大跨度铁路桥梁车桥动力响应理论分析及试验研究

王鹏

王鹏

中铁港航局集团有限公司桥梁分公司

摘要：随着科学技术的发展，以及施工改造技术的进步和先进材料的应用，使得铁路桥梁的发展日趋先进化和现代化。大跨度铁路桥梁的应用也越来越广泛，这也导致与其相关的车桥动力响应理论也迫切需要得到应用和改进。与此同时，与大跨度铁路桥梁相关的风致振动问题也亟待相关研究者的解决。本文则从大溪沟车站桥出发，系统的分析了其桥梁动力响应理论，并以其试验研究结果为据，提出了相关的改进和提升建议，希望能给相关研究者以启迪和建议。

关键词：现代施工技术空间理念大溪沟车站桥舒适合理

重庆市位于中国西南部地区，地势较高，因此重庆市的轨道交通方式主要为北至重庆江北国际机场，横跨重庆主城6区以及长江、嘉陵江两江的跨座式单轨交通,多数线路高架,其中还有数座车站高架。跨座式单轨道交通通的车辆是跨骑于轨道梁上行驶，车辆上部乘坐乘客的厢体与一般轨道交通的车辆构造基本相同，只是车辆根据客运要求选定的尺度大小有些区别。由于车辆采用充气橡胶车轮，制约了其承载力，所以在此关键点上，应该尽量减轻其车体重量，故一般的车站桥梁都采用铝合金结构进行焊接。而此外，由于该桥梁为车站桥，所以其动力性能以及车辆途径该桥梁时车上人员的舒适性,是设计时应考虑的两大关键点。所以，本文着重选择了重庆快速轨道交通二号线的大溪沟车站桥进行动力性能分析和响应理论分析及研究。

一、有关大溪沟车站桥的相关结构介绍

大溪沟站的结构为高架车站，主要由2条股道和2座侧式站台构成。大溪沟车站桥的布局则是由3个T形墩柱、8个门形墩柱、站台、跨轨道天桥、楼梯和轨道梁组成。同时，其站厅的跨径为6×10m，故全长为60m。与此相关的轨道梁则有10跨，其相应的轨道梁有10跨径由4×10m+2×20m+4×10m组成,故轨道梁全长为120m。除此之外，该站厅采用空间格局的方式进行隔离，利用相关轨道的交错达到空间隔离的效果。在结构离散中则考虑了轨道梁和桥墩横梁进行连接，也取得了很好的效果。

二、大溪沟的相关模型介绍

（一）荷载结构模型

??当一个车辆通过桥梁，将导致振动系统的振动。与该振动系统主要由车辆，铁路和桥梁三个主要组件组成。由于车辆相对于轨道系统和桥梁所产生的振动频率，其自身产生的振动频率高得多，并且因此振动的研究通常忽略轨道本身。在一般的研究中，能够简化车辆模型对负载柱，将其简化为荷载结构模型，这样就可以忽略车辆质量，将其减少到集中车辆的浓度，可考虑此柱浓度引起的桥梁结构振动的恒定速度。载列模型考虑了车辆的轴距和车辆排列，以及车长等因素对桥梁振动轴载的作用。

当车辆通过车辆桥梁的结构时，即使静力所引起的荷载结构变化也会引起内力和时间的变化。这种由于静力移动而引起的静态负荷振动的结构发生变化被称为静态脉冲变形。当一列负荷变化周期和系统的结构振动周期满足一定的关系，该系统的振动结构将达到峰值。

当车辆的行驶表面很光滑，并且横向两车在同一圆形轨道梁行进并行时，其车辆桥梁结构的振动是从单轨线振动，这与一般铁路桥梁所产生的振动不同。这时所产生的振动主要是由于轨道崎岖不平以及车辆多产生的冲击力。而单轨车站桥梁所产生的振动则主要是由荷载结构的移动造成。

而重庆轻轨所采用的桥梁结构是跨座式单轨车辆简化的荷载结构模型。当一列火车由8辆车厢构成，当其满员时，其强度重力的车辆中心距甲板1.3米。而在计算的过程中，对于其他因素的值的计算如下：车辆的进站出站的制动力和启动力所取系数为考虑车辆的制动力系数被取为0.15。与此同时，车辆的横向摇摆力横向载荷因子考虑到0.25，车辆的上冲击的冲击力考虑为0.286[20/（50+L），其中L为计算跨度。这些数值，都是根据所选择的设计技术标准的设计规范和建筑设计单元结合在一起。

与此同时，荷载结构模型也可采用有限单元的方法进行解决，该方法对于不同形式相同的结构的建构也有通用性，可以建立相应的公式，并能在一个交叉的形式剖面结构上处理具有复杂性的结构。

（二）振动舒适度标准

随着生活水平的提高，人们对于车辆的驾驶环境越来越挑剔，其振动舒适性的问题也愈发重要。目前，人们对于舒适的舒适性指标的评价标准也有很多，但目前还没有对国际和国内的标准进行统一。由车辆进站和出站所导致的最大移动位置也只有1.5毫米左右。该结果表明，大溪沟车站桥的结构合理，具有足够有效的刚度，更好的体现了设计结构的整体性，在每一个位置上所产生的振动都能恰好满足人体的舒适度要求。本研究是针对在车辆振动时引起的机体支撑表面之后穿过人体后桥站（即全身振动）通过综合评价人体舒适度的问题，进行合理有效的演示。

据日本国家铁路的舒适度标准，在大溪沟车站桥站厅的各个部分和楼梯所处的舒适度系数为1.5或更低（即非常好）如下图所示，除了乘客的舒适度，横向方向在现场以及在境外四面八方周围其他舒适度都非常好，大溪沟乘客的舒适车站桥能够较好地满足要求。

图1日本国营铁路舒适度标准

（三）对于计算结果的有效分析

通过计算可以得出，在考虑铁列车出站不同的上行进出站和下行进出站的条件，以及出站的上下行进出站的各种情况，其速度情况为40,50,60,70,80km/h，共5种速度情况。根据上行进出站、下行进出站以及两种情况同时发生三种不同的情况，总的计算总数量为3×5=15，因为在车辆的入口和出口是一个由降速、停止然后加速的过程，车辆进入和离开车站的瞬时速度的计算速度。

1、车辆桥梁所特有的振动效应

由于桥的振动特性西沟站进行分析，以计算出的前10频带所固有的频率。其中第1到4频带的横向振动;第5频带结构为纵向，故其振动也是纵向发生的；6?10的频带主要为横向振动的结构。?

（1）自振特性

?对大溪沟车站桥的自振特性进行分析,计算了前10阶的自振频率。其中第1~4阶为门形墩柱的靠山侧墩的横向振动;第5阶为结构的纵向振动;第6~10阶主要是结构的横向振动,其中第10阶还包括轻微的水平扭转。

（2）车辆桥梁振动速度分析研究

根据振动分析程序开发的车桥，结构在现场计算，站厅和楼梯处的纵向，横向和纵向加速度最大值的位置都是经过计算的。同时，也对各个方向的最大加速度值进行了分析。其中，它是在对应于所获得的加速过程的基础上，所有节点（站、车站大厅或楼梯）的各个部分的最大加速度的分析。

根据结果也得出，其结构的最大加速值是当站台层与横向、纵向、竖向三个方位时,当而方位位于竖向时，其数值最大，为0.031g。最大纵向加速值为站台中部，最大横向加速值为站台中部，最大竖向加速值为站台端部。

同时，我们也了解到,结构的纵向加速值最大,这是由车辆进站、出站时所产生的制动力和启动力所引起的,其产生的最大动位移值大约为1.5mm,这也表示荷载结构在车辆移动时各个方位的刚度是足够并且有效的。而从加速度和位移的时程曲线上看,随着车辆的出站,结构振动将很快地衰减,其振动情况也较为正常。

三、结论和启示

如今，悬索桥和斜拉桥以其优美而壮丽的艺术造型和巨大的跨越能力而越来越受到人们的重视。在这一背景和条件下，车站桥梁的发展也随之越来越广泛和深入，大跨度铁路桥梁逐渐以其独有的魅力和优势开始进入大众的视野。而我国的相关研究在这方面也较为欠缺，相关理论和实例也需要继续加以应用和开发，因此需要相关研究者更多的钻研和努力。

参考文献：

[1]单德山.车桥耦合振动数值模拟及软件实现[J];西南交通大学学报(自然科学版);1999年06期

[2]施洲.钢管混凝土劲性骨架提篮拱桥动力试验及车桥耦合振动分析[J];铁道学报;2006年04期