车-桥耦合系统振动性能评价标准研究

1、    车桥耦合系统振动性能评价标准研究    裴小杰摘 要：随着我国轨道交通高速重载的发展趋势，桥梁工程作为线路的咽喉，其车-桥耦合分析对于保证桥梁的安全和车辆的舒适至关重要，针对各国不同的车-桥耦合评价标准，做出了详细的总结和对比，为后续车-桥耦合系统的分析提供依据。关键词：车-桥耦合；振动性能；评价标准doi：10.16640/ki.37-1222/t.2017.03.0220 引言随着我国“一路一带”战略的不断深入，轨道交通业得到了迅速的发展，而桥梁工程在线路工程中的比例也不断增加，桥梁作为其咽喉工程，面对频发的铁路安全事故，为保证人民的生命和财

2、产安全，桥梁的安全性以及车辆的舒适性能至关重要。列车通过桥梁时将引起桥梁结构振动，而这种振动会反作用于车辆的振动，这种相互作用与影响称之为车-桥耦合振动1。这种相互作用，不仅与桥梁自身特性有关，而且还取决于车辆行驶速度、类型、编组情况、轮轨接触以及线路状况3。车-桥耦合系统包括桥梁子系统和车辆子系统，用轮轨相互作用进行连接。车辆过桥时将产生振动，若这种振动超过一定的允许范围，则会影响列车的运行安全性和稳定性。如果正常的轮轨关系被破坏，将造成脱轨甚至车辆倾覆。对于桥梁结构，如果车辆过桥时发生共振，将会导致桥梁垮塌，造成严重的危害。现在各个国家对于车-桥耦合系统的评价执行各自的标准，本文旨在对各个

3、标准进行比较，从而能够针对某一座桥梁的车-桥耦合系统进行分析时提供评判标准，不仅保证了桥梁的安全和稳定也对车辆安全和行车舒适提供了依据2。1 车-桥耦合评价系统分类整个耦合系统可以分为桥梁振动评价指标和车辆运行评价指标，其中桥梁振动评价指标又包括桥梁动力响应评价和桥梁自振特性评价，车辆运行评价指标包括车辆安全性与平稳性评价。2 桥梁动力性能评定及标准桥梁作为车辆通行的重要工具，其安全性直接影响到车辆的通行安全，不同国家都颁布了相关规范、准则对车辆通过桥梁时的动力性能进行评价，如欧洲铁路联盟（uic）的“eurocode”规范，日本的铁路结构设计标准、铁道构造物设计标准（铁道综合技术研究所），德

4、国的铁路设计规范，我国的铁路桥梁检定规范（铁运函2004120号）、铁路桥涵设计基本规范（tb10002.1-99）、高速铁路设计规范（试行）（tb10621-2009）等规范都提出了相应的规定和限值。2.1 桥梁自振频率日本研究所3规定货车或客车范围内，桥梁横向自振频率在110/l与120/l之间。日本标准4规定对于高速铁路桥梁的竖向自振频率（单位为hz）应大于等于55l-0.8。前苏联采用自振周期衡量桥梁横向刚度为：跨径小于150m时，t小于等于0.012l；跨径大于150m时，t小于等于1.8。我国规范5规定低合金钢桁梁桥横向自振频率为大于等于90/l。我国其他规范6给出桥梁自振频率限值

5、为：以上规范均表示跨度，单位m。2.2 桥梁振幅和加速度（1）桥梁横向振幅。日本国铁研究所3给出的限值为：货车速度时桥梁最大振幅在，客车速度时桥梁最大振幅在。我国规范5对低合金钢桁梁桥横向水平幅值限定为小于等于l/2.2b，表示跨度，单位m；为钢桁梁桥主梁中心距，单位m。（2） 桥梁振动加速度.我国规范7对桥梁跨中竖向振动加速度规定为小于等于0.35g。我国规范5对桥梁结构横向振动加速度限值规定为小于等于0.14g。2.3 桥梁变位标准我国规范8规定车辆的新建、改建标准轨距的铁路桥梁，简支桁梁桥竖向挠度容许值限定为小于等于l/900。日本标准4规定时速为的电车及内燃动车荷载作用于的单跨桥梁时为

6、小于等于l/900。3 车辆振动性能评定及标准车-桥耦合振动研究中对于车辆子系统的振动性能评定主要包括车辆运行安全性评定和车辆运行平稳性评定。车辆运行安全性主要根据脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等指标评定；车辆运行平稳性主要根据车体振动加速度（垂向、横向振动加速度）和平稳性指标评定。3.1 车辆运行安全性标准（1）脱轨系数。脱轨系数是作用在单侧车轮上的横向力和垂向力的比值，主要作用时防止轮对脱轨9，nadal公式为：式中，为车轮的轮缘角；为轮轨接触点处滑动摩擦系数；为单侧轮对的横向力；为单侧轮对的垂向力9。我国规范10对机车的脱轨系数规定： 小于等于0.6为优良。各国对脱轨系数的控制限值规定

7、如下，欧洲铁路联盟小于等于1.2；德国高速试验小于等于0.8；日本提速试验小于等于0.8；北美铁路小于等于1.0。（2）轮重减载率.轮重减载率为轮对横向力时，因一侧车轮严重减载导致脱轨的安全性指标。其值为减载侧轮对的轮重减载量与轮对的平均静轮重之比，记为。我国规范11对车辆的轮重减载率规定，小于等于0.65为危险标准，小于等于0.6为允许标准。我国其他规范12-14规定则为小于等于0.6。（3）轮轨横向力。我国规范11对轮轨横向力q的評价标准为：式中，为同一个轮对上左右两个车轮横向力之和，单位为kn。欧美铁路根据试验，一般取0.4倍轴重作为横向力的允许限度，即要求14小于等于0.4pw，为静轴

8、重（kn）。我国其他暂行规定14限值为小于等于0.8kn。（4）轮轨垂向力。德国规范规定轮轨垂向力小于等于170kn。我国规范85采用的设计动轮载为300 kn。3.2 车辆运行平稳性标准（1）车体振动加速度。我国规范11对车辆振动加速度指标规定：车辆的竖向加速度（m/s?）对于货车要小于等于0.70g，客车要小于等于0.20g；车辆的竖向加速度（m/s?）对于货车要小于等于0.50g，客车要小于等于0.15g。我国行业标准10对机车车体振动加速度指标的规定：机车车体竖向加速度（m/s?）小于2.45为优良，机车车体横向加速度（m/s?）小于1.47为优良。欧洲规范规定车体垂向振动加速度的评定

9、标准：车体垂向振动加速度（cm/s?）小于100为优秀，小于130为良好，小于200为合格。 （2）舒适度指标。有iso2627法、等舒适度评定法及平稳性评定法，其中，平稳性评定法即所谓的sperling指标是应用最广泛的评定方法。我国规范11给出了车辆的sperling计算公式：4 结论（1）根据车-桥耦合系统振动的特点，对车-桥动力相互作用性能评价指标体系进行简要阐述；（2）结合欧洲规范、日本规范、我国规范以及试验研究成果给出了车-桥耦合振动研究的评价标准；（3）对桥梁动力性能各項指标（自振频率，竖、横向振幅、竖、横向振动加速度等）提出相应的限值，形成统一的评价体系；（4）对车辆振动性能各

10、项指标（安全性指标：脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力；稳定性指标：车体振动加速度（竖、横向）、sperling指标）提出相应的限值，形成统一的评价体系。参考文献：1翟婉明，夏禾等.列车-轨道-桥梁动力相互作用理论与工程应用m.北京：科学出版社，2011.2万家.高速列车-无砟轨道-桥梁耦合系统动力学性能仿真研究d.铁道科学研究院博士学位论文，2005.3铁道综合技术研究所（rtri）s.日本铁道构造物设计标准，1992.4日本土木学会.铁路结构设计标准-混凝土结构，1996.5铁运函2004120.铁路桥梁检定规范s.北京：中国铁道出版社，2010.6铁道部工务局.既有线路桥隧设备（行车速度120-160km/h）暂行技术条件s.北京：中国铁道出版社，1996.7tb10621-2009.高速铁路设计规范（试行）s.北京：中国铁道出版社，2010.8tb10002.1-99.铁路桥涵设计基本规范s.北京：中国铁道出版社，2000.9向俊，曾庆元，周智辉.桥上列车脱轨的力学机理、能量随机分析理论及其应用j.铁道学报，2004（02） .10tb/t2360-93.铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准m.北京：中国铁道出版社，1993.11gb5599-85.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范m.北京：中国计划出版社，1985.1295j01-l.高速试验列车动力车强度及动力学