鋼橋合理剛度與沖擊系數研究

1、鋼橋合理剛度和沖擊系數研究（高速鐵路300kNm） 隨著高速鐵路的發(fā)展，列車對線路、橋梁的動力影響日益加強，其動力作用引起橋梁上部結構的振動可能使結構構件產生疲勞，降低其強度和穩(wěn)定性，而橋梁振動過大可能會對橋上車輛的運行安全和穩(wěn)定性產生影響：當列車的動力變化頻率與橋跨結構當列車的動力變化頻率與橋跨結構自振頻率相等或接近時，引起的自振頻率相等或接近時，引起的共振可能會使車橋共振可能會使車橋動力響應加劇，產生意外的動力響應加劇，產生意外的破壞破壞。因此，鋼橋在高速列車下的合理剛度問題已經成為高速鐵路橋梁振動領域中一個重要的研究課題，在國內外都受到了特別的重視。項目概況 車橋耦合動力仿真車橋耦合動力

2、仿真分析分析是國內外研究和制定橋梁合理剛度設計值的主要手段。列車通過橋梁時將列車通過橋梁時將引起橋梁結構的振動引起橋梁結構的振動, 而橋梁的振動又反過來影響車而橋梁的振動又反過來影響車輛的振動輛的振動, 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耦合的問題與橋梁之間振動耦合的問題?；舅悸肥菍④囕v、橋梁看作一個相互作用的動力體系，運用車輛動力學與橋梁結構動力學的研究方法，以輪軌接觸處為界面，分別建立橋梁與車輛的運動方程，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系，分別求解車輛、橋梁的運動方程，最終同時得到列車運行于橋上時的車輛與橋梁的動

3、力響應國內外研究方法 剛度設計要求剛度設計要求必須滿足列車走行性要求與無縫線路正常使用要求。 舒適性指標舒適性指標大致可分為兩種：考慮較長持續(xù)時間內乘車的綜合乘坐舒適度和車輛通過各個特定地點的瞬間乘坐舒適度?？捎肧perling評價指標和豎向加速度限值標準進行評判。 我國高速鐵路及新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定規(guī)定: 在考慮軌道不平順條件下進行車橋耦合振動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 安全性安全性指標指標脫軌系數、輪重減載率和輪軌橫向水平力。 脫軌脫軌系數系數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：輪對垂向減載量與垂

4、向力之比。當一側車輪減載，其剩余輪重變小時，由于產生與其成比例的比較小的橫向力，導致脫軌系數很容易達到脫軌限界值，當一側車輪輪重減載時另一側輪重將增大，有可能在很小的沖角變化時產生很大的橫向力，增大脫軌危險性，必須對輪重的減載量加以限制，定義輪重減載率。列車走行性指標實例計算本文以南寧廣州高速鐵路郁江大橋( 大跨度鋼桁斜拉橋) 為研究對象，建立了車橋系統耦合振動仿真模型。郁江特大橋主橋是一座鋼橋，主橋為雙塔雙索面斜拉鋼桁梁橋，在江中有兩座高達102米的塔臺，兩座塔臺之間跨度長228米，主橋跨徑組合為36 m + 96 m + 228 m + 96 m + 36 m，全長492 m。由一個個鋼鐵

5、三角形組成、長達492米的淺藍色鋼梁，主橋分雙邊斜拉鋼桁梁設計，主塔為花瓶狀結構，塔高103.5米，主塔每邊拉索8對ANSYS建模與模擬 采用空間桿系有限元法對橋梁進行離散，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，斜拉索面積和初應變采用設計單位提供的數據。全橋共劃分節(jié)點1906個，單元1623 個，本例采用SIMPACK與ANSYS相結合的聯合仿真方法，計算德國ICE3 列車作用下該大跨度斜拉橋的車橋動力響應。列車編組為: 2 ( 動車+ 拖車+ 動車+ 動車+ 動車+動車+ 拖車+ 動車) ，共16 節(jié)計算整理的列車的動力響應響應最大值

6、響應最大值運行速度運行速度/(kmh-1)250270290300動車動車橫向加速度/(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0.1460.1700.1960.211橫向Sperling舒適指標2.1012.1092.1222.128豎向Sperling舒適指標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0.1330.1500.1730.184橫向Sperling舒適指標2.1452.1202.0982.088豎向Sperling舒適指標2.1212.1532.1952.224響應最大值響應最大值運行速度運行速度/(kmh-1)250270290300動動位位移移/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振振動動加加速速度度/ 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橋梁在列車下的動力反應數據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，原因為高速列車對橋梁的沖擊增大,分別以250，270， 290和300 km/h的運行速度通過該橋梁時，沖擊系數分別為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行速度列車運行速度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行速度列車運行速度對于車橋系統來說，其荷載是運動的列車，當列車運行速度改變時，加載頻率也會發(fā)生變化。列車運行速度達到某一特定值時，加載頻率將接近橋梁結構的自振頻率，從而引起共振。00.050.10.150.20.250.30.350.40.45240260280300320跨中豎向振動加速度跨中橫向振動加速度隨列車運行速度提高，車輛的安全性指標脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力均呈單調增大的趨勢00.050.10.150.20.250.3240260280300320動車輪重減載率拖車輪重減載率00.050.10.150.20.25240260280300320動車脫

11、軌系數拖車脫軌系數隨列車運行速度提高,動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動車橫向加速度/(ms-2)動車豎向加速度/(ms-2)拖車橫向加速度/(ms-2)拖車豎向加速度/(ms-2)動車的舒適性指標、拖車的豎向舒適度指標均隨列車運行速度的提高而增大，而拖車的橫向加速度有一定波動，橫向舒適度指標則出現了隨列車運行速度的提高反而減小的現象。2.1012.1092.1222.1282.1792.2242.3122.312.1452.122.0982.0882.121

12、2.1532.1952.224240250260270280290300310動車橫向Sperling舒適指標動車豎向Sperling舒適指標拖車橫向Sperling舒適指標拖車豎向Sperling舒適指標拖車橫向舒適性指標降低說明對于高速列車，當運行速度提高到一定程度時，其舒適性可能出現不單調遞增的情況，這與高速車輛的懸掛參數和軌道不平順的頻率有關。列車運行速度越高，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動車橫向Sperling舒適指標動車豎向Sperling舒適指標拖車橫向Sperling舒適指標拖車豎向Sperling舒適指標84m+84m兩跨連續(xù)鋼桁架橋梁，雙向四車道，鐵路標準車輛加載，模型如圖2所示。共有節(jié)點577個，單元1190個，釋放桁架節(jié)點約束，考慮自重和橫向分布系數。分析結構豎向位移和內力。豎向位移圖內力分布圖單元單元軸向軸向(tonf)單元單