竖弯涡振作用下桥上列车行车安全舒适性研究.pdf

桥梁建设2023年第53卷第S1期(总第283期)Bridg e Co nst ruc t io n,Vo l.53,No.SI,2023(To t al l y No.283)38文章编号：1003-4722(2023)Sl-0038-08 DOI：10.20051/j.issn.1003-4722.2023.SI.006竖弯涡振作用下桥上列车行车安全舒适性研究王维民1,陈楚龙1,刘 叶2,何旭辉3(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056；2.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙410114；3.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)摘要：为研究高速铁路桥梁竖弯涡振对桥上列车行车安全舒适性的影响，以某大跨公铁 两用斜拉桥和CRH2型动车组为背景，进行风-车-轨-桥耦合系统振动分析。基于ANSYS与 SIMPACK联合仿真平台，引入桥梁涡激力数值模型，建立风-车-轨-桥耦合系统振动模型，对比 10 m/s平均风速下主梁发生与未发生竖弯涡振时桥梁和列车的动力响应，并分析不同列车速度的 影响。结果表明：竖弯涡振会加剧桥梁和列车的竖向响应，而列车的存在会使发生竖弯涡振时的桥 梁竖向位移和加速度分别降低31.8%和42.4%,对主梁竖弯涡振具有一定的抑制作用；主梁发生 竖弯涡振时列车行车安全性指标峰值和竖向舒适性指标(竖向加速度和竖向Sp erl ing指标)峰值明 显大于未发生竖弯涡振时，并均随着车速餉增大而增大；当车速超过230 km/h时，列车轮重减载 率超过安全限值0.6,当车速超过200 km/h时，桥上列车竖向加速度超过安全限值1.3 m/s2.关键词：公路铁路两用桥；竖弯涡激振动;CRH2列车；风-车-轨-桥耦合系统；动力响应；行车安 全性；行车舒适性；有限元法中图分类号：U44&121；U441.3 文献标志码：AResearch on Train Traveling Safety and Comfort on Bridge Under Vertical Vortex-Induced VibrationsWANG Wei-min1,CHEN Chu-long1,LIU Ye2,HE Xu-hui3(1.CCCC Sec o nd Hig h way Survey and Desig n Inst it ut e Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina；2.Sc h o o l o f Civil Eng ineering,Ch ang sh a Universit y o f Sc ienc e-Tec h no l o g y,Ch ang sh a 410114,Ch ina；3.Sc h o o l o f Civil Eng ineering,Cent ral So ut h Universit y,Ch ang sh a 410075,Ch ina)Abstract:Based o n a l o ng-sp an rail-c um-ro ad c abl e-st ay ed bridg e and CRH2 EMU,t h e t rain t ravel ing safet y and c o mfo rt o n h ig h-sp eed rail way bridg e under t h e ac t io n o f vert ic al vo rt ex-induc ed vibrat io ns is st udied.Wit h an ANSYS-SIMPACK j o int simul at io n p l at fo rm,t h e numeric al mo del o f vo rt ex-induc ed fo rc es o n bridg e was buil t up and t h e wind-veh ic l e-t rac k-bridg e c o up l ing vibrat io n mo del was est abl ish ed,t o c o mp are t h e dy namic resp o nses o f bridg e and t rain wh en vert ic al vo rt ex-induc ed vibrat io ns o c c urred and did no t o c c ur o n bridg e at an averag e wind sp eed o f 10 m/s.And t h e t rain t ravel ing sp eeds were anal y zed.It is sh o wn t h at vert ic al vo rt ex-induc ed vibrat io ns c an int ensify t h e vert ic al resp o nses o f bridg e and t rain,wh il e t h e ex ist enc e o f t rain wo ul d c ause t h e vert ic al disp l ac ement and ac c el erat io n o f t h e bridg e t o reduc e by 31.8%and 42.4%,resp ec t ivel y,wh en t h ere are vert ic al vo rt ex-induc ed vibrat io ns o n bridg e,wh ic h c an,t o a c ert ain ex t ent,sup p resses t h e vert ic al vo rt ex-induc ed vibrat io ns.Wh en t h e main g irder is收稿日期收稿日期=2022-08-01基金项目：湖南省研究生科研创新项目(QL20210181)Graduat e Researc h and Inno vat io n Pro j ec t o f Hunan Pro vinc e(QL20210181)作者简介:王维民，高级工程师,E-mail:66494440q q.c o mo研究方向：大跨度与复杂特殊结构桥梁工程。通信作者:刘 叶,博士生,E-mail:c sust _l iuy e 163.c o mo研究方向：风-车-桥耦合振动。竖弯涡振作用下桥上列车行车安全舒适性研究 王维民，陈楚龙，刘叶,何旭辉39subj ec t ed t o vert ic al vo rt ex vibrat io n,t h e p eak val ues o f t h e t rain t ravel ing safet y and vert ic al c o mfo rt index(vert ic al ac c el erat io n and vert ic al Sp erl ing index)are o bvio usl y g reat er t h an t h e sc enario wh ere t h ere are no vert ic al vo rt ex-induc ed vibrat io ns o bserved,and t h e fast er t h e t rain,t h e g reat er t h ese p eak val ues.Wh en t h e t rain sp eed ex c eeds 230 km/h,t h e wh eel l o ad reduc t io n rat e surp asses t h e safet y l imit val ue o f 0.6.Wh en t h e t rain t ravel ing sp eed is o ver 200 km/h,t h e vert ic al ac c el erat io n o f t rain o n t h e bridg e is abo ve t h e safet y l imit val ue o 1.3 m/s2.Key words:rail-c um-ro ad bridg e；vert ic al vo rt ex-induc ed vibrat io n；CRH2 EMU；windveh ic l e-t rac k-bridg e c o up l ing sy st em；dy namic resp o nse;t rain t ravel ing safet y;t rain t ravel ing c o mfo rt；finit e el ement met h o d1引言随着桥梁跨径的不断增大,桥梁结构设计逐步趋 于轻柔化和低阻尼，导致桥梁结构刚度降低,对风愈 发敏感切。桥梁风致动力问题已成为大跨桥梁设计 和建造的关键控制因素之一炉旳。涡激振动是一种结 构在低风速下易出现的风致振动现象,为流体流经结 构表面产生周期性旋涡脱落导致的大幅度振动曲 目前普遍认为涡振为简谐或接近简谐的限幅振动，虽 不像颤振一样会在短时间内导致整体结构毁灭性破 坏，但大幅涡振会影响行车安全性和舒适性，加快构 件的疲劳破坏，极端情况下可能导致结构主要受力构 件损伤乃至断裂至今国内外数十座桥梁出现过 大幅涡振，较早有日本东京湾大桥(Tbky o Bay Cro ssing Bridg e)8、巴西里约尼泰罗伊桥(Rio-Nit ero i Bridg e)、丹麦大贝尔特桥(Great Bel t Bridg e)1,近 期有俄罗斯伏尔加河大桥(Vo l g a River Bridg e).美国 韦拉札诺大桥(Verrazano Bridg e)，我国也有一些大跨 度桥梁发生过大幅涡振现象。由于涡振发生风速(1020 m/s)是自然界中的常遇风速,涡振发生频率 高,大跨桥梁涡振问题必须引起工程设计与科研人员 的足够重视。国内外相关学者通过风洞试验和数值模拟方法 对桥梁涡振问题开展了大量的研究工作。葛耀君 等系统地梳理了国内外大跨度桥梁主梁涡振问 题的最新研究进展，促进了桥梁涡振理论与应用研 究的发展。Yang等边通过一系列节段模型试验和 流动可视化试验，研究了流线型箱梁桥在安装新辅 助管道系统过程中的涡振性能。祝志文等词基于 CFD数值模拟方法，研究了大贝尔特桥东桥扁平箱 梁断面的髙阶模态涡振，得到了高阶模态涡振锁定 曲线，并在此基础上分析了主梁发生涡振的影响因 素。Zh ang等提出了一种垂直桥面方向的涡振 峰值振幅的简化计算模型，该模型能够准确、方便地 预测不同质量阻尼条件下桥梁的振动峰值。李明水 等口口针对港珠澳大桥大挑臂钢箱梁涡振振幅超过 规范限值问题进行了模型风洞试验和计算，研究了 多种气动措施均可有效改善大挑臂钢箱梁的涡振特 性。Xu等诽】发现调谐质量阻尼器能明显降低桥面 的涡振响应，从而降低涡振对桥梁疲劳寿命和使用 性能的影响。上述研究主要针对公路桥梁涡振特性及涡振抑 制措施，而针对铁路桥梁发生涡振时桥上行车安全 性与舒适性的研究鲜有报道。随着我国高速铁路网 络不断完善,大跨度高速铁路桥梁建设需求强劲，桥 梁刚度随着跨径增大不断下降,从而对风致动力问题 的敏感性急剧增加；由于现有技术在设计阶段无法避 免涡振发生，而涡振发生风速(1020 m/s)远小于现 行高铁运行技术规范规定的停轮风速(30 m/s),且 大跨桥梁模态更为密集，在常遇风速下潜在发生涡 振的模态更多，因此无法绝对避免桥上行车时主梁 发生涡激振动的情况。鉴于此，本文以某大跨度公 铁两用桥和CRH2型动车组为研究对象，对比分析 10 m/s风速下，桥梁和列车在主梁发生与未发生竖 弯涡振时的动力响应;研究主梁发生竖弯涡振时车 速对桥上列车行车安全性与舒适性的影响。2工程背景某四塔三跨大跨度斜拉桥跨径布置为(5&5+116+3X340+116+58.8)m,桥面设 2%的双向横 坡。桥面两侧为双向6车道公路，中间为线间距 4.6 m的双线铁路。主梁标准截面高4.5 m,桥面总 宽49.6 m,中间钢箱梁宽17.6 m,两侧挑臂式桥面宽 16 m。桥塔每侧各设13对斜拉索,全桥共104对，按 双索面扇形布置，纵向索距12 m。主梁采用刚构+连续梁体系，即中塔塔梁墩固结;边塔塔梁固结，塔墩 分离，塔底设双排支座,支座纵向间距10.4m。沿纵 向每隔6.0 m对应顶板横梁设置1道箱外斜撑。桥 梁立面及主梁标准横截面布置见图1。40桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)(b)标准損就丽图1桥梁立面及主梁标准横截面布置Fig.1 Elevation View of Bridge and Cross-Section ofMain Girder采用ANSYS软件建立桥梁有限元模型，主梁、桥塔、桥墩采用空间梁单元模拟，斜拉索采用杆单元 模拟，桥梁结构自重按实际重量计算，二期恒载为 202 kN/m,桥面二期恒载转化为分布质量施加在桥 梁上,其余设计荷载根据相应规范选取。计算该桥 成桥状态前4阶模态动力特性，结果见表1.表1成桥状态前4阶模态动力特性Tab.1 Dynamic Characteristics of First Four Modes of Completed Bridge模态频率/Hz 振型描述 振型图1 0.285 5主梁一阶对称竖弯0.411 3主梁一阶反对称竖弯3 0.481 0纵飘十主梁二阶反对 称竖弯24 0.536 5主梁二阶对称竖弯3涡振下风-车-轨-桥耦合系统分析模型为研究大桥主梁在竖弯涡振条件下列车的行车 安全性与舒适性，通过在传统的风-车-桥运动方程 中引入主梁涡激力模型，建立涡振条件下的风-车-轨-桥运动方程：Mbii”+Cbi(x)F(f)da:(3)式中丄为主梁展向全长;Q)为主梁第”阶模态 振型;PW为简谐涡激力为时间。假定涡激力为简谐力，与升力系数成正比同:P(J)=j(0U2BCLsin(0z+(9)(4)式中,P为空气密度,(0=1.225 kg/m3；U为平均风 速;B为主梁断面宽度;G.为升力系数，与主梁外形 有关,是斯托罗哈数S,的函数;3”为主梁第阶固 有频率(旋涡脱落频率)，3”=2兀九其中/为主梁一 阶竖弯基频,/=0.285 5 Hz；&为初始相位角。在本研究中,假设桥梁发生一阶竖向涡激振动，且振幅达到50 c m左右，初始相位角0=0,则简谐 涡激力可简化为：P(z)=sina(5)式中显为无量纲系数;时间t步长为0.005 s。为预测大跨度桥梁多阶涡振的风速区间和涡振 振幅诃，采用缩尺比1:43的车-桥组合节段模型 风洞试验获得列车和桥梁的气动力系数。利用电子 扫描阀，采用测压的方式进行列车气动力系数测量；利用六分量应变天平，采用测力方式进行桥梁气动 力系数测量。该试验在11.5 m/s风速的均匀流场 中进行，车-桥系统风洞试验模型见图2,采样频率 和采样时长分别为330 Hz和60 s。车-桥系统的列 车和桥梁气动力系数结果见表2,风攻角为0。,风向 角为90(横风方向)。图2车-桥系统风洞试验模型Fig.2 Wind Tunnel Test Model of Train-Bridge System一般列车在车-桥系统上行驶时,桥面仍然在纵 轴上。然而在静止的风洞试验中，为模拟列车运动 时产生的风偏角，将车-桥系统一起转动风偏角，此竖弯涡振作用下桥上列车行车安全舒适性研究 王维民，陈楚龙，刘 叶,何旭辉41表2车-桥系统的列车和桥梁气动力系数Tab.2 Aerodynamic Coefficients of Train and Bridge underTrain-Bridge System模型阻力系数Cd升力系数Cl力矩系数Cm列车0.6670.368-0.Il l桥梁1.1720.060.022时车辆与桥面间几何关系不符合实际情况。移动列 车模型气动特性风洞试验在模型移动、移动列车气 动特性测试方法等方面仍存在许多困难，因此，本文 利用余弦规则近似确定移动列车风荷载。基于ANSYS与SIMPACK联合仿真平台建立 该桥风-车-轨-桥耦合系统振动精细化模型河。将 假定的简谐涡激力PQ)作为外荷载,沿主梁从左至 右等间距(12 m)布置114个模拟点(图3),通过计 算单独桥梁发生竖弯涡振时的位移响应，可确定人=3.62X105,此时桥梁跨中竖向响应见图4。由图4 可知：100 s后桥梁跨中竖向振幅和加速度分别稳定 为0.5 m和1.5 m/s2左右。故为研究竖弯涡振作 用下桥上列车行驶情况，应让列车运行100 s后 上桥。炖il f林徹丿图3简谐涡激力施加示意Fig.3 Schematic Diagram of Simple Harmonic Vortex-Induced Force ApplicationIM W L-.11 lf 2IKJ:w m三三一 云亡就左Sfl Wflio）蹩向位楼图4单独桥梁发生竖弯涡振时桥梁跨中竖向响应 Fig.4 Midspan Vertical Response of Bridge in Scenario of Pure Vertical Vortex-Induced Vibrations4涡激振动下车-桥动力响应分析为研究桥梁竖弯涡振时桥上列车行车安全，对 比10 m/s风速下，车速为180 km/h时，桥梁发生 与未发生竖弯涡振时桥梁和列车的动力响应，并开 展160,180,200,220,240 km/h车速下桥上列车行 车安全性与舒适性研究。列车采用CRH2型动车 组，共8节车厢，对应编组为T+M+M+T+T+M+M+TCT为拖车,M为动车)。4.1桥梁动力响应分析风速10 m/s、车速180 km/h下,列车分别在发 生与未发生竖弯涡振的主梁上行驶时桥梁跨中竖向 响应见图5。由于桥梁仅发生竖弯涡振，对桥梁的 横向响应影响很小，因此未对桥梁横向响应进行讨 论。同时，主梁横向振动很小，对列车的横向运动影 响也很小，因此，在后续桥上列车响应研究中不考虑 列车横向动力响应。=淖岂=湘E E鬻報左肚牛潜迸將功-术垃I苗淤煦前.:=申刮耳.riE.riE宛漲空isu 洌山 75(1 S(IHI E 列牟在桥(a)竖向恃移0 2ni)501)k OIXJ J 2合 B nlKl砒在耨上舒驶用离山(b)竖向.帕速.度图5桥梁跨中竖向响应Fig.5 Midspan Vertical Response of Bridge由图5可知：桥梁发生竖弯涡振时的竖向位移 和竖向加速度明显增大且变化周期显著。桥梁跨中 竖向位移峰值约为0.341 m,相比单独桥梁振幅(0.5 m)减小了 31.8%,桥梁跨中竖向加速度峰值 约为0.98 m/孑，相比单独桥梁(1.5 m/s2)降低了42桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)约42.4%,即竖弯涡振作用下列车的存在会降低桥 梁的竖向振幅和竖向加速度峰值，主要原因是列车 组在桥上行驶时相当于1个调谐质量阻尼器，吸收 了一部分桥梁振动产生的能量，从而减小了发生竖 弯涡振时桥梁的竖向振幅，对主梁涡激振动起到一 定的抑制作用。竖弯涡振作用下车速对桥梁竖向响应的影响见 图6。由图6可知：竖弯涡振作用下列车行驶速度 对桥梁的竖向响应影响不大;桥梁跨中竖向位移随 列车速度的增加先减小后增大，在车速200 km/h 时,桥梁竖向位移最小；当车速超过180 km/h时,桥梁跨中竖向加速度随行车速度的增大而增大。U.:WIT-览柄戲丟鬲-未玻牛漓酒握刖I a 3 4 5 7 8EifcwzEifcwz与斗空能字fl UI 181)M0IJ 220 屛 D ai/kn-l i(8)竖向也移怙腔朝系故也伯*发十渦曲抵动*朮左先詞巖扭动/.-仝芳-S-S-签-二盘豎=图6竖弯涡振作用下车速对桥梁竖向响应的影响 Fig.6 Influence of Vehicle Speed on Vertical Response of Bridge under Vertical Vortex-Induced Vibration轮亚减戟率(：轮孰垂向力2S r七发T：.凋激掘功64.2列车动力响应分析4.2.1列车行车安全性风速10 m/s、车速180 km/h下，主梁发生与未 发生竖弯涡振时桥上不同车厢的行车安全性指标峰 值见图7。由图7可知:桥梁未发生竖弯涡振时，桥上列车 前4节和后4节变化趋势一致，拖车与动车安全性 指标峰值各自基本相同;拖车脱轨系数大于动车，轮 重减载率、轮轨垂向力和轮轴横向力均是动车大于 拖车。桥梁发生竖弯涡振时，每节车厢的脱轨系数 和轮重减载率明显大于未发生竖弯涡振时，前4节 车厢列车轮轨垂向力和轮轴横向力也是发生竖弯涡 振时较大;后4节车厢在竖弯涡振作用下的轮轨垂&I&I”24D军魂/“+h&)车辱竖闷加遽腔$1 同P m 4 冏 t iOl f T.jIJ ffiHI I Dnn L SKI IIW)200 220 240t a/ki h(b)乍体暧向缺上讪耳捋标图11竖弯涡振作用下车速对桥上列车竖向行车舒适性指标峰值的影响Fig.11 Influence of Train Traveling Speed on Peak Values of Vertical Train Traveling Comfort Indexes under Vertical Vortex-Induced Vibration图9桥上列车竖向加速度时程曲线Fig.9 Time-History Curve of Vertical Acceleration of Train on Bridge5结论本文以某公铁两用斜拉桥和CRH2型动车组 为背景，建立竖弯涡振下风-车-轨-桥耦合系统分析:=.=;_ afDQ-s带翠.-44桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)模型，对比分析了主梁发生与未发生竖弯涡振时桥 梁和列车的动力响应，探究了主梁发生竖弯涡振时 不同车速下桥上列车的行车安全性与舒适性，得到 了以下结论：(1)主梁发生竖弯涡振时桥梁和列车的竖向加 速度和位移大于未发生竖弯涡振时的情况;发生竖 弯涡振时列车的存在使得桥梁的竖向振动幅值和竖 向加速度分别降低了 31.8%和42.4%，桥上行驶列 车组对主梁竖弯涡振起到一定的抑制作用。(2)主梁发生竖弯涡振时桥上列车组的行车安 全性指标峰值明显大于未发生竖弯涡振时，且每节 车厢的脱轨系数和轮重减载率均大于未发生竖弯涡 振的情况。轮重减载率对发生竖弯涡振时桥上列车 行车安全起决定性作用，当车速超过230 km/h时，列车轮重减载率超过安全限值0.6。(3)车体竖向加速度和竖向Sp erl ing指标随车 速变化趋势相同，均随车速的增大而增大。当车速 超过200 km/h时，主梁发生竖弯涡振时桥上列车 车体竖向Sp erl ing指标仍满足限值要求，而车体竖 向加速度则超过安全限值1.3 m/s2,不利于桥上行 车时的竖向稳定性，竖弯涡振作用下会严重威胁列 车竖向运行时的平稳性。参考文献(References):1 王超，吴联活，张明金，等.大跨度悬索桥施工阶段 颤振稳定性措施研究J.世界桥梁，2020,48(6)：38-42.(WANG Ch ao,WU Lian-h uo,ZHANG Ming-j in,et al.Measures t o Imp ro ve Fl ut t er St abil it y o f Lo ng-Sp an Susp ensio n Bridg e in Co nst ruc t io n 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u-l o ngLIU YeHE Xu-h ui王维民1983,男，高级工程师2007年毕业于长沙理工大学土木 工程专业，工学学士。研究方向：大