大跨度四线铁路桥梁车桥耦合建模与振动分析

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1、大跨度四线铁路桥梁车桥耦合建模与振动分析肖祥1,2,3，任伟新2,3(1.武汉理工大学交通学院，湖北武汉430067；2.中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075；3.高速铁路建造技术国家工程实验室,湖南长沙410075)摘要：目前大跨度多线铁路桥梁的列车走行性受到较大的重视，其系统建模和车桥耦合振动实验研究具有重要的工程参考价值。本文以某四线大桥为背景，由实测结构模态参数结合设计相关资料，建立了桥梁基准有限元模型。然后基于此模型，由轮轨法向刚性接触关系，采用模态叠加法建立了车-桥整体系统运动方程，并结合实桥通车实验和数值计算进行了对比分析，验证了模型的正确性。最后，

2、开展了多种工况下的车辆—桥梁耦合振动分析计算，对桥梁和车辆的动力响应以及列车运行安全性和平稳性进行了分析评价，得出了一些有工程意义的结论。关键词：大跨度多线铁路桥梁；车—桥耦合；实桥实验；空间振动；刚性接触中图分类号：U441.2文献标识码：A引言随着我国铁路运输的大力发展，大跨度多线铁路桥梁的不断涌现，它们在运行列车荷载作用下的动力特性也受到较大的重视。对铁路桥梁进行车桥耦合动力分析时，依据设计图纸建立桥梁模型往往不能准确反映结构实际工作状态，有时存在较大的差异，而且相应的车桥耦合动力分析结果也有待实验验证。因此，在进行列车—桥梁空间耦合振动分析研究，并对桥梁走行性进

3、行评价时，动力模型的准确建立及其实验研究有着较重要的工程参考价值。这方面的研究目前也正在逐步的开展中，如Kaliyaperumal[1]通过实测频率来验证桥梁模型的正确性，Rebelo[2]，Liu、Reynders和De-Roeck[3]通过对桥梁进行环境振动试验来验证模型等等。但关于大跨度多线铁路桥梁的研究很少。本文以某四线铁路大跨度桥梁为背景，对其进行了车桥耦合系统建模和动力特性分析研究。该研究首先由实测数据建立桥梁基准有限元模型，在结合实验进行分析研究的基础上建立车桥系统耦合模型，然后开展具体的车桥系统动力响应特性分析和列车走行性研究。1工程概况与环境振动实验该

4、桥是目前世界上跨度最大、联长最长的公铁两用斜拉桥，并且首次采用了三主桁三索面的结构形式，也是目前活载最大的斜拉桥。大桥典型横断面和跨径布置分别如图1、2。在大桥正式通车之前对全桥进行了环境振动实验。实验数据采用德国IMC动态数据采集仪进行采集，测试内容包括全桥各测点竖向、横向以及纵向的加速度时程。桥面两侧每一拉索位置处均选为测点、加上支座位置、边跨和中跨中点处，总共布设了150个测点，测点布置如图3所示。由于桥梁测点较多、跨度较大，整个试验分成15个测试组进行，如表1所示，每个测试组有13个测点，10个移动测点和3个固定不动的参考测点。它们分别由移动测站和固定测站完成，

5、移动测站和9819650419698012345武昌汉口图1桥梁跨径布置(单位:m)Fig.1Arrangementofbridgespans收稿日期：修订日期：项目基金：国家“863”项目（2009AA11Z101），武汉理工大学自主创新研究基金（2011-IV-126）151515..2四号线三号线二号线一号线151515..2四号线三号线二号线一号线a.钢桥面部分横截面(单位:m)b.混凝土桥面部分横截面(单位:m)a.Cross-sectionatthepartofsteeldeckb.Cross-sectionatthepartofconcretedeck图2

6、桥梁典型横断面Fig.2Typicalcross-sectionofbridge参考点由左向右依次为R1~3移动测点编号依次为1~150测点编号由左向右依次为1~75测点编号由左向右依次为76~150主塔主塔武昌汉口图3测点布置示意图Fig.3Arrangementoftestpoint固定测站之间采用测站同步GPS装置进行同步。典型测点如图4，移动测站和固定测站示意图分别如图5~6，测站同步GPS装置如图7。现场测试时采样频率均取为100Hz，采样时间均为30分钟。图8为边跨跨中测点竖向加速度时程。图9为边跨跨中测点竖向加速度自功率谱。图4典型测点示意图Fig.4Ty

7、picaltestpoint图5固定测站示意图Fig.5Fixedteststation图6移动测站示意图Fig.6Movableteststation图7测站同步GPS装置Fig.7GPSsynchronousdevices图8边跨跨中测点竖向加速度时程Fig.8Verticalaccelerationtimehistoryofthetestpointonthemidpointofsidespan图9边跨跨中测点竖向加速度自功率谱Fig.9Powerspectrumofverticalacceleration表1各测试组测点Tab.1T