高速铁路简支箱梁车桥耦合系统自振特性分析

高速铁路简支箱梁车桥耦合系统自振特性分析

车-桥耦合系统自振特性及风力分析高速铁路的大规模建设和运营促进了区域经济的发展。目前，世界上投资近2500公里的高速铁路运输线已经完成。高铁列车对桥梁会产生动力冲击,桥梁的振动也会影响车辆运行的平稳性和安全性。从19世纪人们就已经开始了对列车通过铁路桥梁的振动研究,早期由于计算手段的限制,车-桥模型做了很大的简化。随着计算机的广泛应用,在车桥耦合系统的振动研究中,利用有限元及数值分析技术,对车-桥模型进行了改进,计算得到了许多较为精确的结果。在已经进行的研究工作中都是以不同跨度的单跨简支梁为研究对象,计算分析一般只考虑单节或多节列车通过桥梁,而根据多跨简支梁桥和以实际运行车辆为模型的振动特性研究相对较少。对桥梁结构进行地震响应分析时,准确地确定桥梁的振动特性是非常重要的。当高速铁路列车过桥时,结构体系会发生变化,桥梁的固有频率并不能准确的反应出车桥耦合系统的自振特性。在高速铁路的地震预警中,地震记录的滤波频带也是根据铁路设施的自振频率确定的,京沪高速铁路中桥梁所占比例已超过80%,因此搞清楚车桥耦合系统自振频率的变化特征,对桥梁结构抗震的研究具有重要意义。同时,在进行桥梁结构抗震反应分析时,研究结构的自振特性,通过结构的自振频率、振型模态和振型质量参与系数等可以确定桥梁结构的各个方向刚度的强弱,结构的薄弱环节以及在何种频率特征的外部激励下容易发生共振。考虑到桥梁结构的几何形状、荷载条件、边界条件、材料性质的复杂性,而有限元法是计算复杂结构的有效方法,所以本文利用Midas-Civil有限元软件进行建模分析。本文通过建立简支梁桥车桥耦合模型,利用有限元计算方法,计算了单桥模型、车桥耦合模型及不同墩高工况下的自振频率及振型,并进行对比分析。1模型参数选取本文桥梁模型的建立参考了京沪高速铁路某标段内的一多跨简支梁桥:该桥上部梁体采用高铁标准跨度32m简支梁,梁体截面为单箱单室等高度箱梁,梁宽12.0m,梁长32.5m,计算跨度31.5m,截面高度3.2m,预应力钢筋采用1×7-15.2-1860。桥墩采用高速铁路桥梁通用的双线流线型圆端实体墩。桥梁基础采用群桩基础。钻孔灌注桩直径1.0m,桩长20m;为了简化计算桥梁的跨数取为8跨,墩高统一取值为15m。梁体、桥墩和钻孔桩均采用空间梁单元模拟,梁体材料C50混凝土,桥墩及桩采用C30混凝土。利用Midas-Civil建模时:(1)梁体和桥墩采用空间梁单元模拟;(2)支座的模拟:选取我国高速铁路桥梁广泛采用可调高的TGPZ盆式橡胶支座;(3)结构阻尼的设定:根据我国《铁路工程抗震设计规范》GB50111中建议的桥梁地震反应时程分析的阻尼比取值为0.05;(4)桩基础的模拟:用空间梁单元模拟桩基础,用土弹簧模拟土体对桩基础的抗力作用,利用边界条件中的节点弹性支撑来模拟土弹簧。车辆选取我国常见的高速客车模型中的高速机车,单线运行,按8辆编组。机车运行在桥梁某一位置时,在桥梁模型中通过梁单元模拟机车,机车参数选取主要考虑车辆的全长和质量,转向架的长度和质量以及一系二系悬挂的弹性模量和阻尼,参数值选取依据表1。车辆模型假定:(1)车辆用梁单元模拟;(2)车轮与桥面选用弹性连接,弹簧刚度值选取较大,其数量级大于结构的整体刚度以使车桥共同振动而不分离。车轮与桥面始终保持接触,车轮的振动认为是与车轮所在位置桥梁的振动一致。2自振特性分析进行自振分析时,选用的特征值分析方法为子空间迭代法,它是目前解决大型稀疏带状矩阵特征值问题的有效方法之一。子空间迭代法对求解自由度数较大系统的较低的前若干阶固有频率及主振型非常有效,而且可以有效克服由于等固有频率或几个频率非常接近时收敛速度慢的困难,并且具有精度高和可靠的优点。为了与车桥耦合模型的自振特性进行对比,不改变桥梁基本参数,略去车辆单元,采用子空间迭代法计算分析单桥模型的自振频率及振型。在Midas-Civil中根据特征值分析结果显示前150阶振型的参与质量在顺桥向(X向)为90.94%,横桥向(Y向)90.23%,竖桥向(Z向)96.42%。满足振型参与质量达到结构总质量的90%的要求。表2列出前15阶振型自振频率。自振特性分析,前15阶桥梁振型频率范围变化为0.74Hz~4.63Hz,其中竖向振型出现5次,横向振型出现7次,扭转振型出现2次,基础振型为顺桥向振型。从表中方可以看出:(1)该桥纵向振型出现的最早,说明该桥桥墩纵向刚度相对较弱;(2)该桥自振频率横向振型比竖向振型出现的早,这说明相对而言,该桥竖向刚度较大,横向刚度比较小。(3)该桥扭转振型出现相对较晚,说明结构的抗扭刚度较大。3动力特性分析计算分析列车位于桥梁中跨时车桥耦合模型的自振频率及振型。在Midas-Civil中根据模态分析结果显示前150阶振型的参与质量在顺桥向(X向)为94.55%,横桥向(Y向)94.09%,竖桥向(Z向)97.90%。满足振型参与质量达到结构总质量的90%的要求。表3列出前15阶振型自振频率。自振特性分析,前15阶桥梁振型频率范围变化为0.70Hz~4.99Hz,其中竖向振型出现6次,横向振型出现7次,扭转振型出现1次,基础振型为顺桥向振型。对比上述2种结构的自振特性发现,横桥向主振型频率值变化较大,竖桥向主振型频率值变化微小。车桥耦合模型的前1~6阶自振频率相应的小于桥梁固有频率,当竖桥向振型出现时,两者的自振频率值逐渐接近。这说明,在针对此工况下建模的简支梁桥,车辆作用对模型竖向自振频率的影响不大,对横桥向振型和纵桥向振型的影响较大。下面给出两种模型的各个方向的主振型图:对比两种模型纵向、横向和垂向的主振型图,可以看出:顺桥向振型和横桥向振型图基本相同,由于有列车的存在,竖桥向的振型图出现略微差异。车辆在桥梁不同位置时,车桥耦合系统的动力特性会发生变化。所以需要考虑车辆在桥梁不同位置时的自振特性,前面所模拟的是车辆单元在桥梁中跨时的情况,当车辆位于桥梁边跨并且全部上桥时,模型如图所示。车辆位于桥梁中跨时记作I类,车辆位于桥梁边跨时记作II类,将计算得到的自振频率值进行对比。从表5可以看出,改变车辆位置后,桥梁横桥向振型频率变化较大(在5%-20%之间),竖桥向振型频率变化较小(5%左右);从振型图分析车辆位于桥梁不同位置时,车桥耦合系统自振特性的变化(见图5)。注:1阶为顺桥向基础振型,2~8阶为横桥向振型,11~15阶为竖桥向振型,9、10阶为扭转振型。通过与图3进行对比可知:当车辆位置变动时,顺桥向基础振型图和横桥向基础振型图未发生变化;竖桥向基础振型图变化较大。即当车辆运行在桥梁不同位置上时,顺桥向和横桥向基础振型的自振频率值变化较大,振型图变化不大;竖桥向的自振频率值变化不大,振型图变化较大。4自振频率分析为了研究墩高对车桥耦合系统自振特性的影响,需要建立不同墩高的车桥耦合模型,在其他参数不变的情况下,调整桥墩高度,参考规范相应的改变桥墩截面尺寸。计算墩高分别为8m、10m、12m、14m、16m、18m和20m时的前100阶振型,尽可能包含对分析结果有影响的大部分主要振型,提取三个轴向的自振频率,得到的数据见表6。为了清晰的看出自振频率的变化趋势,将表6数据转化成图6如下:从表6和图6可以看出:在桥梁上部结构不变的情况下,随着桥墩高度的增加,桥梁的各阶自振频率都会随之降低,周期会随之增大,结构相应的变柔;其中,当桥墩高度增大到18m和20m时,竖桥向基频值的反而增大,分析原因为桥墩截面尺寸增大导致刚度增大,而其影响大于桥墩墩高增大对结构刚度的影响。从图中可以看出桥梁的横桥向基频的变化幅度相对较大,说明随着桥墩高度的增加,结构的横向刚度减小;桥梁的顺桥向基频的变化幅度相对较小,分析其原因为,桥墩高度的影响因素相对于桥梁的纵向约束而言,对自振频率的影响相对较小,所以其变化幅度不大。5考虑列车作用的车桥耦合模型自振频率本文基于Midas-Civil有限元软件分析了高速铁路桥梁车桥耦合模型的自振特性,并对桥梁墩高、列车等影响因素进行了分析,主要结论如下:1)在考虑列车的作用下,车桥耦合模型