钢桥合理刚度与冲击系数研究

1、钢桥合理刚度和冲击系数研究（高速铁路300kNm） 随着高速铁路的发展，列车对线路、桥梁的动力影响日益加强，其动力作用引起桥梁上部结构的振动可能使结构构件产生疲劳，降低其强度和稳定性，而桥梁振动过大可能会对桥上车辆的运行安全和稳定性产生影响：当列车的动力变化频率与桥跨结构当列车的动力变化频率与桥跨结构自振频率相等或接近时，引起的自振频率相等或接近时，引起的共振可能会使车桥共振可能会使车桥动力响应加剧，产生意外的动力响应加剧，产生意外的破坏破坏。因此，钢桥在高速列车下的合理刚度问题已经成为高速铁路桥梁振动领域中一个重要的研究课题，在国内外都受到了特别的重视。项目概况 车桥耦合动力仿真车桥耦合动力

2、仿真分析分析是国内外研究和制定桥梁合理刚度设计值的主要手段。列车通过桥梁时将列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动引起桥梁结构的振动, 而桥梁的振动又反过来影响车而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动辆的振动, 这种相互作用、相互影响的问题就是车辆这种相互作用、相互影响的问题就是车辆与桥梁之间振动耦合的问题与桥梁之间振动耦合的问题。基本思路是将车辆、桥梁看作一个相互作用的动力体系，运用车辆动力学与桥梁结构动力学的研究方法，以轮轨接触处为界面，分别建立桥梁与车辆的运动方程，两者之间通过轮轨的几何相容条件和相互作用力平衡条件来联系，分别求解车辆、桥梁的运动方程，最终同时得到列车运行于桥上时的车辆与桥梁的动

3、力响应国内外研究方法 刚度设计要求刚度设计要求必须满足列车走行性要求与无缝线路正常使用要求。 舒适性指标舒适性指标大致可分为两种：考虑较长持续时间内乘车的综合乘坐舒适度和车辆通过各个特定地点的瞬间乘坐舒适度。可用Sperling评价指标和竖向加速度限值标准进行评判。 我国高速铁路及新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定规定: 在考虑轨道不平顺条件下进行车桥耦合振动分析得到的车体竖向加速度不得超过1. 3 m/s2。列车走行性指标 安全性安全性指标指标脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向水平力。 脱轨脱轨系数系数Q/P：轮轨间横向水平力Q与垂直力P的比值。 轮重减载率轮重减载率：轮对垂向减载量与垂

4、向力之比。当一侧车轮减载，其剩余轮重变小时，由于产生与其成比例的比较小的横向力，导致脱轨系数很容易达到脱轨限界值，当一侧车轮轮重减载时另一侧轮重将增大，有可能在很小的冲角变化时产生很大的横向力，增大脱轨危险性，必须对轮重的减载量加以限制，定义轮重减载率。列车走行性指标实例计算本文以南宁广州高速铁路郁江大桥( 大跨度钢桁斜拉桥) 为研究对象，建立了车桥系统耦合振动仿真模型。郁江特大桥主桥是一座钢桥，主桥为双塔双索面斜拉钢桁梁桥，在江中有两座高达102米的塔台，两座塔台之间跨度长228米，主桥跨径组合为36 m + 96 m + 228 m + 96 m + 36 m，全长492 m。由一个个钢铁

5、三角形组成、长达492米的浅蓝色钢梁，主桥分双边斜拉钢桁梁设计，主塔为花瓶状结构，塔高103.5米，主塔每边拉索8对ANSYS建模与模拟 采用空间杆系有限元法对桥梁进行离散，主梁、塔、墩和桥面板均采用空间梁单元模拟，斜拉索采用空间杆单元模拟。建模考虑了塔截面形式的变化，斜拉索面积和初应变采用设计单位提供的数据。全桥共划分节点1906个，单元1623 个，本例采用SIMPACK与ANSYS相结合的联合仿真方法，计算德国ICE3 列车作用下该大跨度斜拉桥的车桥动力响应。列车编组为: 2 ( 动车+ 拖车+ 动车+ 动车+ 动车+动车+ 拖车+ 动车) ，共16 节计算整理的列车的动力响应响应最大值

6、响应最大值运行速度运行速度/(kmh-1)250270290300动车动车横向加速度/(ms-2)0.5470.5910.6460.681竖向加速度/(ms-2)0.7200.8400.9961.066轮轴横向力/kN22.83126.87731.16633.673轮重减载率0.1840.2120.2430.262脱轨系数0.1460.1700.1960.211横向Sperling舒适指标2.1012.1092.1222.128竖向Sperling舒适指标2.1792.2242.3122.310拖车拖车横向加速度/(m*s-2)0.4360.4320.4380.441竖向加速度/(m*s-2)

7、0.6870.7460.8530.933轮轴横向力/kN19.13421.43224.20125.871轮重减载率0.1910.2190.2470.261脱轨系数0.1330.1500.1730.184横向Sperling舒适指标2.1452.1202.0982.088竖向Sperling舒适指标2.1212.1532.1952.224响应最大值响应最大值运行速度运行速度/(kmh-1)250270290300动动位位移移/mm左边跨跨中竖向13.79513.73113.76113.753主跨跨中竖向109.345114.489120.599123.688右边跨跨中竖向13.51113.763

8、14.39814.550左边跨跨中横向0.5740.5050.4850,495主跨跨中横向2.4222.5192.6532.749右边跨跨中横向0.5200.5440.5410.595振振动动加加速速度度/ ms-2左边跨跨中竖向0.1620.2460.2540.278主跨跨中竖向0.3090.3110.3190.386右边跨跨中竖向0.1350.2110.2540.343左边跨跨中横向0.0830.0810.0810.107主跨跨中横向0.0530.0430.0510.074右边跨跨中横向0.0620.0810.0760.083挠跨比挠跨比竖向1/20851/19911/18911/1843

9、横向1/941371/905121/859401/83000桥梁在列车下的动力反应数据处理与分析跨中的竖向挠度值和横向挠度值都随着行车速度的提高几乎成正比例增长，原因为高速列车对桥梁的冲击增大,分别以250，270， 290和300 km/h的运行速度通过该桥梁时，冲击系数分别为1.061，1.111，1170 和1.200。108110112114116118120122124126240250260270280290300310跨中竖向挠度值跨中竖向挠度值列车运行速度列车运行速度2.42.452.52.552.62.652.72.752.8240250260270280290300310跨

10、中横向挠度跨中横向挠度列车运行速度列车运行速度对于车桥系统来说，其荷载是运动的列车，当列车运行速度改变时，加载频率也会发生变化。列车运行速度达到某一特定值时，加载频率将接近桥梁结构的自振频率，从而引起共振。00.050.10.150.20.250.30.350.40.45240260280300320跨中竖向振动加速度跨中横向振动加速度随列车运行速度提高，车辆的安全性指标脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力均呈单调增大的趋势00.050.10.150.20.250.3240260280300320动车轮重减载率拖车轮重减载率00.050.10.150.20.25240260280300320动车脱

11、轨系数拖车脱轨系数随列车运行速度提高,动车和拖车的纵向加速度增大较快，而横向加速度增长较慢，尤其是拖车的横向加速度随列车速度的提高基本保持不变00.20.40.60.811.2240260280300320动车横向加速度/(ms-2)动车竖向加速度/(ms-2)拖车横向加速度/(ms-2)拖车竖向加速度/(ms-2)动车的舒适性指标、拖车的竖向舒适度指标均随列车运行速度的提高而增大，而拖车的横向加速度有一定波动，横向舒适度指标则出现了随列车运行速度的提高反而减小的现象。2.1012.1092.1222.1282.1792.2242.3122.312.1452.122.0982.0882.121

12、2.1532.1952.224240250260270280290300310动车横向Sperling舒适指标动车竖向Sperling舒适指标拖车横向Sperling舒适指标拖车竖向Sperling舒适指标拖车横向舒适性指标降低说明对于高速列车，当运行速度提高到一定程度时，其舒适性可能出现不单调递增的情况，这与高速车辆的悬挂参数和轨道不平顺的频率有关。列车运行速度越高，激振频率越大，激振幅值也越大，激振频率增大可能远离车体的固有频率。2.1012.1092.1222.1282.1792.2242.3122.312.1452.122.0982.0882.1212.1532.1952.224240250260270280290300310动车横向Sperling舒适指标动车竖向Sperling舒适指标拖车横向Sperling舒适指标拖车竖向Sperling舒适指标84m+84m两跨连续钢桁架桥梁，双向四车道，铁路标准车辆加载，模型如图2所示。共有节点577个，单元1190个，释放桁架节点约束，考虑自重和横向分布系数。分析结构竖向位移和内力。竖向位移图内力分布图单元单元轴向轴向(tonf)单元单