极端温度下高速铁路钢管混凝土拱桥行车安全.pdf

文章编号-0050.-07NO.3(Ser.294)JOURNALOF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY第3期（总2 94）Mar2023程报学道铁2023年3月极端温度下高速铁路钢管混凝土拱桥行车安全勾红叶1*苏震乾王君明2袁蔚37陈泽宇4（1.西南交通大学，成都6 1 0 0 31；2.四川交大工程检测咨询有限公司，成都6 1 0 0 31；3.中铁二院工程集团有限责任公司，成都6 1 0 0 31；4.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430 0 6 3）摘要：研究目的：为研究温度荷载作用下桥梁结构产生的变形对桥上行车安全性的影响，以成贵高铁某钢管混凝土拱桥为研究对象，基于ANSYS建立大跨桥梁轨道精细化有限元模型，分析不同温度荷载作用下结构变形规律。在此基础上，将桥梁轨道结构有限元模型导人SIMPACK中进行联合仿真，构建列车-轨道桥梁耦合振动分析模型，最后从列车运营安全性与舒适性方面讨论不同温度荷载作用和不同车速下列车动力响应指标的变化规律研究结论：（1）桥梁上挠温致变形引起的轨道附加不平顺比下挠更不利；（2）组合温度作用下，行车安全性指标仅轮重减载率出现超限，建议将其作为高速铁路桥上行车安全的主要评价指标；（3）温度梯度是导致轮重减载率出现超限的重要原因，实际工程中分析温度作用对列车行车安全的影响时，应考虑温度梯度的作用；（4）垂向Sperling指标对温度作用十分敏感，为保障行车舒适性，列车在极端温度条件下行驶时应控制车速；（5）本研究成果可为钢管混凝土拱桥的行车安全性评价提供参考。关键词：钢管混凝土拱桥；温致变形；轨道不平顺；列车轨道桥梁系统；行车安全中图分类号：U213.2文献标识码：ARunning Safety of High-speed Railway Concrete-filled Steel Tube ArchBridge under Extreme TemperatureGOU Hongye,SU Zhenqian,WANG Junming,YUAN Wei?,CHEN Zeyu*(1.Southwest Jiaotong University,Chengdu,Sichuan 610031,China;2.Sichuan Jiaotong University EngineeringTesting Consulting Co.Ltd,Chengdu,Sichuan 610031,China;3.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd,Chengdu,Sichuan 610031,China;4.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd,Wuhan,Hubei430063,China)Abstract:Research purposes:In order to study the influence of the deformation of bridge structure under temperatureload on the running safety on the bridge,taking a concrete-flled steel tube arch bridge of Chengzhou-Guizhou high-speed railway as the research object,a refined finite element model of long-span bridge-track is established based onANSYS,and the deformation law of structure under the action of different temperature load is analyzed.On this basis,the finite element model of bridge-track structure is imported into SIMPACK for co-simulation,and the train-track-bridge coupling vibration analysis model is established.Finally,the variation rules of dynamic response indexes underdifferent temperature loads and different speed are discussed from the aspects of train operation safety and comfort.*收稿日期：2 0 2 1-1 0-2 9基金项目：国家自然科学基金项目（52 1 7 2 37 4）；四川省杰出青年科技人才项目（2 2 JCQN0124）；高速铁路轨道技术国家重点实验室开放基金（2 0 2 1 Y J0 58）；京沪高速铁路有限公司科技研究项目重点课题（2 0 2 0 1 3）*作者简介：勾红叶，1 98 3年出生，女，教授，博士生导师。勾红叶王君明等：极端温度下高速铁路钢管混凝土拱桥行车安全苏震乾第3 期51Research conclusions:(1)The additional track irregularity caused by the upward deformation of the bridge is moreunfavorable than the downward.(2)Under the effect of combined temperature,only wheel load reduction rate exceedsthe limit of driving safety index,which is suggested to be taken as the main evaluation standard of running safety for high-speed railway.(3)Temperature gradient is an important reason for wheel load reduction rate exceeding the limit,andthe effect of temperature gradient should be considered when analyzing the effect of temperature on train running safety inpractical engineering.(4)The vertical Sperling index is very sensitive to the effect of temperature,and in order toensure driving comfort,the speed of the train should be controlled when running under extreme temperature conditions.(5)The research results can provide reference for the driving safety evaluation of concrete-filled steel tube archbridge.Key words:concrete-filled steel tube arch bridge;temperature deformation;track irregularity;train-track-bridgesystem;running safety1研究背景随着“一带一路”和高速铁路“走出去”等国家战略的实施，我国中西部高速铁路建设发展迅速，预计2025年全国铁路运营里程将达到1 7 万公里左右，其中高铁5万公里，桥梁平均占比高达6 0%。钢管混凝土拱桥充分发挥了钢材与混凝土材料的优势性能，核心混凝土三向受压，抗压性能好，被广泛应用于地势复杂的艰险西部山区。高海拔、高寒、高原等复杂环境中的高速铁路桥梁，在极端日温差条件下极易产生温致附加变形,往往会超过活载引起的结构变形2 ,且上下往复、时空多变，将对轨道平顺性和铁路安全运营造成较大影响。已有研究表明，温度作用下拱桥产生较大竖向变形，导致轨道静态平顺性指标超过30 0 m弦长验收标准3,不满足行车安全舒适性要求。翟婉明院士4撰文指出：“桥梁温致变形对轨道平顺性和行车安全性的影响是今后重要课题之一，在研究车辆轨道桥梁耦合系统动力性能时，温度作用的影响必须考虑。”在拱桥温致变形对行车安全的影响方面，翟建平等5 基于某高速铁路大跨拱桥轨道实测高程数据，得出温度作用下梁体的竖向变形对桥面竖曲线影响较小。Zhao等6 验证了某钢桁架拱桥主梁挠度的温度敏感性，并通过车桥耦合动力模型分析了主梁温致变形对列车活载挠度的影响，确定了温度与列车耦合作用下主梁挠度报警阈值。在钢管混凝土拱桥行车安全方面，韩艳等7 基于ANSYS分析了某钢管混凝土拱桥在两轴车辆作用下的车桥耦合振动响应，发现行车速度会对桥梁冲击系数产生影响。韩兴等【8 结合ANSYS和SIMPACK对某大跨钢管混凝土拱桥进行车一桥耦合振动仿真分析，验证了桥上行车安全性。然而，针对极端温度作用下的高速铁路大跨钢管混凝土拱桥温致变形引起的轨道附加不平顺与桥上行车安全问题的研究还比较少，巫待完善。本文以成贵高铁某钢管混凝土拱桥为背景，利用ANSYS和SIMPACK联合仿真建立高速铁路列车轨道桥梁系统耦合模型，研究大跨度钢管混凝土拱桥温致变形对列车过桥时脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力、车体振动加速度、Sperling指标等车辆动力学指标影响规律，对于极端温度条件下高速铁路桥上行车安全评价和安全运维具有重要意义。2基于SIMPACK和ANSYS联合仿真的车一轨一桥耦合振动模型2.1工程概况成贵高铁某钢管混凝土拱桥设计时速为2 50 km，主桥结构为主跨2 40 m的上承式钢管混凝土提篮拱，桥面全长2 54m，主梁采用分离的单箱双室钢箱梁，拱圈上下弦分别由两肢钢管和钢板构成哑铃形等截面，桥上铺设有作轨道。其桥址处于典型的亚热带季风气候中，呈现出明显的低纬度、高海拔、高原山区气候特征，桥梁总体布置如图1 所示，2.2桥梁一轨道有限元模型基于ANSYS建立了某钢管混凝土拱桥的空间仿真计算模型。采用Solid实体单元和Shell壳体单元分别建立混凝土主梁与钢箱。采用Beam梁单元建立桥墩的立柱、横撑、斜撑、盖梁和轨道结构。拱肋采用Beam梁单元模拟，建模时采用双单元法，将钢材与混凝土模拟为两种物理特性不同的构件，考虑两者共节点，利用Plane平面单元对组合截面进行划分，分别定义钢材和混凝土的材料属性。桥梁和轨道各构件参数如表1 所示。2023年3月程报学道铁52421.15421.154 21.15截面形式：哑铃式5240图1某钢管混凝土拱桥总体布置图（单位：m）表1桥梁与轨道构件参数弹性模量线膨胀系数构件参数泊松比/MPa/(1/)桥梁构件主梁混凝土3.45e41.0e-50.2主梁钢材2.06e51.2e-50.3桥墩混凝土3.25e41.2e-50.3拱肋钢材2.06e51.2e-50.3拱肋混凝土3.45e41.0e-50.2桥墩横梁及3.25e41.2e-50.3斜撑混凝土拱肋钢弦管2.06e51.2e-50.3轨道构件钢轨2.06e51.2e-50.3道床1.20e21.0e-60.25枕木3.60e41.0e-60.22.3列车一轨道一桥梁耦合振动模型利用SIMPACK建立了CRH2型列车模型，将AN-SYS中建立的桥梁轨道有限元模型通过SIMPACK中FEMBS接口实现连接，再采用弹性体法与列车模型进行耦合。轮轨接触关系定义依据Hertz弹性接触理论及Kalker蠕滑理论。对所建立的列车轨道桥梁耦合振动分析模型进行名义力（Preload)计算，模型初始最大残余加速度为4.56 1 0-7 m/s，小于0.0 1 m/s，模型初始平衡。同时，将ANSYS与SIMPACK的模态分析结果做对比，两者前1 0 阶模态频率误差率小于0.1%，证明模型导人正确。列车-轨道桥梁耦合振动模型如图2所示。图2列车一轨道一桥梁耦合振动分析模型3高速铁路桥上行车安全性3.1温度荷载计算工况的确定某钢管混凝土拱桥桥址处某月平均气温1 5，当地极端最高气温39.4，极端最低气温-1 4.2。本节设置2 个组合工况对桥上行车舒适性与安全性进行研究，车速为2 50 km/h。模型基准温度取1 5，在施加主梁横向及竖向温度梯度与拱肋温度梯度的基础上，工况1 通过整体升温2 5，模拟40 极端高温，工况2 通过整体降温35模拟-2 0 极端低温，为确保研究的针对性，未计人混凝土收缩徐变等其他环境因素的影响。具体工况设置如表2 所示。同时，以200km/h、2 50 k m/h、30 0 k m/h、350 k m/h 的车速在组合工况下运营，研究不同车速下温度作用对动力响应的影响。主梁和拱肋温度梯度幅值分别参考铁路桥涵混凝土设计规范（TB100922017）和公路钢管混凝土拱桥设计规范（JTGD65-062015），荷载作用图示如图3所示。表2温度荷载组合工况设置工况温度设置整体升温2 5+梁竖向温度梯度+梁横向工况1温度梯度+拱肋温度梯度整体降温35+梁竖向温度梯度+梁横向工况2温度梯度+拱肋温度梯度注：表中梯度温度的设置参考图3。3.2温度作用下桥梁一轨道结构附加变形温度作用会引起梁体的横向与竖向变形，但由于箱梁结构横向抗弯刚度较大，在温度组合工况下，梁体竖向变形将远大于横向变形1 ，导致轨道出现附加不平顺。各温度工况下桥梁轨道结构的竖向变形曲线如图4所示。由图4可知，结构最大竖向变形出现在跨中，工况1（整体升温2 5+温度梯度）下梁体竖向挠度最大，跨中上拱达到1 0 0 mm，工况2（整体降温30+温度梯度）下跨中下挠达95mm。勾红叶王君明等：极端温度下高速铁路钢管混凝土拱桥行车安全苏震乾第3期53T,=8T,=0(a）拱肋温度梯度T,=20e-5yboXTT,=Tax e-ax=16e-7x(b）主梁温度梯度图3温度梯度荷载作用示意图150注：一一工况1;一工况2100500-50-100-150050100150200250顺桥向坐标/m图4桥梁一轨道结构竖向变形曲线3.3行车安全性评价本节将温度作用下轨道产生的附加不平顺与轨道随机不平顺进行叠加，得到温度作用下列车的动力响应。行车安全性评价考虑脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力三个指标。3.3.1脱轨系数列车车轮横向力过大时，列车会面临脱轨的风险，脱轨系数反映了横向力和垂向力的关系。图5展示了脱轨系数随车速的变化规律。对列车脱轨系数进行时程分析，根据时程分析结果，两工况下脱轨系数均满足限值要求，但工况1 下最大脱轨系数达到0.0 7 2，远大于工况2 下的最大值0.017,脱轨系数越大，列车越容易脱轨，故认为在温度限值0.80.20注：一工况1；一工况20.150.100.050200250300350车速/(kmh-l)(a)右轮限值0.80.20注：工况1；一工况20.150.100.050200250300350车速/(kmh-l)(b)左轮图5各工况下不同车速列车脱轨系数最大值梯度作用下，整体升温比降温更容易导致列车发生脱轨。由图5可知，工况2 下车速对于列车脱轨系数的影响较小，但工况1 下脱轨系数随着车速增加而增大，且数值远大于工况2。根据3.2 节中工况1 下梁体上拱为1 0 0 mm，工况2 下梁体下挠为95mm，数值接近，可知桥梁上挠温致变形引起的轨道附加不平顺更不利。3.3.2轮重减载率轮重减载率反映了列车行驶过程中轮重的减少。图6 展示了轮重减载率随车速的变化规律。对列车轮重减载率进行时程分析，根据结果可知，工况1 和工况2 下轮重减载率最大值分别为0.6 2 和0.66，超过了规范限值。由于温度梯度作用下桥面产生翘曲，导致列车行驶过程中振动加剧，轮重减载率在温度梯度和整体温度作用下发生超限由图6 可知，轮重减载率最大值与车速呈正相关。当车速超过2 50 km/h时，两种工况下轮重减载率均不满足规范要求，而当车速增加至350 km/h时，轮重减载率接近于1，即轮对为脱空状态，工况2 下即使车速2023年3月程报学道铁541.00.80.6注：一工况1；0.4一工况2;0.2一一限值0200250300350车速/(kmh-1)(a)右轮1.00.80.6注：一工况1；0.4一工况2；0.2一一限值0200250300350车速/(kmh-)(b)左轮图6各工况不同车速下列车轮重减载率最大值下降到2 0 0 km/h，右轮仍不能满足规范要求。由此可知,列车轮重减载率对温度作用较为敏感，在极端温度条件下，过于追求速度的提升，会严重威胁行车安全。3.3.3轮对横向力轮对横向力反映了车轮对钢轨的挤压作用，引起轨道不平顺。图7 为不同行车速度下列车轮对横向力最大值。对组合工况下的列车轮对横向力进行时程分析，结果表明，工况1 下轮对横向力最大值大于工况2 下，说明在梯度温度作用下，整体升温引起的列车横向振动比整体降温更加剧烈由图7 可知，车速对工况1 下的轮对横向力影响较大，远大于工况2，原因是整体升温下梁体上拱，从而引起列车轮对倾斜，导致轮对横向力增大。故整体升温对轮对横向力有不利影响。3.4行车舒适性评价轨道不平顺会造成行车过程中的颠簸，引起乘客的不安，影响桥上行车舒适性。本节从车体振动加速度和Sperling指标两个方面进行舒适性评价。3.4.1车体振动加速度车体振动加速度反映了列车振动的幅值。图8 展限值41.3kN6.0注：一工况1；一工况25.04.03.02.01.00200250300350车速/(kmh-)(a)右轮限值41.3kN6.0注：一工况1；一工况25.04.03.02.01.00200250300350车速/(kmh-l)(b)左轮图7不同行车速度下列车轮对横向力最大值示了两种工况下车体振动加速度随车速的变化规律。对组合工况下列车振动加速度进行时程分析可知，工况1 和工况2 下，最大垂向振动加速度分别为0.62m/s和-0.7 6 m/s，最大横向振动加速度分别为0.0 1 1 m/s和0.0 6 7 m/s,均小于限值。故在极端温度条件下，列车振动加速度能较好地满足舒适性要求，整体评定等级均为优秀由图8 可知，列车在以350 km/h运营时，车体的垂向和横向加速度均能满足规范限值，但在工况1 下，当车速超过30 0 km/h，横向振动加速度出现突增，会造成旅客乘坐舒适感减小。3.4.2Sperling 指标本文采用Sperling指标评价列车行驶的平稳性，按中国机车车辆平稳性评定等级，当Sperling指标不超过2.5时为优秀。由于当列车以设计时速在工况1和工况2 下行驶时Sperling指标评定的舒适度等级不满足优秀，因此为研究温度变化对Sperling指标的影响规律，本节只展示整体温度作用下Sperling指标的变化，如图9所示。勾红叶王君明等：极端温度下高速铁路钢管混凝土拱桥行车安全苏震乾第3期55限值1.3m/s2注：一工况1；一工况21.00.80.60.40.20200250300350车速/(kmh-l)（a）垂向振动加速度限值1.0 m/s2注：一工况1；一工况20.300.250.200.150.100.050200250300350车速/(kmh-l)（b）横向振动加速度图8不同行车速度列车车体振动加速度最大值由图9可知，Sperling指标会随着整体温度变化数值的增大而增大，垂向Sperling指标大于横向。故垂向Sperling指标的变化最为敏感，在整体温差为5、15 2 5、35时，舒适度等级从优秀降为良好再降为合格。不同车速下Sperling指标变化如图1 0 所示。由图1 0 可知,Sperling指标与车速呈正相关。横向Sperling指标在各工况下始终满足限值要求；车速2 0 0 km/h时，舒适度等级可达良好，设计时速下垂向Sperling指标评定的舒适度等级仅为合格。因此，在极端温度条件下，控制列车车速是保障行车舒适性的关键措施之一。4结论本文以成贵高铁某钢管混凝土拱桥为研究对象，分析了不同温度荷载作用下桥梁一轨道结构的变形规律，探究了温致变形对桥上行车安全性和舒适性的影响，研究结果表明：3.53.02.52.01.51.0注：垂向；水平0.500510152025303540温降量/(a)整体降温3.53.02.52.01.51.0注：+一垂向；水平一0.500510152025303540温升量/(b)整体升温图9整体温度作用下Sperling指标变化（1）温度作用引起的桥梁一轨道附加变形主要以竖向变形为主。拱桥结构的最大竖向变形出现在跨中，整体升温与温度梯度组合下梁体竖向挠度较大。（2）两种极端温度工况下列车脱轨系数、轮对横向力均满足限值要求。但整体升温与温度梯度组合工况下脱轨系数数值明显大于另一工况，而两个工况下梁体的竖向变形数值接近，可知桥梁上挠温致变形引起的轨道附加不平顺更不利。由于整体升温会引起梁体上拱，导致列车轮对倾斜，从而对轮对横向力产生不利影响。温度梯度作用引起桥面翘曲，导致列车行驶过程中振动加剧，引起轮重减载率超限，因此实际工程中分析温度作用对列车行车安全的影响时，应考虑温度梯度的作用。（3）两种极端温度工况下列车振动加速度满足规范限值，但在整体升温与温度梯度组合工况下，列车横向振动加速度会出现突增，对行车舒适性有不利影响。列车横向Sperling指标受温度作用影响较小；垂向Sperling指标对温度作用十分敏感，当整体温差超过5，舒适度等级开始从优秀逐渐下降。两种极端温度工况下列车在设计时速下行驶，垂向Sperling指标评定的舒适度等级仅为合格。因此，在极端温度条件下行驶时应严格控制列车车速。2023年3月报程学道铁563.53.02.5注：一工况1；一工况22.01.5200250300350车速/(kmh-1)(a）垂向2.01.81.51.3注：一工况1；一工况21.0200250300350车速/(kmh-l)(b)横向图1 0不同车速下Sperling指标变化参考文献：1勾红叶，杨睿温度梯度作用下高速铁路桥上行车安全性研究J铁道工程学报，2 0 2 0（3）：47-52.Gou Hongye,Yang Rui.Research on the RunningSafety of High-speed Railway on Bridges under theAction of Temperature Gradients J.Journal ofRailway Engineering Society,2020(3):47-52.2张涛，李东兴大跨度钢箱系杆拱桥温差变形的规律与控制技术研究J公路工程，2 0 1 7（1）：6 6-7 0.Zhang Tao,Li Dongxing.Study on the Law andControl Technology of Large Span Steel Box Tied ArchBridge Temperature Deformation J.Highway Engineering,2017(1):66 70.3朱志辉，刘杰，周智辉，等考虑温度变形的大跨度拱桥行车动力响应分析J铁道工程学报，2 0 1 9（3）：2 6-31.Zhu Zhihui,Liu Jie,Zhou Zhihui,etc.DrivingDynamic Response Analysis of Long-span Arch BridgeConsidering Temperature Deformation J.Journal ofRailway Engineering Society,2019(3):26-31.4Zhai Wanming,Han Zhaoling,Chen Zhaowei,etc.Train-track-bridge Dynamic Interaction:a State-of-the-art ReviewJ.Vehicle System Dynamics,2019(7):9841027.5翟建平，徐升桥，任为东高速铁路大跨度桥梁温度作用下轨道静态平顺性能分析J铁道标准设计，2 0 1 6(11):30 33.Zhai Jianping,Xu Shengqiao,Ren Weidong.StaticIrregularity Analysis of High-speed Railway Long-span Bridge Track under Temperature Load J.Railway Standard Design,2016(11):30-33.6Zhao Hanwei,Ding Youliang,Nagarajaiah Satish,etc.Behavior Analysis and Early Warning of GirderDeflections of a Steel-truss Arch Railway Bridge underthe Effects of Temperature and Trains:Case StudyJ.Journal of Bridge Engineering，2 0 1 9（1):05018013.7韩艳，李浩，薛繁荣基于车桥耦合的钢管混凝土拱桥车桥冲击系数研究J铁道科学与工程学报,2 0 1 6（3）：493 499.Han Yan,Li Hao,Xue Fanrong.Research on theImpact Coefficient of the Concrete Filled Steel TubeArch Bridge Based on the Vehicle-bridge CoupledVibration J.Jo u r n a l o f R a ilw a y Sc ie n c e a n dEngineering,2016(3):493-499.8韩兴，蔡子龙，李鑫，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J铁道标准设计,2 0 1 6(4)：36-39.Han Xing,Cai Zilong,Li Xin,etc.Coupled VibrationAnalysis of Vehicle-bridge System for Long-spanConcrete Filled Steel Tube Arch Bridge on High SpeedRailway J.Railway Standard Design,2016(4):36-39.