客运专线某钢管混凝土提篮拱桥列车走行性分析.pdf
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1、第 5卷第 1期 2 0 0 8年 2月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF R AI I WA Y s cI E NCE AND E NGI NE ERI N G V o I 5 F e b N O 1 2 Oo 8 客运专线某钢 管混凝土提 篮拱桥 列车走行性分析 周智辉 , 向俊 , 曾庆元 ( 中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要: 针对武广客运专线胡家湾大桥 , 提 出单箱三室箱形系梁的钢 管混凝土拱桥空间振动分析模型, 建立了高速列车 一 桥梁系统振动方程。运用列车脱轨能量随机分析理论, 计算 了胡家湾大桥上列车走行安全性。提 出桥梁抗脱
2、轨安全系数 的计算式, 并计算了该桥的抗脱轨安全系数。在列车不会脱轨的条件下, 计算 了该桥上列车走行舒适性。计算结果表明: I C E列车以不超过 3 0 0 k m h车速通过该桥时, 列车不会脱轨; 桥梁抗脱轨安全系数很大, 具有很 高的抗脱轨安全度; 在列车 正常运行时, 舒适性指标达到 了良好以上等级。研究成果可为该桥设计提供理论依据。 关键词: 客运专线; 钢管混凝土拱桥 ; 脱轨; 能量随机分析理论 中图分类号: U 4 4 7 ; U 4 4 1 7 文献标识码 : A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 8 ) 0 1 0 O 4 6 0 5 A n
3、a ly s i s o f t r a i n r u n n i n g p e rf o r ma n c e o n a b a s k e t h a n d l e a r c h b r i d g e o f c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t u b e o n p a s s e n g e r s p e c i a l l i n e Z H O U Z h i h u i, X I A N G J u n , Z E N G Q i n g y u a n ( S c h o o l o f C i v i l a n
4、d A r c h it e c t u r a l E n g i n e e r i n g ,C e n t r al S o u t h U n i v e r s i t y ,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 , C h i n a ) A b s t r a c t : A i m i n g a t H u j i a w a n b ri d g e o n Wu h a n G u a n g z h o u p a s s e n g e r s p e c i a l l i n e ,t h e c al c u l a t i o n m o
5、d e l f o r b a s k e t h a n d l e a r c h b rid g e wi t h b o x g i r d e r o f a bo x an d t h r e e F o o l n s was p r e s e n t e d,an d t h e v i b r a t i o n e q u a t i o n o f h i g hs p e e d t rai n b rid g e s y s t e m Was e s t a b l i s h e dBa s e d o n t h e t h e o r y o f e n e
6、 r g y r an d o m an aly s i s for t rai n d e r a i l me n t ,t rai n r u n n i n g s a f e t y o n H u j i a w a n b ri d g e W as c al c u l a t e d T h e c al c u l a t i o n f o r m u l a o f s a f e t y f a c t o r fo r b ri d g e r e s i s t i n g d e ra i l m e n t W as p u t for wa r d,an d
7、 t h e s afe t y f a c t o r for r e s i s t i n g d e r a i l me n t o n t h e b rid g e Was c alc u l a t e dWhe n t rai n wi l l n o t d e r a i l ,t h e r u n n i n g c o mf o r t o n the b rid g e Was c alc u l a t e dTh e c alc u l a t e d r e s u l t s s h o w t h a t I CE t rai n wi l l n o
8、t d e r a i l o n the b ri d g e u n d e r t h e s p e e d o f 3 0 0 k m h,an d t h e s a f e t y f a c t o r for r e s i s t i n g d e r ailm e n t i s l a r g e r e l a t i v e l y,an d t h e d e g r e e for r e s i s t i n g d e r a i lm e n t o n t h e b rid g e i s h i g h,an d t h e r u n n i
9、n g c o mf o r t o f t r ain o n the b rid g e i s g o o dTh e an aly s i s r e s u l t s ma y p r o v i d e r e f e r e n c e for d e s i g n o f the b rid g e Ke y wo r d s: p ass e n g e r s p e c i al l i n e;a r c h b rid g e o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e;d e r ailm e n t ;t
10、h e o ry o f e n e r g y r an d o m a n aly s i s 胡家湾大桥为武广客运专线跨越京珠高速公 路的一座无碴轨 道桥梁。该桥为 1 1 2 m跨度 的钢 管混凝土提篮拱桥 , 拱桥系梁为单箱三室预应力混 凝土箱形梁, 吊杆按尼尔逊体系布置。拱肋采用竖 置哑铃形钢管混凝土截面, 按等截面布置。两拱肋 之间设 5道横撑 , 分别置于拱顶 、 六分点附近及两 者的中间部分 。大跨度钢管混凝 土提篮拱桥用于 高速客运专线 , 桥上列车的走行安全性和舒适性是 否有保 障, 设计时没有把握 。为此 , 本 文作者对胡 家湾大桥的列车走行安全性与舒适性进行研究。
11、收稿 日期 : 2 0 0 70 60 8 基金项 目: 国家重点基础研究发展计划 资助项 目( 2 0 0 7 C B 7 1 4 7 0 6 ) ; 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 6 7 8 1 7 6 ) ; 铁道部科技研 究开发计划项 目( 2 0 0 4 G 0 2 8一B ) 作者简介: 周智辉( 1 9 7 6 一) , 男, 湖南攸县人, 讲师, 博士, 从事车桥( 轨) 振动及列车脱轨研究 维普资讯 http:/ 第 1 期 周智辉, 等: 客运专线某钢管混凝土提篮拱桥列车走行性分析 4 7 我国铁路桥梁设计规范规定_ 1 I 2 j : 桥梁结构应 按实际运营列车
12、通 过桥梁的情况进行车桥耦合动 力响应分析 , 分析得 出的脱轨 系数 、 轮重减载率及 旅客乘坐舒适性指标应满足有关规定的要求 。运 用车桥耦合理论 , 评判桥梁能否满足安全 、 平稳及 舒适行 车的要求 , 对桥梁设计起 到了一定 的作用。 但是, 上述方法尚存在如下 2点不足: 1 ) 脱轨系数 和轮重减载率标准对预防脱轨没有控制作用, 超过 它们限值并不意味着列车一定脱轨, 同时不能控制 列车实际产生的最 大脱轨系数和轮重减载率不超 过它们限值l 3 _ ; 2 ) 国内外大都采用轮轨密贴假定 的车桥振动计算模型作车桥振动响应分析l 5 j , 依 据此计算模型 , 不能计算列车车轮脱
13、轨全过程 , 故 不能判别桥上列车是否会脱轨。按上述方法分析 焦柳线酉水大桥 的列车走行安全性 , 分析结果为该 桥上列车不会脱轨。而 2 0 0 1 年 5月 2 8日, 该桥上 发生了货物列车脱轨事故 。 本 文作者针对武广客运专线某大跨度钢管混 凝土提篮拱桥 , 提 出该桥 的空 间振动分析模 型, 建 立高速列车 一桥 梁空间振动方程。基于列车脱轨 能量随机分析理论 , 计算分析胡家湾大桥上列车走 行安全性 。提 出了桥 梁抗脱轨安全度概念及抗脱 轨安全系数计算式 , 计算该桥 的抗脱轨安全 系数。 最后 , 在列车不会脱轨条件下 , 计算分析桥上列车 的走行舒适性 。 l 列车脱轨能
14、量随机分析理论及桥 梁抗脱轨安全 系数 列车脱轨能量随机分析理论论证了列 车脱轨 的力学机理是列车 一桥 梁( 轨道 ) 系统横 向振动丧 失稳定。将分析桥上列车是否脱轨转化为分析列 车 一桥梁( 轨道 ) 系统横 向振动是否稳定 。基于列 车 一桥梁( 轨道 ) 系统振动能量 随机分析理论及弹 性系统稳定性总势能判别准则 , 提出了列车脱轨能 量增量判别准则 , 见式 ( 1 ) 和式( 2 ) 。 仃 仃 列车不脱轨时 ; ( 1 ) 仃 。 , 仃 列车脱轨时。 ( 2 ) 式中: 口 , 和 仃 分别表示车桥 ( 轨) 系统横向振动 极限抗力作功增量与输入能量增量。 运用上述理论 ,
15、对线路上和桥上列车脱轨进行了一系列研究, 计算 了 2 1 个列车是否脱轨的实例 , 分析结果均与实际结 果相符, 表明该理论用于列车脱轨分析是可行 的。 上 述理论也是本文进行桥上列车走行性分析的理论基 础 , 关于该理论的详细内容见文献 9一l 0 。 在车桥系统横向振动稳定 , 即列车不会脱轨的 条件下 , 有限次行车测试得到的车桥系统横向振动 输入能量 仃 就是车桥 系统横 向振动最 大输入能 量 , 相当于正常条件下作用于结构 的最大荷载。 车 桥系统横向振动极限抗力作功 ( r 是迫使列车车轮 脱轨掉道的最小输入能量 , 相当于结构所能承受的 极限荷载。 因此 , 车桥系统横 向振
16、动极限抗 力作功 与列车不脱轨时车桥系统横 向振动输入能量 仃 的比值反映 了桥梁 的抗脱轨安 全度 。 考 虑计算 ( r 可能偏大 1 0 , 测试统计 可能偏小 1 0 , 进行偏 安全处理 , 定义桥梁抗脱轨安全系数如下 : K = 仃 ( 1 O p ) 。 ( 3 ) 2 高速列车 一桥梁振动分析模型 2 1 高速列车计算模型 I C E动车与拖车均为二系弹簧悬挂, 建立动车 与拖车振动分析模 型时作如下假定 : 1 ) 车体 、 转 向 架和轮对视为刚体 ; 2 ) 轮对 、 转向架 和车体沿线路 方向作匀速运动 , 即不考虑纵向振动的影响 ; 3 )车 体和转 向架前后 、 左
17、右对称。 根据 以上假定 , I C E动 车与拖 车可统一表示成 l 9个 自由度的多刚体系统 模型 , 见文献 5 。 2 2 单箱三室箱形 系梁 的钢管 混凝 土提 篮拱桥 计算模型 胡家湾钢管混凝土提篮拱桥系梁为单箱三室 箱形梁。 采用一般梁单元模拟单箱多室箱形梁 , 不 能考虑箱 梁 的畸变 、 翘 曲等变形 。 本 文参考文献 1 1 的箱形梁建模 思想 , 放弃梁元 的整体与局部 位移叠加的方法 , 采用有限板梁段单元建立单箱三 室箱形梁空间振动分析模型。 将单箱三室系梁沿桥 长方向划分为若干空间板梁段单元 , 横隔板处取为 板梁段单元的节点。 每个板梁段单元进一步离散成 l 0
18、 块子板件 : 3 块顶板 、 3 块底板以及4 块腹板 , 每块 子板件为一子单元 , 由此构成 “ 单箱三室梁板梁段 单元” ( 如图 1 所示) 。 y 图 1 单箱三室梁板 梁段 单元 F i g 1 S l a b b e a m s e g me n t e l e me n t f o r b o x g i r d e r w i t h a b o x a n d t h r e e r o o ms 维普资讯 http:/ 4 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 O 0 8 年 2月 根据连续介 质力学 , 任意质点 的位移可归纳 为 3个方向的线位移 , 对于构成
19、该板梁段单元的各 子板件 , 其任意点的 3个线位移可用 2 个面内位移 和 1 个面外位移描述。 取板梁段单元 I 和 J 截面腹板 与顶底板连接点 的位移参数为板梁段单元位移参 数。 构造板梁段单元位移模型的核心是有限条带思 想 , 即从二维结构 的纵横向取单位条带 , 每一条带 的位移一般根据梁单元的位移模式构造。 运用有限 条带思想 , 将单箱三室梁板梁段单元各子板件的位 移表述为板梁段单元位移参数的函数, 从而用一维 单元形式建立空间箱梁位移模式 。 板梁段单元子板件弹性应变能包括 2 部分。 子 板件面内弹性应变能符合平面应力问题 的条件 , 按 平面应力问题的弹性板计算其应变能
20、, 子板件面外 挠曲应变能按板的挠 曲问题进行计算。 同时 , 计算 出各子板件的惯性力势能与阻尼力势能。 最后 , 由 弹性系统动力学总势能不变值 原理 以及形成 系统 矩阵的“ 对号入座”法则 j 可以直接列出板梁段单 元刚度 、 质量及阻尼矩阵 。 以上仅介绍 了构造单箱 三室梁板梁段单 元的主要思路 , 推 导过程见 文献 1 2 。 钢管混凝土主拱及横撑采用空间梁单元模拟 。 吊杆采用空间杆单元模拟 , 每根 吊杆视为一个空间 杆单元 , 杆端 3 个线位移分别与主拱节点和系梁节 点处线位移相同。 由系梁 、 主拱及 吊杆单元分析模 型 , 即可建立钢管混凝土提篮拱桥 的空间振动分析
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