尼尔森体系拱桥动力特性和列车走行性研究

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1、尼尔森体系拱桥动力特性和列车走行性研究　　摘要：通过建立客车与尼尔森体系拱桥的车桥耦合动力分析模型，并根据势能驻值原理及形成结构矩阵的“对号入座法则”，导出了系统的空间振动矩阵方程。分析了尼尔森体系拱桥的车桥动力响应特点，并进行了列车走行安全性与乘客舒适性分析。关键词：尼尔森体系拱桥，车桥耦合振动，走行安全性，动力特性中图分类号：U448.22+1文献标识码：A文章编号：引言尼尔森拱桥是中等跨度铁路桥梁设计中可供选用的一种桥型。其主要结构特征是将系杆拱桥中的直吊杆改为斜吊杆。与常见的直吊杆拱桥相比，用斜吊杆代替直吊杆会大幅度地提高结构的竖向刚度，而且主拱和系杆的弯矩、

2、剪力大幅度地减小，但轴力差别不大；对吊杆来说，当采用纵横梁桥面系时，随加载位置不同，可能会出现压力，因此应适当选择吊杆的间距、倾斜角和恒载分布，使吊杆最终按拉力杆设计。现今关于这种结构的静力性能研究已经取得丰富成果，8而它的车桥的动力特性目前研究还不多。本文以京沪高铁线上某尼尔森体系拱桥为例，主要介绍该桥设计研究中的车桥动力特性及列车走行性分析与计算的内容。工程实例及有限元建模文中研究的对象是京沪高铁线上某尼尔森体系拱桥。该桥主桥为一孔96m平行系杆拱桥，梁全长100m，其系梁横截面为单箱三室截面，双线行车，线间距为5m。拱肋采用悬链线，矢跨比f/l=1:5,悬链线系

3、数m=1.167，横截面为哑铃形钢管砼。钢管外径为1.0m。桥梁结构体系为刚性梁刚性拱，吊杆布置为尼尔森体系，吊杆间距8米，吊杆由127根φ7平行钢丝索组成。两拱肋间共设5处钢结构横撑，其中拱顶处设一字撑并用斜杆相连，其余均为K型撑。桥梁二恒取158KN/m，桥墩基础为扩大基础。本文对全桥各构件均采用空间梁元建模，弹性模量E和泊桑比μ按现行桥规取值，二期恒载等其它计算参数由设计院提供。分析模型确定后，就可由动力学势能驻值原理及形成矩阵的“对号入座”法则[1]，建立桥梁刚度、质量、阻尼等矩阵。桥梁的有限元分析模型见图1所示。图1有限元模型Fig.1Finiteeleme

4、ntmodel2列车—桥梁时变系统空间振动分析模型2.1空间振动方程的建立与求解8首先，要明确机车、车辆空间振动分析中每辆四轴车辆(包括机车)共有23个自由度，每辆六轴机车共有27个自由度[2]。其次，将桥上列车与桥梁视为整体系统。考虑各车辆与桥梁空间振动位移的相互关系，计算任一时刻t的桥上列车及桥跨空间振动的弹性总势能[3]。应用动力学势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则，建立t时刻此系统的空间振动的矩阵方程：(1)式中，、、分别为t时刻车桥系统的加速度、速度、位移参数列阵。建立了矩阵方程(1)，还不能根据它解出车桥系统的空间振动响应。因为方程(1)中的荷载列

5、阵仅由列车重力及风载(当考虑风载与列车重力共同作用于系统时)构成。直接解方程(1)，只能得出列车重力与风载作用下的系统振动响应。必须以实测的构架蛇行波或构架人工蛇行波和轨道竖向几何不平顺函数代替矩阵方程(1)左边的对应振动参数，才能解出此系统在风、列车重力与列车走行共同作用下的空间振动响应。这样，方程(1)的振动位移参数可分为k个已知参数和n个未知参数，即可写成。则方程(1)可重新组成：(2)展开（2）式，得：(3)(4)8式(4)为需划去的非独立矩阵方程。式(2)右边各项都已知，因而它是具有自由项的车—桥系统振动矩阵方程，从它解出系统空间振动响应。2.2列车安全、舒

6、适和平稳运行的评估标准桥上列车运行的安全性、舒适性及平稳性是在铁路桥梁长期使用过程中提出来的。走行安全性是指车辆在运行过程中不出现脱轨现象；舒适性则包括车辆本身的运行平稳性和旅客乘坐舒适性两个方面，其中平稳性指标是判定车辆本身的振动状况，舒适性则表明车辆机械振动对司机、旅客感觉影响的评价。在对列车走行舒适性与安全性评价指标上，国内外研究者大都用轮重减载率、脱轨系数来判断列车运行的安全性，目前国际上还没有统一的舒适度指标，至于乘坐舒适性(或运行平稳性)方面，一般用Sperling指标来判断。根据TB/T2360-93铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准、GB5599

7、-85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范，并参考历次提速试验所采用的评判标准，在车桥动力仿真分析中，列车运行安全性与舒适性(平稳性)的评定指标选取为：脱轨系数Q/P≤0.8；轮重减载率ΔP/P≤0.6；车体横向加速度不大于0.20g，车体竖向加速度不大于0.25g(客车车辆速度V≤200km/h)；车体横向加速度不大于0.50g即5.0m/s2，竖向加速度不大于0.70g即7.0m/s2(货车车辆)[4]。83桥梁自振特性分析梁的自振特性在很大程度上反映出桥梁刚度的大小，也就反映出桥梁的动力特性。基于前面所建立的有限元分析模型，采用自编软件计算出桥