行弦桁架高18m。加劲弦部分呈悬索状，最高36m，全桥除边墩、中墩部分斜腹杆设置桥门架外。桥面采用正交异性板钢桥面，主桁中心距13m，线间距4.2m，道碴槽（内到内）7.9m，钢桁梁：主桁下弦、上弦、加劲弦采用Q370qE钢；桁腹杆和吊杆截面编号为14、17、18、25、27～32者采用Q370qE钢，其余采用Q345qD钢；桥面系、平联、横联等采用Q345qD钢。

分别采用软件MIDAS和桥梁结构动力分析软件BDAP，来建立穗莞深城际轨道交通东江南特大桥主桥加劲钢桁梁方案的动力分析模型。将桥面、主桁、加劲弦及桥墩等离散为相应类型单元，最终得到全桥动力分析模型。模型中单元共2547个，节点1353个。

3 桥梁自振特性分析

东江南特大桥主桥加劲钢桁梁桥，主桁宽13m，中跨宽跨比1/20，加劲弦部分呈悬索状，最高达36m，这相对提高了主梁的竖向刚度，竖弯基频较大0.79Hz，出现在第3模态；横向刚度则较弱，横向弯曲作为第1振型出现，该模态纵向和竖向没有参与质量，而横向参与质量比占7.56%；东江南特大桥主桥中墩高34.2m，主梁和墩之间在177#墩设置固定支座，这使得结构在第2阶出现纵漂振型。该模态竖向参与质量比占0.04，而纵向参与质量比达到30.69%；由于加劲桁及横联的贡献，使得主梁具有较大的抗扭刚度，结构扭转振型在第7阶出现，扭频为1.17Hz，扭弯频率比为，且该模态纵向和竖向均没有参与质量，竖向参与质量比仅占0.3%，因此本桥结构具有足够的抗风性能和良好的抗震性能。

4 车桥耦合动力仿真分析

根据前述计算模型与计算原理，运用BDAP对该梁进行车辆和桥梁的动力响应分析，从而得到车辆和桥梁的动力参数，其中包括Sperling指标、CRH2动车组车辆的横向和竖向加速度的最大值、列车的脱轨系数、车轮的轮重减载率指标、该桥梁对应的横向和竖向的振动情况的加速度、桥梁最大位移、桥梁墩顶的振动加速度参数、桥梁墩顶部的位移参数，导出了这些动力作用下而产生的时程曲线。在国产CRH2动车组作用下计算得到的桥梁位移响应，加速度响应，车辆响应。

5 主要结论

针对穗莞深城际轨道交通东江南特大桥主桥加劲钢桁梁桥，计算了地基土层和桩基的相互影响，采用通用有限元软件，建立该桥动力作用的模型，首先，对该桥的自振情况进行了分析；其次，对该桥在国产CRH2高速列车作用下的车桥空间耦合振动进行了分析，用Sperling指标来评价车辆作用下乘车的舒适性。参考《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB 5599-85）和《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》（TB/T 2360-93）两本规范标准评价了该桥的车桥耦合性能。其主要结论如下：

5.1 桥梁自振特性分析

全桥横向一阶自振频率为0.47Hz，对应一阶横向自振周期为2.14s；全桥竖向一阶自振频率为0.79Hz，对应一阶竖向自振周期为1.27s。

5.2 桥梁振动性能

在CRH2动车组以速度80～160km/h过桥时，如表3所示，加劲钢桁梁横向、竖向位移及加速度，墩顶横向位移及横向加速度均满足限值要求。

5.3 列车行车安全性与舒适性

在CRH2列车以速度80～160km/h通过东江南特大桥主桥加劲钢桁梁桥时，动车和拖车的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，高速列车行车安全性可以得到保障。国产CRH2动车组以速度80～160km/h通过时，该桥的竖向和横向舒适性均达到“优良”。

参考文献

[1] 李小珍.高速铁路列车桥梁系统耦合振动理论及应用研究[D].西南交通大学，2000.

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[3] 铁道部科学研究院，西南交通大学，等.秦沈客运专线桥涵关键技术研究——常用跨度桥梁动力特性及列车走行性分析研究[J].西南交通大学学报，2011，（1）.

[4] 张军，姜克斌，胡业平.车桥耦合动力学系统模态综合分析[J].解放军理工大学学报，2003，4（1）.

作者简介：施永恒（1983-），硕士。

（责任编辑：王 波）