鋼橋合理剛度與沖擊系數(shù)研究

1、鋼橋合理剛度和沖擊系數(shù)研究（高速鐵路300kNm） 隨著高速鐵路的發(fā)展，列車對(duì)線路、橋梁的動(dòng)力影響日益加強(qiáng)，其動(dòng)力作用引起橋梁上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生疲勞，降低其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而橋梁振動(dòng)過大可能會(huì)對(duì)橋上車輛的運(yùn)行安全和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響：當(dāng)列車的動(dòng)力變化頻率與橋跨結(jié)構(gòu)當(dāng)列車的動(dòng)力變化頻率與橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率相等或接近時(shí)，引起的自振頻率相等或接近時(shí)，引起的共振可能會(huì)使車橋共振可能會(huì)使車橋動(dòng)力響應(yīng)加劇，產(chǎn)生意外的動(dòng)力響應(yīng)加劇，產(chǎn)生意外的破壞破壞。因此，鋼橋在高速列車下的合理剛度問題已經(jīng)成為高速鐵路橋梁振動(dòng)領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究課題，在國內(nèi)外都受到了特別的重視。項(xiàng)目概況 車橋耦合動(dòng)力仿真車橋耦合動(dòng)力

2、仿真分析分析是國內(nèi)外研究和制定橋梁合理剛度設(shè)計(jì)值的主要手段。列車通過橋梁時(shí)將列車通過橋梁時(shí)將引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng), 而橋梁的振動(dòng)又反過來影響車而橋梁的振動(dòng)又反過來影響車輛的振動(dòng)輛的振動(dòng), 這種相互作用、相互影響的問題就是車輛這種相互作用、相互影響的問題就是車輛與橋梁之間振動(dòng)耦合的問題與橋梁之間振動(dòng)耦合的問題?；舅悸肥菍④囕v、橋梁看作一個(gè)相互作用的動(dòng)力體系，運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)與橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究方法，以輪軌接觸處為界面，分別建立橋梁與車輛的運(yùn)動(dòng)方程，兩者之間通過輪軌的幾何相容條件和相互作用力平衡條件來聯(lián)系，分別求解車輛、橋梁的運(yùn)動(dòng)方程，最終同時(shí)得到列車運(yùn)行于橋上時(shí)的車輛與橋梁的動(dòng)

3、力響應(yīng)國內(nèi)外研究方法 剛度設(shè)計(jì)要求剛度設(shè)計(jì)要求必須滿足列車走行性要求與無縫線路正常使用要求。 舒適性指標(biāo)舒適性指標(biāo)大致可分為兩種：考慮較長持續(xù)時(shí)間內(nèi)乘車的綜合乘坐舒適度和車輛通過各個(gè)特定地點(diǎn)的瞬間乘坐舒適度?？捎肧perling評(píng)價(jià)指標(biāo)和豎向加速度限值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判。 我國高速鐵路及新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定規(guī)定: 在考慮軌道不平順條件下進(jìn)行車橋耦合振動(dòng)分析得到的車體豎向加速度不得超過1. 3 m/s2。列車走行性指標(biāo) 安全性安全性指標(biāo)指標(biāo)脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軌橫向水平力。 脫軌脫軌系數(shù)系數(shù)Q/P：輪軌間橫向水平力Q與垂直力P的比值。 輪重減載率輪重減載率：輪對(duì)垂向減載量與垂

4、向力之比。當(dāng)一側(cè)車輪減載，其剩余輪重變小時(shí)，由于產(chǎn)生與其成比例的比較小的橫向力，導(dǎo)致脫軌系數(shù)很容易達(dá)到脫軌限界值，當(dāng)一側(cè)車輪輪重減載時(shí)另一側(cè)輪重將增大，有可能在很小的沖角變化時(shí)產(chǎn)生很大的橫向力，增大脫軌危險(xiǎn)性，必須對(duì)輪重的減載量加以限制，定義輪重減載率。列車走行性指標(biāo)實(shí)例計(jì)算本文以南寧廣州高速鐵路郁江大橋( 大跨度鋼桁斜拉橋) 為研究對(duì)象，建立了車橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)仿真模型。郁江特大橋主橋是一座鋼橋，主橋?yàn)殡p塔雙索面斜拉鋼桁梁橋，在江中有兩座高達(dá)102米的塔臺(tái)，兩座塔臺(tái)之間跨度長228米，主橋跨徑組合為36 m + 96 m + 228 m + 96 m + 36 m，全長492 m。由一個(gè)個(gè)鋼鐵

5、三角形組成、長達(dá)492米的淺藍(lán)色鋼梁，主橋分雙邊斜拉鋼桁梁設(shè)計(jì)，主塔為花瓶狀結(jié)構(gòu)，塔高103.5米，主塔每邊拉索8對(duì)ANSYS建模與模擬 采用空間桿系有限元法對(duì)橋梁進(jìn)行離散，主梁、塔、墩和橋面板均采用空間梁單元模擬，斜拉索采用空間桿單元模擬。建?？紤]了塔截面形式的變化，斜拉索面積和初應(yīng)變采用設(shè)計(jì)單位提供的數(shù)據(jù)。全橋共劃分節(jié)點(diǎn)1906個(gè)，單元1623 個(gè)，本例采用SIMPACK與ANSYS相結(jié)合的聯(lián)合仿真方法，計(jì)算德國ICE3 列車作用下該大跨度斜拉橋的車橋動(dòng)力響應(yīng)。列車編組為: 2 ( 動(dòng)車+ 拖車+ 動(dòng)車+ 動(dòng)車+ 動(dòng)車+動(dòng)車+ 拖車+ 動(dòng)車) ，共16 節(jié)計(jì)算整理的列車的動(dòng)力響應(yīng)響應(yīng)最大值

6、響應(yīng)最大值運(yùn)行速度運(yùn)行速度/(kmh-1)250270290300動(dòng)車動(dòng)車橫向加速度/(ms-2)0.5470.5910.6460.681豎向加速度/(ms-2)0.7200.8400.9961.066輪軸橫向力/kN22.83126.87731.16633.673輪重減載率0.1840.2120.2430.262脫軌系數(shù)0.1460.1700.1960.211橫向Sperling舒適指標(biāo)2.1012.1092.1222.128豎向Sperling舒適指標(biāo)2.1792.2242.3122.310拖車拖車橫向加速度/(m*s-2)0.4360.4320.4380.441豎向加速度/(m*s-2)

7、0.6870.7460.8530.933輪軸橫向力/kN19.13421.43224.20125.871輪重減載率0.1910.2190.2470.261脫軌系數(shù)0.1330.1500.1730.184橫向Sperling舒適指標(biāo)2.1452.1202.0982.088豎向Sperling舒適指標(biāo)2.1212.1532.1952.224響應(yīng)最大值響應(yīng)最大值運(yùn)行速度運(yùn)行速度/(kmh-1)250270290300動(dòng)動(dòng)位位移移/mm左邊跨跨中豎向13.79513.73113.76113.753主跨跨中豎向109.345114.489120.599123.688右邊跨跨中豎向13.51113.763

8、14.39814.550左邊跨跨中橫向0.5740.5050.4850,495主跨跨中橫向2.4222.5192.6532.749右邊跨跨中橫向0.5200.5440.5410.595振振動(dòng)動(dòng)加加速速度度/ ms-2左邊跨跨中豎向0.1620.2460.2540.278主跨跨中豎向0.3090.3110.3190.386右邊跨跨中豎向0.1350.2110.2540.343左邊跨跨中橫向0.0830.0810.0810.107主跨跨中橫向0.0530.0430.0510.074右邊跨跨中橫向0.0620.0810.0760.083撓跨比撓跨比豎向1/20851/19911/18911/1843

9、橫向1/941371/905121/859401/83000橋梁在列車下的動(dòng)力反應(yīng)數(shù)據(jù)處理與分析跨中的豎向撓度值和橫向撓度值都隨著行車速度的提高幾乎成正比例增長，原因?yàn)楦咚倭熊噷?duì)橋梁的沖擊增大,分別以250，270， 290和300 km/h的運(yùn)行速度通過該橋梁時(shí)，沖擊系數(shù)分別為1.061，1.111，1170 和1.200。108110112114116118120122124126240250260270280290300310跨中豎向撓度值跨中豎向撓度值列車運(yùn)行速度列車運(yùn)行速度2.42.452.52.552.62.652.72.752.8240250260270280290300310跨

10、中橫向撓度跨中橫向撓度列車運(yùn)行速度列車運(yùn)行速度對(duì)于車橋系統(tǒng)來說，其荷載是運(yùn)動(dòng)的列車，當(dāng)列車運(yùn)行速度改變時(shí)，加載頻率也會(huì)發(fā)生變化。列車運(yùn)行速度達(dá)到某一特定值時(shí)，加載頻率將接近橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率，從而引起共振。00.050.10.150.20.250.30.350.40.45240260280300320跨中豎向振動(dòng)加速度跨中橫向振動(dòng)加速度隨列車運(yùn)行速度提高，車輛的安全性指標(biāo)脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力均呈單調(diào)增大的趨勢(shì)00.050.10.150.20.250.3240260280300320動(dòng)車輪重減載率拖車輪重減載率00.050.10.150.20.25240260280300320動(dòng)車脫

11、軌系數(shù)拖車脫軌系數(shù)隨列車運(yùn)行速度提高,動(dòng)車和拖車的縱向加速度增大較快，而橫向加速度增長較慢，尤其是拖車的橫向加速度隨列車速度的提高基本保持不變00.20.40.60.811.2240260280300320動(dòng)車橫向加速度/(ms-2)動(dòng)車豎向加速度/(ms-2)拖車橫向加速度/(ms-2)拖車豎向加速度/(ms-2)動(dòng)車的舒適性指標(biāo)、拖車的豎向舒適度指標(biāo)均隨列車運(yùn)行速度的提高而增大，而拖車的橫向加速度有一定波動(dòng)，橫向舒適度指標(biāo)則出現(xiàn)了隨列車運(yùn)行速度的提高反而減小的現(xiàn)象。2.1012.1092.1222.1282.1792.2242.3122.312.1452.122.0982.0882.121

12、2.1532.1952.224240250260270280290300310動(dòng)車橫向Sperling舒適指標(biāo)動(dòng)車豎向Sperling舒適指標(biāo)拖車橫向Sperling舒適指標(biāo)拖車豎向Sperling舒適指標(biāo)拖車橫向舒適性指標(biāo)降低說明對(duì)于高速列車，當(dāng)運(yùn)行速度提高到一定程度時(shí)，其舒適性可能出現(xiàn)不單調(diào)遞增的情況，這與高速車輛的懸掛參數(shù)和軌道不平順的頻率有關(guān)。列車運(yùn)行速度越高，激振頻率越大，激振幅值也越大，激振頻率增大可能遠(yuǎn)離車體的固有頻率。2.1012.1092.1222.1282.1792.2242.3122.312.1452.122.0982.0882.1212.1532.1952.224240250260270280290300310動(dòng)車橫向Sperling舒適指標(biāo)動(dòng)車豎向Sperling舒適指標(biāo)拖車橫向Sperling舒適指標(biāo)拖車豎向Sperling舒適指標(biāo)84m+84m兩跨連續(xù)鋼桁架橋梁，雙向四車道，鐵路標(biāo)準(zhǔn)車輛加載，模型如圖2所示。共有節(jié)點(diǎn)577個(gè)，單元1190個(gè)，釋放桁架節(jié)點(diǎn)約束，考慮自重和橫向分布系數(shù)。分析結(jié)構(gòu)豎向位移和內(nèi)力。豎向位移圖內(nèi)力分布圖單元單元軸向軸向(tonf)單元單