湖北江汉铁路有限责任公司 湖北武汉 430056
摘要：本文以潜江铁路支线岳口汉江特大桥为工程背景，采用数值模拟法对大跨径独塔斜拉单线铁路桥风车桥耦合分析。车体系统模型以刚体动力学法建立，桥梁系统模型以有限元法建立，从列车运行安全性、 舒适性及运行平稳性指标，分析车速在50～80Km/h范围内，在0～35m/s风速条件下的行车安全状况。该分析为桥风车耦合振动方面的研究提供了一定参考依据。
关键词：独塔斜拉；振动模型；风车桥；耦合；行车安全
随着我国铁路建设的发展，铁路行车速度不断提高，荷载不断加大，列车在桥梁上行驶时由于桥梁产生的振动导致桥梁结构的安全性、动力承载力和使用可靠性等正在成为人们广泛关注的重要问题。车桥耦合振动是一个涉及桥梁工程学、车辆动力学、轨道力学、风工程学、地震工程学、碰撞工程学以及振动控制等多个工程科学领域的复杂研究体系。随着计算机的高速发展，各种数值方法成为模拟车桥耦合振动问题的一个非常有效工具，能有效、便捷地对桥风车耦合振动进行分析、论证，在不同风速、车速情况下对行车安全性进行初步判断。
1.工程概况
新建潜江铁路支线岳口汉江特大桥为260m单线大跨度独塔斜拉桥，在铁路工程项目中首次采用，是目前国内最大跨度的单线独塔斜拉桥。孔跨布置为（32+50+93+260+38）m，主梁为钢箱梁与混凝土箱梁组合的混合梁结构。主跨260m范围为钢箱梁，其它主梁采用混凝土箱梁，索塔采用钻石形桥塔，结构体系为半漂浮体系。桥面以上塔高119.5m，高跨比1/3.695，斜拉索为空间双索面，呈扇形布置。
2.列车桥梁时变系统空间振动分析模型
车辆（机车）空间振动分析模型如图5-1所示，分析中采用以下假定：
（1）车体、转向架和轮对均假设为刚体；
（2）不考虑机车、车辆纵向振动及其对桥梁振动与行车速度的影响；
（3）轮对、转向架和车体均作微振动；
（4）所有弹簧均为线性，所有阻尼按粘滞阻尼计算，蠕滑力按线性计算；
（5）沿铅垂方向，轮对与钢轨密贴，即轮对与钢轨的竖向位移相同；
这样，车体空间振动有：侧摆、侧滚、摇头、点头、浮沉等5个自由度；每个构架有侧摆、侧滚、摇头、点头、浮沉5个自由度；每个轮对有侧摆，摇头等2个自由度，故每辆四轴车辆共有23个自由度，每辆六轴机车共有27个自由度。客车车辆及机车均按二系弹簧计算。
图5-1 车辆（机车）空间振动分析模型
立面图 轴视图
图5-2 岳口汉江特大桥有限单元划分示意图
3.桥梁空间振动分析模型
桥梁的主梁采用梁段有限元法建模，其他构件均采用空间梁元建模，采用m法考虑桩土共同作用，所有构件之弹性模量E和泊桑比μ按现行桥规取值。计算方案有限单元划分示意图见图5-2。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，建立桥梁刚度、质量、阻尼等矩阵。
4.列车安全、舒适和平稳运行的评估标准
列车安全运行系指车轮不脱轨。舒适和平稳运行则表明车辆（包括机车）振动不太激剧，不引起乘客和司机的不安全感，车辆弹簧变形不致太大，装载的货物具有运输安全性。车辆振动的平稳性与舒适性是有区别的。平稳性指标是判定车辆本身的振动情况，舒适度则表明车辆机械振动对司机、旅客感觉影响的评价。
（1）列车运行安全性与舒适性（客车）、平稳性（货车）评价指标
采用脱轨系数、轮重减载率来判断列车运行安全性，用Sperling指标来判断乘坐舒适性（或运行平稳性）。根据《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准TB/T2360-93》、《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范GB5599-85》，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）的评定指标选取如下：
a.安全性指标
脱轨系数：≤0.8； 轮重减载率：≤0.6
b.乘坐舒适性（对客车车辆）
车体振动加速度：竖向≤ 0.25g；横向≤ 0.20g（中速：≤ 200km/h）
竖向≤ 0.13g；横向≤ 0.10g（高速：≥ 200km/h）
舒适性评价指标：优 良 < 2.50
良 好 2.50～2.75
合 格 2.75～3.00
c.运行平稳性（对货车车辆）
车体振动加速度：≤ 0.70g=7.0 m/s2（半峰值，竖向）
≤ 0.50g=5.0 m/s2（半峰值，横向）
平稳性评价指标：优 良 < 3.50
良 好 3.50～4.00
合 格 4.00～4.25
d.机车运行平稳性
车体振动加速度：≤ 0.365g=3.65 m/s2（半峰值，竖向）
≤ 0.245g=2.45 m/s2（半峰值，横向）
平稳性评价指标：优 良 < 2.75
良 好 2.75～3.10
合 格 3.10～3.45
（2）桥梁动力响应限值
a. 桥梁竖向振动加速度限值：0.35g=3.5m/s2（半幅、有碴轨道）。
0.50g=5.0m/s2（半幅、无碴轨道）。
b. 桥梁横向振动加速度限值：0.14g=1.4m/s2（半幅）。
5.计算结果
根据前述计算模型与计算原理，本报告对全桥分析模型当两种车型（C62货车）通过桥梁时的风—车—桥系统空间动力响应进行了计算。
表5-1 列车编组及计算工况一览表
依据车桥耦合振动分析结果，各工况下的桥梁振动和列车运行安全性和舒适性指标最大值汇总见下表：
表5-2 岳口汉江特大桥风—车—桥动力分析——桥梁响应最大值汇总表
表5-3 岳口汉江特大桥风—车—桥动力分析——列车响应最大值汇总表
表5-4 岳口汉江特大桥车桥动力分析评价结果汇总表
6.结论及建议
根据上述岳口汉江特大桥-独塔斜拉桥方案动力特性及风—车—桥系统耦合振动计算与分析结果，均可得出如下分析结论：
（1）在无风行车条件下：
当货物列车（C62货车）在50～80km/h速度范围内通过桥梁时，均可满足列车行车安全性和桥梁安全性的要求。该速度范围内，货车运行平稳性达到“良好”标准。
（2）当桥面平均风速不高于20m/s时：
当货物列车（C62货车）在50～80km/h速度范围内通过桥梁时，均可满足列车行车安全性和桥梁安全性的要求。该速度范围内，货车运行平稳性达到“良好”标准，故可畅通运行。
（3）当桥面平均风速达到25m/s时：
当货物列车（C62货车）在50～80km/h速度范围内通过桥梁时，均可满足列车行车安全性和桥梁安全性的要求。该速度范围内，货车运行平稳性达到“合格”标准，故也可通行。
（4）当桥面平均风速达到30m/s时：
当货物列车（C62货车）在50～80km/h速度范围内通过桥梁时，大部分工况下列车的脱轨系数或轮重减率超标，不满足行车安全性要求，故应禁止通行。
（5）当桥面平均风速达到35m/s时：
当货物列车（C62货车）在50～80km/h速度范围内通过桥梁时，各工况下列车的脱轨系数或轮重减率超标，不满足行车安全性要求，故应禁止通行。
综上所述，岳口汉江特大桥-独塔斜拉桥方案具有良好的动力特性及列车走形性，在无风条件下列车通过桥梁时能满足安全性和舒适性的各项要求；在强风作用下列车通过桥梁时，上述风速阀值基本上达到了日本及我国铁路部门实施的强风时列车运行管制规程未设置挡风墙的标准，说明该桥在强风作用下对列车走形性的影响不会成为全线的控制因素。
参考文献
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论文作者:胡广
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/26
标签：桥梁论文; 列车论文; 汉江论文; 安全性论文; 平稳论文; 范围内论文; 车辆论文; 《基层建设》2019年第11期论文;