高速鐵路橋墩沉降對行車性能影響的研究.pdf

1、自2008年京津城際鐵路開通以來，中國高速鐵路得到了飛速的發(fā)展，作為重要基礎(chǔ)設(shè)施之一的橋梁結(jié)構(gòu)也隨之得到了廣泛應(yīng)用。與此同時，隨著中國地下水、石油、天燃?xì)獾荣Y源的開采，中國很多地區(qū)均出現(xiàn)了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沉降現(xiàn)象，且沉降范圍也越來越大。在這種情況下，橋墩沉降在所難免。橋墩一旦發(fā)生沉降，將直接導(dǎo)致鋪設(shè)在橋面上的軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形并最終導(dǎo)致軌道平順性變差，當(dāng)列車以高速通過時，其動力學(xué)性能將會受到影響，嚴(yán)重時還可能會威脅到行車安全性。因此，為了保證高

2、速列車的安全平穩(wěn)運(yùn)營，本文分析了橋墩沉降對高速列車-軌道-橋梁系統(tǒng)的影響，并從動力學(xué)的角度給出了高速鐵路橋墩沉降的安全控制值，以期為高速鐵路的前期設(shè)計(jì)及后期運(yùn)營維護(hù)提供一定的理論依據(jù)。
　　首先，基于列車-軌道-橋梁動力相互作用理論，建立了考慮橋墩沉降的高速列車-無砟軌道-橋梁耦合動力學(xué)模型。模型中包括高速列車、無砟軌道以及橋梁三個子模型，并采用完善的空間輪軌相互作用關(guān)系和橋軌相互作用關(guān)系將其進(jìn)行連接。其中，車輛結(jié)構(gòu)采用35自由度

3、的空間車輛模型，并采用多體動力學(xué)理論進(jìn)行建模。軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)則采用有限元方法進(jìn)行模擬，軌道類型考慮了國內(nèi)高速鐵路中常用的無砟軌道形式，橋梁結(jié)構(gòu)著重考慮不同跨度的簡支箱梁。橋墩沉降在本模型中共有兩種考慮方式:①考慮為輪軌界面處的附加軌道不平順;②考慮為墩底的豎向位移約束。
　　其次，基于Fortran開發(fā)平臺編制了車輛及輪軌相互作用的計(jì)算程序，并在ANSYS平臺中建立了不同類型軌道-橋梁有限元模型，通過編制兩平臺之間的接口程序?qū)?/p>

4、現(xiàn)了輪軌力及輪軌相對位移等數(shù)據(jù)的傳遞，保證了計(jì)算的同步性。鑒于本模型采用了兩個計(jì)算平臺進(jìn)行聯(lián)合仿真，因此在數(shù)值求解時采用了顯—隱式混合積分的方法。之后，采用商業(yè)軟件UM、專業(yè)軟件TTBSIM、以及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分別對該模型進(jìn)行了全面的驗(yàn)證。
　　然后，采用解析方法，在分析橋墩沉降如何影響鋼軌變形的基礎(chǔ)上，針對不同無砟軌道-橋梁系統(tǒng)，推導(dǎo)了各系統(tǒng)中橋墩沉降與鋼軌變形的映射關(guān)系。與此同時，建立了相應(yīng)的有限元模型，并與推導(dǎo)的解析表達(dá)式進(jìn)行

5、了對比驗(yàn)證。
　　在上述研究工作的基礎(chǔ)上，建立了單墩沉降模型和多墩沉降模型，分別分析了橋墩沉降對不同無砟軌道-橋梁系統(tǒng)靜態(tài)特性以及高速列車通過沉降區(qū)域時系統(tǒng)動力特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，橋墩沉降會加劇軌道結(jié)構(gòu)變形及層間相互作用;長跨度橋梁能減弱橋墩沉降帶來的影響;對于雙塊式無砟軌道系統(tǒng)以及單元板式無砟軌道系統(tǒng)，橋墩沉降主要影響車體垂向加速度以及輪重減載率等車輛動力學(xué)指標(biāo)，而對于縱連板式無砟軌道，橋墩沉降除影響上述動力學(xué)指標(biāo)外，對軌

6、道板和底座板等混凝土部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力也會產(chǎn)生巨大的影響;在不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的前提下，縱連板式軌道比另外兩種軌道更利于減弱沉降對系統(tǒng)的影響。除此之外，通過對兩種橋墩沉降模型的對比，建議多墩沉降模型用于求解連續(xù)多橋墩不均勻沉降條件下的結(jié)構(gòu)變形及系統(tǒng)動力學(xué)特性，而單墩沉降模型則更適用于橋墩沉降對系統(tǒng)影響的規(guī)律性分析。
　　最后，詳細(xì)考慮了影響橋梁豎向力學(xué)行為的各種因素，包括結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮和徐變效應(yīng)、列車作用、溫度效應(yīng)、以及軌道

7、不平順，分析了多因素對車軌橋系統(tǒng)的影響并在此基礎(chǔ)上提出了高速鐵路橋墩沉降安全控制值。結(jié)果表明，上述各因素對車軌橋系統(tǒng)的動力性能具有較大影響，在分析橋墩沉降安全值時，應(yīng)對其進(jìn)行綜合考慮;雙塊式無砟軌道和單元板式無砟軌道系統(tǒng)中，控制橋墩沉降安全值的動力學(xué)指標(biāo)為車體垂向加速度及輪重減載率，而對于縱連板式無砟軌道，控制指標(biāo)則為軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力;在考慮多影響因素的條件下，對于鋪設(shè)非縱連板式無砟軌道的靜定橋梁系統(tǒng)，其橋墩沉降不應(yīng)大于12.7mm;而對于