重慶輕軌袁家崗車(chē)站橋車(chē)致振動(dòng)分析

1、重慶輕軌袁家崗車(chē)站橋車(chē)致振動(dòng)分析摘要:運(yùn)用車(chē)站橋構(gòu)造動(dòng)力學(xué)及車(chē)橋耦合振動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的研究方法,采用了車(chē)橋振動(dòng)理論的荷載列方法,以重慶跨座式輕軌袁家崗車(chē)站橋?yàn)檠芯繉?duì)象,進(jìn)展了輕軌列車(chē)過(guò)橋時(shí)的車(chē)橋空間耦合振動(dòng)響應(yīng)分析,著重研究了列車(chē)速度變化時(shí)對(duì)車(chē)站橋的撓度、乘客在站臺(tái)、站廳和樓梯上的舒適度分析.車(chē)橋計(jì)算結(jié)果說(shuō)明,該車(chē)站橋可以滿足良好的舒適性與平安性要求.關(guān)鍵詞:輕軌列車(chē);空間分析;耦合振動(dòng)運(yùn)行的列車(chē)以一定速度通過(guò)構(gòu)造時(shí)將引起構(gòu)造的振動(dòng),而構(gòu)造的振動(dòng)反過(guò)來(lái)又影響著列車(chē)的振動(dòng),隨著列車(chē)速度的變化,構(gòu)造將會(huì)出現(xiàn)不同的振動(dòng)情況.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)列車(chē)通過(guò)車(chē)站橋時(shí)所應(yīng)起的振動(dòng)作了大量而有價(jià)值的研究,而對(duì)輕軌列車(chē)運(yùn)

2、營(yíng)所引起車(chē)站的振動(dòng)以及乘客在車(chē)站內(nèi)舒適度的研究比擬少.本文以重慶跨座式輕軌高架車(chē)站為研究對(duì)象,進(jìn)展了輕軌列車(chē)過(guò)橋時(shí)的車(chē)橋空間耦合振動(dòng)響應(yīng)分析,著重研究了列車(chē)速度變化時(shí)對(duì)車(chē)站橋的撓度、乘客在站臺(tái)、站廳和樓梯上的舒適度分析.對(duì)該車(chē)站橋的豎向與橫向剛度做了評(píng)價(jià).1計(jì)算方法和舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)規(guī)劃中的重慶快速軌道交通線路有3條,即一、二、三號(hào)線,它們組成了重慶市東西、南北方向十字穿插的快速軌道交通網(wǎng)絡(luò).目前在建的二號(hào)線,自較場(chǎng)口沿嘉陵江岸至新山村,全長(zhǎng)約17.6k.根據(jù)城市特點(diǎn),重慶的軌道交通方式選擇為跨座式單軌交通,多數(shù)線路高架,其中還有數(shù)座車(chē)站高架.高架車(chē)站的站廳、站臺(tái)及連接站廳和站臺(tái)的樓梯與跨座式單

3、軌車(chē)輛運(yùn)行的軌道梁一起支撐于共同的橋墩上.車(chē)站橋的動(dòng)力性能和車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)橋上人員的舒適性,是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的重要因素.列車(chē)車(chē)站橋空間耦合振動(dòng)分析模型是由車(chē)輛計(jì)算模型、車(chē)站橋計(jì)算模型按一定的輪軌運(yùn)動(dòng)關(guān)系聯(lián)絡(luò)起來(lái)而組成的系統(tǒng).車(chē)輛通過(guò)橋梁時(shí)的振動(dòng)系統(tǒng)涉及車(chē)輛、軌道及橋梁3局部.因軌道系統(tǒng)的振動(dòng)相對(duì)于車(chē)輛及橋梁來(lái)說(shuō),其振動(dòng)頻率要高得多,因此研究中通常忽略軌道本身的振動(dòng)1.1.1車(chē)輛挪動(dòng)荷載列模型當(dāng)車(chē)輛通過(guò)橋梁構(gòu)造時(shí),即使靜力荷載也將引起構(gòu)造的內(nèi)力與變形隨時(shí)間變化,這種由于靜的挪動(dòng)荷載引起的振動(dòng)稱為靜力脈動(dòng).當(dāng)一列荷載的變化周期與構(gòu)造系統(tǒng)的振動(dòng)周期滿足一定關(guān)系時(shí),構(gòu)造系統(tǒng)的振動(dòng)將出現(xiàn)峰值.因?yàn)閱诬壾?chē)輛采用

4、的是橡膠輪胎,走行面非常光滑,且車(chē)輛的兩個(gè)走行輪位于同一根軌道梁上(如圖1所示),因此單軌線路橋梁構(gòu)造的振動(dòng)不同于一般鐵路橋梁的車(chē)致振動(dòng),此時(shí)軌道不平順、沖擊等不是引起橋梁振動(dòng)的主要因素,單軌車(chē)站橋的振動(dòng)主要是由荷載列的挪動(dòng)引起的.因此,本文將挪動(dòng)的輕軌車(chē)輛簡(jiǎn)化為荷載列模型,即忽略車(chē)輛質(zhì)量,將車(chē)輛簡(jiǎn)化為假設(shè)干個(gè)集中力,考慮該列集中力以一定速度通過(guò)橋梁時(shí)引起的振動(dòng).荷載列模型考慮了車(chē)輛的軸重、軸距及其排列、車(chē)長(zhǎng)等因素對(duì)橋梁振動(dòng)的影響.參考重慶輕軌所采用的跨座式單軌車(chē)輛,簡(jiǎn)化的荷載列模型如圖2所示.一列車(chē)由8輛車(chē)組成,圖2僅示出了一輛車(chē)及其前后車(chē)的一個(gè)車(chē)軸,車(chē)輛重心到橋面的間隔 為1.3.計(jì)算中采

5、用的其它參數(shù)包括:考慮車(chē)輛進(jìn)、出站的制動(dòng)力和啟動(dòng)力系數(shù)0.15,考慮車(chē)輛橫向荷載的橫向搖擺力系數(shù)0.25,沖擊系數(shù)0.286.1.2車(chē)站橋計(jì)算模型袁家崗車(chē)站橋由站臺(tái)、站廳和軌道梁組成.其中:軌道梁7跨,其跨徑組成為:20+10+320+10+20,全長(zhǎng)120;站臺(tái)的全長(zhǎng)120;站廳的跨度組成為610,全長(zhǎng)60.對(duì)袁家崗車(chē)站橋采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)展離散,共劃分單元1047個(gè),節(jié)點(diǎn)696個(gè).在構(gòu)造離散中考慮了軌道梁和橋墩系梁的連接關(guān)系.構(gòu)造離散情況見(jiàn)圖3.1.3車(chē)橋振動(dòng)方程及求解荷載列分析模型可采用有限元法求解,該方法的通用性強(qiáng),對(duì)不同的構(gòu)造形式可以建立一樣的計(jì)算式,而且可以處理具有復(fù)雜構(gòu)造形式及復(fù)雜

6、截面構(gòu)成的橋梁構(gòu)造.車(chē)站橋的運(yùn)動(dòng)方程,寫(xiě)成矩陣形式如下:bub+b.ubkbub=pb(1)式中:b、b和kb分別表示車(chē)站橋的質(zhì)量,阻尼和剛度矩陣,ub、.ub和ub分別表示車(chē)站橋構(gòu)造自由度的位移、速度及加速度列向量,pb是過(guò)橋車(chē)輛作用于車(chē)站橋各自由度的荷載列向量,它是在橋上車(chē)輛的振動(dòng)狀態(tài)(位移、速度及加速度)的函數(shù).采用別離的車(chē)輛與車(chē)站橋振動(dòng)方程,兩者之間通過(guò)迭代求解,以車(chē)輛輪對(duì)與橋面鋼軌之間的互相作用力迭代結(jié)果的相對(duì)誤差小于允許誤差作為收斂條件,在每一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)運(yùn)用了neark-積分格式.1.4舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著生活程度的進(jìn)步,人們對(duì)乘車(chē)環(huán)境的要求越來(lái)越高,振動(dòng)舒適性問(wèn)題更顯重要.目前,有

7、關(guān)舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的舒適度指標(biāo)有很多種1、3,但國(guó)際國(guó)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一的指標(biāo).本文研究的是當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)引起的車(chē)站橋的振動(dòng)通過(guò)人體支撐面?zhèn)鬟f到人體后(即全身振動(dòng))人體的舒適度問(wèn)題,經(jīng)綜合評(píng)價(jià),采用的是日本國(guó)營(yíng)鐵路的舒適度標(biāo)準(zhǔn)3.2計(jì)算結(jié)果及分析分析中考慮因輕軌列車(chē)進(jìn)站和出站而導(dǎo)致的車(chē)站振動(dòng),得到站廳、站臺(tái)和樓梯的振動(dòng)響應(yīng),根據(jù)動(dòng)力響應(yīng)對(duì)站廳、站臺(tái)和樓梯處的舒適度進(jìn)展評(píng)價(jià).在計(jì)算過(guò)程中,考慮了輕軌列車(chē)以不同的車(chē)速、上行進(jìn)出站、下行進(jìn)出站及上下行同時(shí)進(jìn)出站等工況.計(jì)算的速度工況為:40k/h、50k/h、60k/h、70k/h和80k/h,共5種速度工況,進(jìn)出站工況為:上行進(jìn)出站、下行進(jìn)出站和上下行同時(shí)進(jìn)

8、出站3種工況,總的計(jì)算工況為:35=15種工況.2.1自振特性車(chē)站橋的自振頻率在很大程度上反映其剛度的大小,即反映了構(gòu)造的動(dòng)力特性.因此,研究車(chē)站橋動(dòng)力特性的首要問(wèn)題便是準(zhǔn)確地計(jì)算車(chē)站橋的自振頻率及各階頻率對(duì)應(yīng)的振型特點(diǎn).表1為該車(chē)站橋前5階自振頻率計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)振型特點(diǎn),圖4為計(jì)算機(jī)給出的車(chē)站橋第15階頻率的振型示意圖.從表1與圖4可以看出:該車(chē)站橋的前幾階振型主要表現(xiàn)為軌道梁的橫向振動(dòng).2.2車(chē)站橋振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算及分析以下給出袁家崗車(chē)站橋的車(chē)致振動(dòng)分析結(jié)果,共有40k/h、50k/h、60k/h、70k/h和80k/h5種速度工況,行車(chē)工況有:上行進(jìn)出站、下行進(jìn)出站及上下行進(jìn)出站.袁家崗車(chē)站

9、橋在站臺(tái)、站廳及樓梯位置處的縱向、橫向及豎向加速度最大值見(jiàn)表2.由表2可見(jiàn),袁家崗車(chē)站橋在縱、橫、豎3個(gè)方向都是站臺(tái)層的加速度值最大,而其中數(shù)值最大的豎向加速度值為0.0127g.根據(jù)表2,參照日本國(guó)營(yíng)鐵路的舒適度標(biāo)準(zhǔn),袁家崗車(chē)站橋的站臺(tái)、站廳和樓梯各部位的舒適度系數(shù)均在1.5以下,即舒適度分級(jí)均為“非常良好,即該車(chē)站橋的舒適度等級(jí)是滿足要求的.各方向加速度值均較大的站臺(tái)層最大縱向、橫向和豎向加速度所在位置處的加速度時(shí)程及同一位置處的相應(yīng)位移時(shí)程(動(dòng)位移)如圖5所示.由圖5可見(jiàn),構(gòu)造的縱向動(dòng)位移最大,這是由車(chē)輛進(jìn)、出站時(shí)的制動(dòng)和啟動(dòng)引起的,但最大動(dòng)位移值僅為3左右,這說(shuō)明構(gòu)造在挪動(dòng)車(chē)輛荷載的動(dòng)力作用下各個(gè)方向的剛度都是足夠的.從加速度和位移的時(shí)程曲線上看,隨著車(chē)輛的出站,構(gòu)造振動(dòng)將很快地衰減,沒(méi)有出現(xiàn)振動(dòng)放大現(xiàn)象.3結(jié)論采用車(chē)橋作用的荷載列法計(jì)算了袁家崗車(chē)站橋在輕軌車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)的構(gòu)造振動(dòng),評(píng)價(jià)了橋上行人的舒適度,并計(jì)算了構(gòu)造的自振特性.分析結(jié)果說(shuō)明,該車(chē)站橋的構(gòu)造設(shè)計(jì)較為合理,構(gòu)造具有足夠的剛度,整體動(dòng)力性能較好,橋上各位置處的振動(dòng)均滿足人體舒適度要求.參考文獻(xiàn):1何度心.列車(chē)動(dòng)載j.地震工程與工程振動(dòng),1988,8(4):78-98.2沈銳利.高速鐵道路上簡(jiǎn)支梁橋車(chē)橋共振問(wèn)題初探j(luò).西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),1995,30(3):275-282.3王福天.車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力