极端温度下高速铁路钢管混凝土拱桥行车安全.pdf
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1、文章编号-0050.-07NO.3(Ser.294)JOURNALOF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY第3期(总2 94)Mar2023程报学道铁2023年3月极端温度下高速铁路钢管混凝土拱桥行车安全勾红叶1*苏震乾王君明2袁蔚37陈泽宇4(1.西南交通大学,成都6 1 0 0 31;2.四川交大工程检测咨询有限公司,成都6 1 0 0 31;3.中铁二院工程集团有限责任公司,成都6 1 0 0 31;4.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉430 0 6 3)摘要:研究目的:为研究温度荷载作用下桥梁结构产生的变形对桥上行车安全性的影响,以成贵高铁某钢管混凝土拱桥为研究
2、对象,基于ANSYS建立大跨桥梁轨道精细化有限元模型,分析不同温度荷载作用下结构变形规律。在此基础上,将桥梁轨道结构有限元模型导人SIMPACK中进行联合仿真,构建列车-轨道桥梁耦合振动分析模型,最后从列车运营安全性与舒适性方面讨论不同温度荷载作用和不同车速下列车动力响应指标的变化规律研究结论:(1)桥梁上挠温致变形引起的轨道附加不平顺比下挠更不利;(2)组合温度作用下,行车安全性指标仅轮重减载率出现超限,建议将其作为高速铁路桥上行车安全的主要评价指标;(3)温度梯度是导致轮重减载率出现超限的重要原因,实际工程中分析温度作用对列车行车安全的影响时,应考虑温度梯度的作用;(4)垂向Sperlin
3、g指标对温度作用十分敏感,为保障行车舒适性,列车在极端温度条件下行驶时应控制车速;(5)本研究成果可为钢管混凝土拱桥的行车安全性评价提供参考。关键词:钢管混凝土拱桥;温致变形;轨道不平顺;列车轨道桥梁系统;行车安全中图分类号:U213.2文献标识码:ARunning Safety of High-speed Railway Concrete-filled Steel Tube ArchBridge under Extreme TemperatureGOU Hongye,SU Zhenqian,WANG Junming,YUAN Wei?,CHEN Zeyu*(1.Southwest Jiaot
4、ong University,Chengdu,Sichuan 610031,China;2.Sichuan Jiaotong University EngineeringTesting Consulting Co.Ltd,Chengdu,Sichuan 610031,China;3.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd,Chengdu,Sichuan 610031,China;4.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd,Wuhan,Hubei430063,China)Abstr
5、act:Research purposes:In order to study the influence of the deformation of bridge structure under temperatureload on the running safety on the bridge,taking a concrete-flled steel tube arch bridge of Chengzhou-Guizhou high-speed railway as the research object,a refined finite element model of long-
6、span bridge-track is established based onANSYS,and the deformation law of structure under the action of different temperature load is analyzed.On this basis,the finite element model of bridge-track structure is imported into SIMPACK for co-simulation,and the train-track-bridge coupling vibration ana
7、lysis model is established.Finally,the variation rules of dynamic response indexes underdifferent temperature loads and different speed are discussed from the aspects of train operation safety and comfort.*收稿日期:2 0 2 1-1 0-2 9基金项目:国家自然科学基金项目(52 1 7 2 37 4);四川省杰出青年科技人才项目(2 2 JCQN0124);高速铁路轨道技术国家重点实验室
8、开放基金(2 0 2 1 Y J0 58);京沪高速铁路有限公司科技研究项目重点课题(2 0 2 0 1 3)*作者简介:勾红叶,1 98 3年出生,女,教授,博士生导师。勾红叶王君明等:极端温度下高速铁路钢管混凝土拱桥行车安全苏震乾第3 期51Research conclusions:(1)The additional track irregularity caused by the upward deformation of the bridge is moreunfavorable than the downward.(2)Under the effect of combined tem
9、perature,only wheel load reduction rate exceedsthe limit of driving safety index,which is suggested to be taken as the main evaluation standard of running safety for high-speed railway.(3)Temperature gradient is an important reason for wheel load reduction rate exceeding the limit,andthe effect of t
10、emperature gradient should be considered when analyzing the effect of temperature on train running safety inpractical engineering.(4)The vertical Sperling index is very sensitive to the effect of temperature,and in order toensure driving comfort,the speed of the train should be controlled when runni
11、ng under extreme temperature conditions.(5)The research results can provide reference for the driving safety evaluation of concrete-filled steel tube archbridge.Key words:concrete-filled steel tube arch bridge;temperature deformation;track irregularity;train-track-bridgesystem;running safety1研究背景随着“
12、一带一路”和高速铁路“走出去”等国家战略的实施,我国中西部高速铁路建设发展迅速,预计2025年全国铁路运营里程将达到1 7 万公里左右,其中高铁5万公里,桥梁平均占比高达6 0%。钢管混凝土拱桥充分发挥了钢材与混凝土材料的优势性能,核心混凝土三向受压,抗压性能好,被广泛应用于地势复杂的艰险西部山区。高海拔、高寒、高原等复杂环境中的高速铁路桥梁,在极端日温差条件下极易产生温致附加变形,往往会超过活载引起的结构变形2 ,且上下往复、时空多变,将对轨道平顺性和铁路安全运营造成较大影响。已有研究表明,温度作用下拱桥产生较大竖向变形,导致轨道静态平顺性指标超过30 0 m弦长验收标准3,不满足行车安全舒
13、适性要求。翟婉明院士4撰文指出:“桥梁温致变形对轨道平顺性和行车安全性的影响是今后重要课题之一,在研究车辆轨道桥梁耦合系统动力性能时,温度作用的影响必须考虑。”在拱桥温致变形对行车安全的影响方面,翟建平等5 基于某高速铁路大跨拱桥轨道实测高程数据,得出温度作用下梁体的竖向变形对桥面竖曲线影响较小。Zhao等6 验证了某钢桁架拱桥主梁挠度的温度敏感性,并通过车桥耦合动力模型分析了主梁温致变形对列车活载挠度的影响,确定了温度与列车耦合作用下主梁挠度报警阈值。在钢管混凝土拱桥行车安全方面,韩艳等7 基于ANSYS分析了某钢管混凝土拱桥在两轴车辆作用下的车桥耦合振动响应,发现行车速度会对桥梁冲击系数产
14、生影响。韩兴等【8 结合ANSYS和SIMPACK对某大跨钢管混凝土拱桥进行车一桥耦合振动仿真分析,验证了桥上行车安全性。然而,针对极端温度作用下的高速铁路大跨钢管混凝土拱桥温致变形引起的轨道附加不平顺与桥上行车安全问题的研究还比较少,巫待完善。本文以成贵高铁某钢管混凝土拱桥为背景,利用ANSYS和SIMPACK联合仿真建立高速铁路列车轨道桥梁系统耦合模型,研究大跨度钢管混凝土拱桥温致变形对列车过桥时脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力、车体振动加速度、Sperling指标等车辆动力学指标影响规律,对于极端温度条件下高速铁路桥上行车安全评价和安全运维具有重要意义。2基于SIMPACK和ANSYS联
15、合仿真的车一轨一桥耦合振动模型2.1工程概况成贵高铁某钢管混凝土拱桥设计时速为2 50 km,主桥结构为主跨2 40 m的上承式钢管混凝土提篮拱,桥面全长2 54m,主梁采用分离的单箱双室钢箱梁,拱圈上下弦分别由两肢钢管和钢板构成哑铃形等截面,桥上铺设有作轨道。其桥址处于典型的亚热带季风气候中,呈现出明显的低纬度、高海拔、高原山区气候特征,桥梁总体布置如图1 所示,2.2桥梁一轨道有限元模型基于ANSYS建立了某钢管混凝土拱桥的空间仿真计算模型。采用Solid实体单元和Shell壳体单元分别建立混凝土主梁与钢箱。采用Beam梁单元建立桥墩的立柱、横撑、斜撑、盖梁和轨道结构。拱肋采用Beam梁单
16、元模拟,建模时采用双单元法,将钢材与混凝土模拟为两种物理特性不同的构件,考虑两者共节点,利用Plane平面单元对组合截面进行划分,分别定义钢材和混凝土的材料属性。桥梁和轨道各构件参数如表1 所示。2023年3月程报学道铁52421.15421.154 21.15截面形式:哑铃式5240图1某钢管混凝土拱桥总体布置图(单位:m)表1桥梁与轨道构件参数弹性模量线膨胀系数构件参数泊松比/MPa/(1/)桥梁构件主梁混凝土3.45e41.0e-50.2主梁钢材2.06e51.2e-50.3桥墩混凝土3.25e41.2e-50.3拱肋钢材2.06e51.2e-50.3拱肋混凝土3.45e41.0e-50
17、.2桥墩横梁及3.25e41.2e-50.3斜撑混凝土拱肋钢弦管2.06e51.2e-50.3轨道构件钢轨2.06e51.2e-50.3道床1.20e21.0e-60.25枕木3.60e41.0e-60.22.3列车一轨道一桥梁耦合振动模型利用SIMPACK建立了CRH2型列车模型,将AN-SYS中建立的桥梁轨道有限元模型通过SIMPACK中FEMBS接口实现连接,再采用弹性体法与列车模型进行耦合。轮轨接触关系定义依据Hertz弹性接触理论及Kalker蠕滑理论。对所建立的列车轨道桥梁耦合振动分析模型进行名义力(Preload)计算,模型初始最大残余加速度为4.56 1 0-7 m/s,小于0
18、.0 1 m/s,模型初始平衡。同时,将ANSYS与SIMPACK的模态分析结果做对比,两者前1 0 阶模态频率误差率小于0.1%,证明模型导人正确。列车-轨道桥梁耦合振动模型如图2所示。图2列车一轨道一桥梁耦合振动分析模型3高速铁路桥上行车安全性3.1温度荷载计算工况的确定某钢管混凝土拱桥桥址处某月平均气温1 5,当地极端最高气温39.4,极端最低气温-1 4.2。本节设置2 个组合工况对桥上行车舒适性与安全性进行研究,车速为2 50 km/h。模型基准温度取1 5,在施加主梁横向及竖向温度梯度与拱肋温度梯度的基础上,工况1 通过整体升温2 5,模拟40 极端高温,工况2 通过整体降温35模
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