高速铁路简支梁桥竖向动挠度和行车速度之间关系的研究.doc

1、高速铁路简支梁桥竖向动挠度和行车速度之间关系的研究摘 要：在高速铁路建设中，桥梁占有很大部分比例。随着高速铁路的建设与发展，行车速度的不断提高，而且高速铁路桥梁对桥梁竖向变形的要求也非常严格。本文主要分析了在行车速度不断提高的前提下，桥梁结构的竖向动挠度和行车速度之间的关系。 关键词：车桥耦合；速度；简支梁 近几年来，我国高速铁路建设比较迅速。越来越多的高铁和动车相继投入运行。铁路的行车速度不断提高，运载量也不断加大。高速铁路桥梁和高速铁路车辆之间的相互影响关系也更多的受到人们的关注和研究。西南交通大学、石家庄铁道大学等多所高校一直致力于这方面的研究与分析。本文拟通过建立四分之一车辆模型，综合

2、考虑轮对、转向架、车体的惯性力及其相互作用，采用有限元分析软件 ANSYS 来研究和比较行车速度对简支梁桥动挠度的影响1-3。 1 模型的建立 用移动车轮、转向架、车体组成的四分之一车辆模型模拟实际运行的高速列车匀速运行通过一跨度为标准长度的简支桥梁的的情况，采用大型有限元分析软件建立适当的的模型，对标准跨度简支桥梁的竖向位移进行仿真模拟计算和分析。在本分析和计算中，简支桥梁模型不考虑桥梁本身不平整的影响，也不考虑桥梁本身的粗糙度以及地震作用和风荷载对车辆、桥梁以及车辆与桥梁之间相互关系的影响。同时也不考虑车辆上桥之前的初始震动和运行状态，理想的认为车辆是匀速的，没有震动的状态下上桥，并且匀速

3、运行通过桥面。 本分析只考虑简支梁在竖向的变形，鉴于其受力特点决定采用二维梁单元 BEAM3。对于轮对质量和车体质量，由于只分析其沿简支梁长度方向的水平移动和随简支梁在垂直方向的位移，鉴于其受力和位移的方向特点采用 MASS21。在本文选用的四分之一车模型中，要综合考虑作为车体的质量与作为转向架的质量之间的弹簧与阻尼作用、作为质量的转向架与简化为质量的车轮之间的弹簧阻尼作用，鉴于其受力特点采用的单元为 COMBIN14。 本文桥梁模型采用一投入运行的高速铁路箱梁，材料基准数据如下：材料 C50 砼，混凝土弹性模量近似取为 3.5104KPa，考虑到路面做法等因素混凝土的密度近似取为 =2500

4、kg/m3。简支桥梁参数如下：标准跨径取为 32m，箱型断面总高度取实际高度 2.8m，桥梁总宽度为 13m，桥梁的断面截面积为 8.29m2，惯性矩计算得 8.64m4。 简支桥梁的单元划分由两方面决定：1、桥梁上车辆的运行速度；2、简支桥梁的长度。在本文的分析和计算中，将简支梁桥均匀通过 101个节点划分为 100 个单元，25 节点、51 节点、75 节点把桥梁分成四份，取这三个节点分别为左侧四分之一节点、跨中节点、右侧四分之一节点。车体参数如下：车轮质量 1.887 吨，车身质量 36.8 吨，车体和轮对之间的转向架质量 5.36 吨，轮对和转向架之间弹簧刚度和阻尼取K1=2180kN

5、/m，C1=150kN/ms，转向架和车体之间弹簧刚度及阻尼参数取为：K2=760kN/m，C2=1500kN/ms。 2.1 数值模拟及结果分析 本文考虑的速度变化范围按车速由 5300（km/h）考虑计算，本文主要考虑和分析和对比研究的是标准跨径桥梁结构在速度为5km/h、50km/h、100km/h、200km/h、300km/h 五种不同工况下桥梁结构的竖向动挠度变化情况。 不同速度下结构的动挠度情况。 图 1 各节点最大动挠度曲线 通过图 1 对比出 32m 简支梁桥上各个节点在速度为5km/h、50km/h、100km/h、200km/h、300km/h 下桥梁结构各个节点的最大竖

6、向动挠度，从图中我们可以看出：随着列车速度的提高，桥梁上各个节点的最大竖向动挠度都有所增加，也就是说，随着行车速度的不断增加，桥梁的各个节点的最大竖向动挠度都是逐渐增大的。通过曲线的形状也可以看出，在本分析中，简支梁桥的最大竖向动挠度的发生位置并不是在简支梁的中部，而是发生于中部附近的节点。 通过图 2 我们可以看出三个不同节点在不同车辆速度下的竖向动挠度，从中我们可以看出在速度不是很高（v=50km/h，v=100km/h）的情况时，本分析所选取的三个节点的动挠度是没有什么规律的，仔细阅读数据线可以发现，各点的竖向位移都是近似的以不确定的频率围绕 v=5km/h状态下的桥梁挠度的波动，这种波

7、动类似与正弦曲线，随着行车速度的的不断提高，这种类似与正弦的波动的波动频率变低，波动的幅度变大，波动的周期边长。 图 2 桥梁结构在不同车辆速度下的动挠度 通过表 1 中的数据和图 2 可以对比出：当速度为 50km/h 时，跨中节点、左四分节点、右四分节点的竖向动挠度分别为桥梁在静态车速下竖向动挠度的 102%、103%、103%；当车速为 100km/h 时，跨中节点、左四分节点、右四分节点的竖向动挠度分别为桥梁在静态车速下竖向动挠度的 104%、107%、107%；当车速为 200km/h 时，跨中节点、左四分节点、右四分节点的竖向动挠度分别为桥梁在静态车速下竖向动挠度的117%、114

8、%、116%；当车速为 300km/h 时，跨中节点、左四分节点、右四分节点的竖向动挠度分别为桥梁在静态车速下动挠度的116%、123%、111%；综合以上动挠度的数据对比可以看出：在行车速度不是很高的情况下，行车速度对桥梁上三个节点的影响不是很大，但是随着行车速度的不断提高，行车速度对桥梁上三个节点竖向动挠度的影响会逐渐增大。同时从上面的数据可以得出，桥梁竖向动挠度的提高并不是与车速成正比的。 表 1 不同节点在车速不同下的最大动挠度 2 结论 （1）随着行车速度的提高，桥梁竖向的动挠度总体变化的趋势是变大的。 （2）桥梁最大竖向动挠度不一定发生在桥梁的跨中，经常发生在跨中前后。 （3）桥梁的竖向动挠度和行车速度之间并非是简单的线性关系，而是更加复杂的曲线关系。 参考文献： 1钱仲候.高速铁路概论M.北京：中国铁道出版社，1999（第二版）. 2铁道部工程管理中心，铁道科学研究院.高速铁路技术M.北京：中国铁道出版社，2003. 3Xia He，Zhang Nan.Dynamic analysis of high speed railway bridge under articulated trainsJ.Computers and Structures，2003，81：246-248. 4胡希冀，高速列车作用下桥梁结构的动力性能研究D.太原：太原理工大学，2010.