考虑基础沉降的车-桥耦合振动分析

2019-09-03李志强王大千

铁道建筑 2019年8期

李志强，王大千

(中国市政工程东北设计研究总院有限公司，吉林长春 130021)

桥梁结构在我国高速铁路中占比较大，如东部地区的京津城际桥梁占比高达87%，西部山区的成渝客运专线中桥梁占线路总长的51%[1-3]。高速铁路要求桥上线路平顺性好，以保证列车运行安全性和平稳性。在软土地基地区，桥梁难以避免地会发生基础沉降，将导致桥上线路线形发生变化。虽然设计时轨道钢轨扣件具有一定的可调节性，但其可调量有限[4-6]。地基条件、桩基布置形式对桥梁基础沉降有不同程度的影响，基础沉降将影响桥上列车的走行性。因此，有必要针对地基沉降情况开展车-桥耦合振动研究[7-9]。

本文以一座高速铁路32 m典型简支梁桥为背景，采用有限元方法建立桥梁模型，并建立车-桥耦合振动模型，分析无沉降、单墩沉降、相邻双墩沉降和相邻三墩沉降4种工况和不同沉降量对桥上列车动力响应的影响。

1 工况概况

简支梁采用箱梁形式，高2.83 m，顶板宽12 m，底板宽5.3 m；顶板厚0.285 m，底板厚0.27 m，腹板厚0.36 m。梁体采用C50混凝土。桥墩为倒圆角矩形实心桥墩，横向桥宽4.2 m，纵向桥宽2.5 m，桥墩采用C35混凝土，墩高为25 m。

计算考虑无沉降、单墩(3#墩)沉降、相邻双墩(3#和4#墩)沉降和相邻三墩(3#，4#，5#墩)沉降4种工况，具体沉降形式如图1所示。

图1 沉降形式

2 车-桥耦合振动模型

车辆包含1个车体、2个转向架及4个轮对，共7个刚体，共23个自由度。刚体间通过弹簧、阻尼器连接，主要包括轴箱弹簧、一系减振器、空气弹簧、二系横(垂)向减振器等[10-11]。采用Kalker的滚动接触简化理论(FASTSIM)来计算轮轨蠕滑力。

车辆采用CRH2动车组，列车编组形式为2×(拖+动+动+拖)。轨道不平顺采用德国低干扰谱模拟。分析时列车速度取200 km/h。建立10跨桥梁有限元模型，采用梁单元模拟主梁和桥墩，以二期恒载的形式考虑桥上轨道和附属设施。梁和墩之间的连接按简支梁桥实际约束方式对计算模型进行约束设置，约束方式见表1。桥墩为整体沉降，基础沉降直接导致墩顶主梁下沉，计算时以轨道不平顺的形式输入到计算模型中。沉降量分为10，20，30，40，50 mm内5种情况。

表1 桥梁约束方式

注：x，y，z分别为桥梁纵向、横向和竖向；d表示线位移，@表示角位移；“√”表示约束该方向。

桥梁与车辆系统作为2个子系统应独立求解，其相互作用通过轮轨关系进行迭代计算，以满足2个子系统的几何和力学耦合关系。

3 计算结果及其分析

本文选取8节车辆响应的最大值进行分析。

3.1 无沉降工况

当桥墩无沉降时车辆的动力响应见表2。可知，车辆动力响应较小。

表2 车辆动力响应(无沉降)

3.2 单墩沉降工况

单墩沉降时车辆动力响应见表3。可知：单墩沉降时，沉降量对竖向加速度影响显著；当沉降量大于20 mm时，随着沉降量的增大，竖向加速度明显增大；沉降对横向加速度、轮重减载率和脱轨系数的影响有限。

单墩沉降时不同沉降量下车辆竖向加速度对比见图2。可知：列车通过沉降墩的相邻墩(2#墩)时，列车竖向加速度开始受沉降影响产生变化；通过沉降墩(3#墩)时，梁体竖向转角产生的折角最大，车辆的竖向加速度明显呈增大趋势，列车振动变大；通过4#墩时，由于梁体产生竖向转角，车辆竖向加速度响应进一步增大。同时，随着沉降量的增大，列车的竖向加速度显著增大。

表3 车辆动力响应(单墩沉降)

图2 单墩沉降时不同沉降量下车辆竖向加速度对比

3.3 相邻双墩沉降工况

由于软弱地基范围较大，不只是单墩会产生沉降。因此研究相邻双墩同时沉降列车通过桥梁时的动力响应，分析结果见表4。对比表3和表4可知，双墩沉降时，车辆动力响应的变化值比单墩沉降时要小。

表4 车辆动力响应(相邻双墩沉降)

图3 相邻双墩沉降时不同沉降量下车辆竖向加速度对比

相邻双墩沉降时不同沉降量下车辆竖向加速度对比见图3。可知，随着沉降量的增大，车辆竖向加速度在沉降影响区间内的响应逐渐增大。对比图2和图3可知，列车通过第1根沉降墩的相邻墩(2#)时，其竖向加速度响应与单墩沉降时相同。当列车通过4#墩后，受4#和5#墩的沉降差异影响，竖向加速度变化显著。双墩沉降时，当列车通过4#墩后，车辆竖向加速度未出现随沉降量的增大而改变的现象，这是由轨道不平顺、4#墩竖向转角和4#—5#墩内沉降变化量导致的。