高速铁路大跨度钢管混凝土拱桥车桥耦合振动仿真分析.pdf

收稿日期:20150914; 修回日期:20150923 作者简介:韩摇 兴(1985),男,博士研究生,研究方向为桥梁动力行为 分析,E鄄mail:hanxing1122163. com。 通信作者:蔡子龙(1991),男,硕士研究生,研究方向为桥梁结构动力 行为分析,E鄄mail:648216152 qq. com。 第 60 卷摇 第 4 期 2016 年 4 月 铁 道 标 准 设 计 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN Vol. 60摇 No. 4 Apr. 2016 文章编号:10042954(2016)04003604 高速铁路大跨度钢管混凝土拱桥车桥耦合振动仿真分析 韩摇 兴, 蔡子龙, 李摇 鑫, 祝摇 兵 (西南交通大学土木工程学院,成都摇 610031) 摘摇 要:以鸭池河桥为工程背景,建立车-桥系统耦合振动分析的数值仿真模型。 利用大型通用有限元软件 ANSYS 建立桥梁的动力分析模型,并计算其空自振特性。 通过多体动力学软件 SIMPACK 对于 CRH3 动车组模型进行高 精度仿真,结合 SIMPACK 软件和 ANSYS 软件,建立车桥耦合振动仿真系统,输入轨道不平顺和轮轨关系进行车桥 耦合振动计算。 车桥耦合振动分析结果表明:桥梁具有足够的刚度,振动状态良好;车辆运行安全性可以得到保 障,舒适性指标为“优良冶。 该桥的车桥耦合振动计算结果为今后类似桥梁设计提供了借鉴,同时也验证了联合仿 真的可行性和便利性。 关键词:大跨度钢管混凝土拱桥; 车桥耦合振动; 多体系统动力学; 有限元法 中图分类号:U448郾 38摇 摇 文献标识码:A摇 摇 DOI:10. 13238/ j. issn. 1004-2954. 2016. 04. 009 Coupled Vibration Analysis of Vehicle鄄Bridge System for Long鄄Span Concrete Filled Steel Tube Arch Bridge on High Speed Railway HAN Xing1, CAI Zi鄄long, LI Xin, ZHU Bing (School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China) Abstract: The numerical simulation model to analyze the coupled vibration between vehicle and bridge is established on the engineering background of Yachi River Bridge. The finite element commercial software ANSYS is employed to set up the dynamic analysis model and to compute its natural vibration characteristics. Specific CRH3 model is simulated with multi鄄body dynamics software SIMPACK. With ANSYS and SIMPACK software, the vehicle bridge coupled vibration simulation system is created and the vehicle bridge coupled vibration is calculated with the input of track鄄rail irregularity and wheel鄄rail relation. The analysis results show that the bridge has sufficient stiffness and satisfactory vibration performance, and the train operation safety is guaranteed with stimulated riding comfort.All the calculation results not only provide references for future design of similar bridges but also verify the feasibility and convenience of joint simulation. Key words: Long鄄span concrete filled steel tube arch bridge; Coupled vibration; Multi鄄body system dynamics; Finite element method 摇 摇 近年来我国铁路事业飞速发展,由于设计分析能 力和施工技术水平的提高,桥梁跨径、列车行驶速度都 大幅提高。 其中具有代表性的课题之一是研究移动车 辆荷载通过桥梁时的车桥系统的振动响应。 在客运专 线桥梁中,大跨度钢管混凝土拱桥是一种常见桥型,该 类型桥梁的车桥耦合振动研究有着很强的实际意义。 论文所依托的工程背景是位于贵州省的鸭池河大桥, 该桥为中承式铁路拱桥。 国内目前对于大跨度高速铁路拱桥的车桥耦合振动 的研究较少,单德山1对于铁路提篮拱桥车桥耦合振动 进行仿真分析时发现列车速度对提篮拱桥横向振幅有着 较大的影响。 张敏2也通过对大跨度铁路拱桥南京大胜 关长江大桥进行过车桥耦合振动分析,探讨了该桥在不 同列车车型通过时候的桥梁和车辆的动力响应。 为了进 一步总结这种桥型的车桥耦合振动的规律和结果,有必 要以本典型钢管混凝土拱桥为研究对象进一步探索。 为了探寻所选中承式铁路拱桥在列车不同车速下 通过时的车桥耦合振动特性,分别通过 ANSYS 与 SIMPACK 软件进行了桥梁与车辆的建模模拟,计算了 多种列车时速过桥的工况下该桥的动力响应,也证明 了 ANSYS 与 SIMPACK 联合车桥仿真的优越性。 1摇 桥梁动力分析模型及自振特性分析 鸭池河特大桥位于贵州省,主桥为中承式钢-混 凝土结合拱桥,主跨跨径 436郾 0 m,矢高 115 m,矢跨比 0郾 264。 拱肋采用钢-混凝土结合桁架拱结构,拱轴线 采用悬链线,拱内倾角 4郾 62毅形成提篮拱,引桥段高墩 区采用跨径为 61郾 75 m+61郾 75 m 的预应力混凝土 T 构,下部基础采用桩基础或扩大基础,全长 971 m。 该桥为双线铁路拱桥,使用过程中列车时速较高, 桥梁跨径较大,需要对该桥进行车桥耦合振动分析,以 确定其结构动力性能。 主桥总体布置如图 1 所示。 图 1摇 鸭池河桥跨径布置(单位:m) 摇 摇 摇通过有限元软件 ANSYS 按照传统的鱼骨刺的方 法对桥梁进行建模。 具体单元使用情况见表 1。 有限 元模型示意见图 2。 表 1摇 桥梁有限元模型单元使用情况 构件采用 ANSYS 单元 拱肋、主梁、桥墩、横梁BEAM 188 吊杆LINK 10 二期恒载MASS 21 图 2摇 鸭池河桥有限元模型示意 摇 通过有限元软件,采用 LANCZOS 方法计算桥梁模 态,选取了前 10 阶作为动力计算依据。 该桥模态计算 结果如表2 所示。 图3 给出了该桥典型模态的示意。 表 2摇 桥梁自振频率和模态 阶次自振频率/ Hz振型特点 10郾 258主梁对称横弯+拱肋对称横弯(拱梁同侧) 20郾 426拱肋主梁反对称竖弯 30郾 507主梁对称横弯+拱肋对称横弯(拱梁异侧) 40郾 591拱肋主梁反对称横弯 50郾 790拱肋主梁对称竖弯 60郾 797拱肋主梁反对称竖弯 70郾 950主梁对称横弯+拱肋对称横弯(拱梁同侧) 81郾 111拱肋主梁对称竖弯 91郾 158主梁反对称横弯+反对称横弯(拱梁异侧) 101郾 300主梁反对称竖弯+拱肋反对称横弯 图 3摇 鸭池河桥部分振型 摇 摇 摇通过计算结果可知,结构横弯的基态出现在第 1 阶,模态系主梁对称横弯,其频率为 0郾 258 Hz;主梁 竖弯基频模态出现在第2 阶,其频率为0郾 426 Hz,振型 为反对称竖弯。 2摇 多体动力学系统下的车辆动力模型 本文在计算的时候采用了多体动力学方法建立车 桥系统的空间动力模型。 多体动力学建立车辆模型的 优势在于可以对车桥进行精细化的仿真,并且可以避 免一般车桥计算中对于车桥进行重复编程的缺点。 本 文采用文献9中的车辆模型的主要结构和自由度, 73第 4 期韩摇 兴,蔡子龙,李摇 鑫,等高速铁路大跨度钢管混凝土拱桥车桥耦合振动仿真分析 通过 SIMPACK 软件建立了 CRH3 动车组的车辆动力 学模型。 图 4 表示的是将动车简化为通过弹簧阻尼系统相 联接的若干刚体,而图5 是基于 SIMPACK 软件所得到 的精确动车仿真模型。 经对比可知,利用 SIMPACK 软 件所得的模型精度更高,输出的模型较之简单的刚体 连接,其空间可视性更佳。 图 4摇 简化的车辆空间模型 图 5摇 动车三维空间精细化仿真模型 本文通过多体动力学软件 SIMPACK 建 立 了 CHR3 型动车组模型,模型如图 6 所示。 选取了高速 列车通过桥梁的几种典型的速度进行计算,采取了 300 420 km/ h 每 25 km/ h 一级共 6 种工况进行 计算。 图 6摇 CHR3 动车组空间模型 3摇 车桥耦合计算方法与结果分析 在 ANSYS 中建立起桥梁的有限元模型,形成桥梁 子系统;在 SIMPACK 中建立起车辆模型,形成车辆子 系统,两个系统通过在轮轨接触面上建立起平衡方程, 形成整体的车桥耦合计算系统。 鸭池河大桥车桥耦合 振动动力仿真局部放大图见图 7。 图 7摇 鸭池河大桥车桥耦合振动动力仿真局部放大图 本文在 CRH3 动车组列车作用下,选取了德国低 干扰谱作为轨道不平顺,在轮轨关系分析时把轮轨同 时均视为刚体,车辆各个自由度的相关参数由代数方 程来描述。 通过计算桥梁在 6 种速度工况下的动力响应,对 桥梁和车辆在 6 种工况下进行评定。 所计算的内容和 结果如表 3 所示。 420 km/ m 的工况下桥梁主跨跨中 位移和车体加速度时程曲线如图 8、图 9 所示。 表 3摇 鸭池河大桥车桥耦合振动响应计算结果 响应最大值 车速/ (km/ h) 300325350375400420 桥梁的动力响应 车辆动力响应 跨中竖向动位移/ mm9郾 95810郾 05210郾 2410郾 79011郾 14311郾 360 动力系数(1+滋)1郾 0311郾 0401郾 0601郾 1171郾 1531郾 178 主跨跨中横向动位移/ mm1郾 3271郾 0300郾 7880郾 7650郾 7350郾 712 竖向挠跨比43 78443 37442 57840 40839 12838 380 横向挠跨比328 561423 301553 299569 935593 197612 360 车体竖向加速度/ (ms-2)0郾 7600郾 7820郾 8220郾 8510郾 8990郾 934 车体横向加速度/ (ms-2)0郾 6150郾 5960郾 5890郾 6050郾 6030郾 588 竖向舒适度指标2郾 3532郾 3912郾 4272郾 4662郾 5052郾 538 横向舒适度指标2郾 4492郾 4182郾 3692郾 3242郾 2852郾 249 脱轨系数0郾 1450郾 1640郾 1880郾 2190郾 2400郾 253 轮重减载率0郾 1790郾 2160郾 2580郾 3010郾 3360郾 358 83铁 道 标 准 设 计第 60 卷 图 8摇 桥梁主跨跨中位移在车速 420 km/ h 下的时程曲线 摇 图 9摇 动车车体在车速 420 km/ h 下加速度时程曲线 摇 摇 摇 通过表 3 的计算结果可以看出:对于不同的工况, 桥梁的动力冲击系数和脱轨系数的变化趋势与列车速 度的变化趋势一致;随着工况列车时速的增长,相应的 动力冲击系数和脱轨系数也在增长。 6 种工况下,桥梁的动力系数最大值为 1郾 178,桥 梁最 大 的 竖 向 和 横 向 位 移 分 别 为 11郾 36 mm 和 1郾 327 mm,参考规范对于桥梁振幅的规定,可以发现 该桥的振动性能良好。 对于车辆,6 种工况下,车辆脱 轨系数最大值为 0郾 253,轮重减载率最大值为 0郾 358, 均满足规范的要求。 车辆的加速度与舒适度指标也都 满足规范要求,说明该桥的车辆通过性良好。 从图 8(a)中可以看出:桥梁跨中位移先出现上挠 再出现下降,原因是桥梁本身是连续梁的形式,车辆从 刚上桥到桥的跨中的过程中,桥梁短暂上挠,在车桥逐 步驶入之后桥梁进入了周期性变化。 图 8(b)中可以 发现:在轮轴的横向力和偏载的作用下,桥梁跨中的横 向位移发生了很大的变化。 综合分析可以得出:由于采用了钢管混凝土拱的 结构形式,该桥的刚度较大,在车桥耦合振动作用下桥 梁的竖向、横向位移及对应挠跨比均较小,满足工程使 用需要。 铁路钢管混凝土拱桥在设计时速区间内,车 桥耦合振动中动力响应表现良好,同时可以提供较为 平稳的行车环境。 4摇 仿真分析结论 通过 6 种工况下对鸭池河桥的车桥耦合振动分 析,得出以下结论。 (1)6 种工况下,桥梁的位移指标、加速度指标、冲 击系数等动力响应系数均满足要求,车辆的加速和相 应的动力指标也满足规范要求,说明桥梁的车桥耦合 动力性能良好。 相关文献1,2,10和本研究表明铁 路钢管混凝土拱桥在设计时速区间内,车桥耦合振动 中动力响应表现良好,同时可以提供较为平稳的行车 环境。 (2)采用多体动力学软件和有限元软件相互结合 的方法进行车桥耦合的仿真计算有着其独特的优点, 可以更准确、更直观地反映桥梁和车辆的动力特性,也 可以避免大量重复的编程建模工作,提高计算效率。 参考文献: 1摇 单德山,李乔. 铁路提篮拱桥车桥耦合振动分析J. 西南交通大 学学报,2005,40(1):5357. 2摇 张敏. 大跨度铁路钢桁拱桥车-桥耦合振动分析J. 桥梁建设, 2012,40(6):1419. 3摇 李小珍,强士中. 大跨度公铁两用斜拉桥车桥动力分析J. 振动 与冲击,2003,22(1):613. 4摇 崔圣爱,祝兵. 客运专线大跨连续梁桥车桥耦合振动仿真分析 J. 西南交通大学学报,2009,44(1):6671. 5摇 罗浩,郭向荣. 大跨度提篮拱桥车桥耦合振动分析J. 振动与冲 击,2008,27(2):147149,165. 6摇 缪炳荣,张卫华,肖守讷,等. 基于多体动力学和有限元法的车体 结构疲劳寿命仿真J. 铁道学报,2007,29(4):3842,6671. 7摇 缪炳荣,肖守讷,金鼎昌. 应用 Simpack 对复杂机车多体系统建模 与分析方法研究J. 机械科学与技术,2006,25(7):813816. 8摇 Fryba L, Dynamic interaction of vehicle with tracks and roadsJ. 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