大跨度桥梁桥梁抗风安全性研究

大跨度桥梁桥梁抗风安全性研究

0模型的建立及验证随着高速铁路的发展，在风环差较大的地区建设的高速铁路越来越多。列车的高速化导致车辆在相同的风速下更多地受到很大的风负荷，同时，列车的轻量化降低了车辆的抗倾斜性能。大跨度桥梁一般较柔且桥面较高，车辆与桥梁间的耦合较为明显，桥面风速较大，桥上车辆风荷载也将增大。风-车-线-桥是轨道不平顺、横风载荷、列车活载等外部激扰下的时变动力相互作用系统。一方面，列车运行时会将振动通过轮-轨关系传递到轨道结构，再经桥-轨关系传递到斜拉桥桥面；另一方面，风致桥面振动等又会反过来通过桥-轨关系传递至轨道，振动又会通过轮轨关系传递到车轮及车体。此外，列车会改变桥面的气动绕流，桥梁的气动特性随列车的到达和离去而改变，整个主梁所受风载随列车的运行而动态变化。同时，桥上车辆处在桥梁的绕流之中，桥梁断面的几何外形也会对桥上车辆的气动荷载产生影响。目前关于横风对车-桥系统安全性影响及其气动特性的研究可以归纳为以下3个方面：风洞试验、基于刚-柔耦合动力学及计算流体动力学。风洞试验对揭示结构在强风作用下的气动现象具有重要作用，其主要为研究人员提供复杂结构周围流场和风荷载信息为研究本课题，在模型搭建方面，独塔斜拉桥模型采用多自由度有限元模型，采用空间梁单元、杆单元、刚臂及等效基底弹簧等进行模拟；列车采用四动四拖八辆编组多体动力学模型，而轨道为连续弹性基础梁模型，钢轨近似为连续弹性支撑进行模拟；脉动风随机过程采用线性滤波法中的自回归模型进行程序编写，参考中国帽动态阵风，同时考虑空间竖向和横向相关性，合成空间脉动阵风模型；有限元（转为线性弹性体）-多体动力学系统求解采用Park刚性稳定法，可高效精确地求解系统的微分-代数方程，获得列车与轨道梁的动力学响应。然后，基于此模型来进行脉动风对车-桥系统的影响分析和车速阈值分析。1风-车桥系统1.1空间梁单元模拟独塔斜拉桥模型采用多自由度有限元模型，其中桥塔、桥墩、大边跨过渡墩、小边跨过渡墩、辅助墩、桥面主梁均采用空间梁单元模拟，拉索用杆单元模拟，桥面与拉索用梁单元刚臂连接，并用等效基底弹簧模拟地基基础周围土壤作用1.2刚体轨道模型本文采用某四动四拖（T1+M2+M3+T4+T5+M6+M7+T8）八辆编组高速列车，为简化计算假定车辆箱体、构架和轮对均为刚体，忽略其弹性变形，每辆车离散为7个刚体的系统，考虑成由1个车体、2个转向架及4个轮对组成，彼此之间分别由悬挂元件（弹簧-阻尼件）进行连接，并考虑其非线性特性，除轴箱外其余每个刚体有横移、浮沉3个平动以及侧滚、点头和摇头3个转动，每辆车35个自由度，整列车共280个自由度轨道模型为连续弹性基础梁模型，钢轨近似为连续弹性支撑，钢轨与轨下基础的连接为线性弹簧和阻尼器系统的并向连接组合。钢轨采用CN-60轨，车轮踏面为LMA型，轮轨接触模型采用基于FASTSIM蠕滑力算法。轨道随机不平顺采用某高速铁路段实测不平顺。1.3脉动风速仿真计算脉动风随机过程采用线性滤波法中的自回归（Auto-regressive,AR）模型进行程序编写本文采用概率论和随机振动理论对波动进行分析，采用Davenport风速谱式中：x脉动风在空间相关性在本文中仅考虑竖向和横向相关性标高风速为10m·s图3(b）中红色光滑曲线为目标谱，灰蓝散点表示用线性滤波法所得到的脉动风速时程计算谱。通过对比可知，2处典型位置（458,58）仿真过程中计算得到的谱线基本上是围绕在目标谱的两侧浮动，计算谱与目标谱规律性一致、数值吻合程度好。脉动风空间模拟加详情见图4(a），桥梁三分力情况见图4(b），偏航角见图4(c），车辆三分力情况见图4(d）。如图4(b），横风作用被简化为3个力系，则作用于结构单元高度的风为式中：F如图4(c）所示，则车辆所受风载荷的相对风速U式中：U如图4(d）所示，车辆风激励模拟为集中力和力矩式中：F1.4单元模型及模态计算方法在构建考虑风荷载的列车和桥梁耦合系统的空间振动方程时，将列车和桥梁视为一个系统，运用达朗贝尔原理及矩阵的“对号入座”法则，建立的空间振动方程如下式中：M对于复杂的桥梁和轨道结构，可在有限元软件中建立实体/板壳单元模型，通过Craig-bampton固定界面模态综合法进行自由度缩减，以弹性子系统的形式导入，与多刚体系统组建刚柔耦合系统，进行动力学分析，模态计算采用子空间迭代法，采用完整的刚度矩阵和质量矩阵，计算精度较高；多体动力学系统求解采用Park刚性稳定法，可高效精确地求解系统的微分-代数方程，获得列车与轨道梁的动力学响应。2启动矩阵对车辆桥系统的影响2.1阵风对桥梁振动的影响空间脉动阵风作为外部力和速度输入会激起桥梁结构的受迫振动如图5所示，阵风加载时段桥梁结构有明显的受迫振动，时域峰值出现在中国帽风二次加速尖端处，峰值位置信息、加速度斜率变化信息与阵风特性吻合，而阵风卸载后由于结构阻尼作用振动逐渐衰减2.2阵风对车辆振动的影响列车未驶入桥梁区段之前，突遇阵风，车体受随机力向转向架、轮对传递力及力矩，使轮对摇头运动、列车蛇行运动加剧，严重时使得轮轨间轮缘接触挤压、轮轨横向作用力加剧磨损，甚至轮轨瞬时分离发生倾覆时域上看，无风时列车经过该路段只受轨道不平顺激扰，而有风工况时域曲线变为阵风激扰主导成明显中国帽型，且峰值位置及加速度斜率突变等均与阵风特性吻合，车体动力学响应明显增大，加速度由0.032g增至0.111g，脱轨系数由0.055增至0.262。频域上看，阵风主要激起了车体结构低频振动，尤其是1Hz左右的2阶摇头模态（0.818Hz），分析可知阵风作为横向外力最终作用于刚性轮对，导致左右轮产生轮径差，轮对未处于径向位置，因纵向蠕滑的存在，导致轮对产生较大的摇头运动以抵消横向外力，此时激励频率与2阶摇头模态构成共振，导致在1Hz左右的频率幅值猛增。该列车采用四动四拖八辆编组形式，各车车体参数、转向架参数、迎风面积及气动系数等均有所不同，突遇阵风时各车辆响应也不尽相同，结果如图7及表3所示。由图7可以看出：加载阵风后各车响应均大幅增加，车体横向及垂向加速度、横向及垂向平稳性指标最大为M6，即M6车体响应在列车当中最为敏感，轮重减载率及轮轨垂向力最大为M6，最大脱轨系数为T4，轮轨横向力及轮重减载率最大为M2，这是由于阵风在空间分布的相关性、车辆参数不同、气动系数差异等原因的综合作用结果。2.3阵风对车桥横向响应的影响风-车-线-桥系统是轨道随机不平顺、横风载荷、列车活载等外部激扰下的时变动力相互作用系统。一方面，列车运行时会将振动通过轮-轨关系传递到轨道结构，再经桥-轨关系将传递到斜拉桥桥面。另一方面，风致桥面振动等又会反过来通过桥-轨关系传递至轨道，振动又会通过轮轨关系传递到车轮及车体由图8(a）可知，没有阵风激扰时，列车过桥先后引起了小跨中和大跨中的横向变形且数量级很小，这是由于列车运行靠左行驶导致桥面整体向左微偏，而阵风相对于车桥系统是从左向右吹会抵消列车偏载作用，故列车先经过小跨中时桥面整体向右侧微偏，而列车行至大跨中风速处于峰值，故大跨中向右侧偏更多达到1mm。图8(b）、（c）展示出阵风对桥面横向响应影响很大，且激起振动峰值在1～2Hz。由图8(d）可知，无风时列车过桥依次引起小跨中和大跨中位置点的竖向变形，2个峰值间距为74+92=166m，时间间隔为2.988s，图中数据与理论吻合，而加载阵风的升力效果对桥面举升，造成竖向变形量减小。由图8(g）可知，车体被横向外力推向右侧，右侧轮对轮缘与右轨面接触，进一步被推至爬轨甚至轮轨分离，此时轮轨无接触造成短暂横向力和垂向力为0，而图8(h）也进一步反映出轮轨竖向力在这一阶段的突变，轮重减载情况较严重。由图8(j)～(l）可知，阵风会使得车体响应加剧，且激起低频振动。综合来看，阵风使得车桥系统各动力学响应加剧尤其在风型尖端处，并可激起车辆及桥梁的低频振动。3风中斜角的形成和速度的影响3.1车桥横向响应存在显著低频风攻角变化范围为45°～135°，对应三分力系数如表2所示，可得桥梁跨中处节点的振动响应及车辆动力响应，如图9所示。由图9可知，当列车在通过桥梁时，桥梁横向振动响应、车体响应及轮轨响应在风攻角α=60°～90°之间出现峰值，而桥梁竖向响应却在此区间出现低谷。原因可能是竖向响应由于列车单线行驶在桥上时产生偏载效应与风荷载升力作用产生部分抵消，而风攻角α在60°～90°的锐角时与车辆行驶带来的风速效果叠加，造成横向响应加大。而竖向响应变化的幅度远不如横向响应明显，这是因为竖向振动响应主要由列车荷载产生，而横向振动响应由阵风主导。3.2阵风下列车车速影响列车过桥是一个有着复杂振动的过程，除横风激励、轨道不平顺激励外，列车活载也是一种激励源，列车通过桥面时对于桥梁结构相当于动载荷为分析车速的影响，选定了平均风速10m·s由图10可知，由从车速150km·h由图11可知，列车车体响应、轮轨响应和桥梁的动力响应总体上随列车速度的增加而增加。参考《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》（GB/T5599—2019）等标准，可知车体加速度限值为0.25g，平稳性指标及极限值3.0，脱轨系数限值0.8，轮重减载率限值0.8（≥160km·h4风-车-桥系统动力学研究本文完成了空间脉动阵风-高速列车-独塔斜拉桥系统的搭建，基于该模型利用时频响应特性分析了阵风作用对桥梁结构、列车编组及车桥系统的影响，并分析了列车通过风攻角及车速影响并确定安全车速限值。得到结论如下：(1）基于有限元方法与多体动力学方法结合为刚-柔耦合系统，可以有效模拟风-车-桥系统，并在此基础上快速获得桥梁及列车的动力学响应以进行科研分析。(2）空间脉动阵风使得车-桥系统各动力学响应加剧尤其在风型尖端处，并激起车辆及桥梁的低频振动，风-车参数差异导致