撞击荷载作用下高速铁路桥梁的动力响应及列车运行安全分析

图2 Fig.2
撞击荷载作用下的车-桥耦合动力分析模型 Dynamic analysis model of coupled vehicle-bridge vibration system subjected to collision load
长久 以 来 ，桥梁 的 振动 问题 就受 到 人 们 的关 注 。就铁路桥梁的振动而言，按照引起其振动 1.1 的原因，大体可以分成两大类四种形式：第一类是 由于风荷载、地震作用以及船舶、车辆、漂流物等 撞击桥梁引起的桥梁振动，属于外力作用产生的振 动；第 二类 是由 于 列车 在 桥梁 上运行 所引 起 的 振 动，属于车-桥系统自身产生的振动，也是桥梁正常 运营过程中不可避免的振动形式， 它是车-桥耦合振 动研究的基本问题。 对于铁路桥梁，第二类振动有时会与第一类振 动同时发生，形成风荷载作用下的车-桥耦合振动、 地震作用下的车-桥耦合振动， 以及各种撞击荷载作 用下的车-桥耦合振动，使得问题变得更加复杂。 对于运行列车作用下的车-桥耦合振动以及风、 地震荷载作用下的车-桥耦合振动， 国内外已经进行 了多年的研究，取得了相当的研究进展，研究成果 已经 在高速铁路 桥梁 的 动力 设 计 中 得到 了 广 泛 的 应用[4
第 29 卷第 12 期 2012 年 12 月
Vol.29 No.12 Dec. 2012
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ENGINEERING
MECHANICS
文章编号：1000-4750(2012)12-0101-07
撞击荷载作用下高速铁路桥梁的动力响应及 列车运行安全分析
夏超逸，雷俊卿，张 楠，夏 禾
(北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)
其严重，这在国内外已有很多研究[6
。然而对于
撞击荷载 引 起 桥梁 的 振动 和 变形 影响 列车 运行安 全的问题 仅 有 极少 的 文献提 及 [13] ， 缺少专门 的 研 究。桥墩受到撞击时，桥梁结构即使不发生塌落， 也将发生一定的振动和位移，从而影响桥上线路的 平顺性和稳定性，造成桥上行车安全问题。因此， 研究撞击荷载作 用下 桥梁 结构的 动力 响应以及 桥 上列车的行车安全，是桥梁运营安全风险评估工作 的一个重要的研究课题。
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图3 Fig.3 车辆动力分析模型 Dynamic analysis model of vehicle
(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
Abstract: A dynamic analysis model is established for a train-bridge system subjected to a collision-load. The time history curve of a floating-ice collision load is obtained by the site experiment at the Songhua River Bridge, and it is taken as an excitation load on the bridge piers. A computer code is programed. By taking a 5×32 m simply-supported single-track high-speed railway bridge with PC box girders as a case study, the dynamic responses of railway bridges subjected to a floating-ice collision and their influences on the running safety of high-speed trains are analyzed. The whole time periods of a high-speed train running on the bridge are simulated under two conditions with and without floating ice-sheet striking on the bridge piers, from which the dynamic responses such as displacements and accelerations of the bridge, and the running safety indices such as derailment factors and offload factors of the train vehicles are investigated. The results show that the collision of floating ice has an obvious effect on the dynamic responses of the bridge and the train vehicle. The collision action obviously increases the dynamic responses of the bridge and the running vehicles. When the peak of the ice collision load reaches to 4000 kN, the offload factor of a running vehicle has exceeded 0.6, the allowance value in the Chinese code. The collision load should be treated as an important force considered in the dynamic design of high-speed railway bridges. Key words: bridge engineering; high-speed train; collision load; dynamic response; running safety
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收稿日期：2011-05-16；修改日期：2011-06-27 基金项目：国家自然科学基金项目(51178025)；教育部博士点基金项目(20100009110017)；北京交通大学优秀博士生科技创新基金项目(2011YJS262) 通讯作者：夏超逸(1983―)，男，北京人，博士生，从事车-桥耦合振动研究(E-mail: xiacy88@163.com). 作者简介：雷俊卿(1956―)，女，河南人，教授，博士，博导，从事大跨度桥梁研究(E-mail: lei_jq@126.com)； 张 夏 楠(1971―)，男，河南人，教授，博士，博导，从事车-桥耦合振动研究(E-mail: nanzhang@263.net)； 禾(1951―)，男，北京人，教授，硕士，博导，从事桥梁振动研究(E-mail: hxia88@163.com).
DYNAMIC RESPONSE OF HIGH-SPEED RAILWAY BRIDGE SUBJECTED TO COLLISION LOAD AND TRAIN RUNNING SAFETY ANALYSIS
XIA Chao-yi , LEI Jun-qing , ZHANG Nan , XIA He
―5]
列车模型 列车子系统模型由多节车辆组成。每节车辆模
型都是由一个车体、两个转向架和四个轮对组成的 多自由度体系，如图 3 所示。
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摘
要：建立了“列车-桥梁-撞击荷载”系统动力分析模型，通过在松花江大桥进行的现场试验，得到了流冰撞
击力时程，施加到桥墩上作为系统的激励。编制了分析程序，以高速铁路 5×32m 预应力混凝土简支单线箱梁桥为 算例，通过计算机模拟，对流冰撞击作用下桥梁结构的动力响应及桥上高速列车的运行安全问题进行了研究。分 析了在有流冰、无流冰撞击作用两种情况下，桥梁结构关键部位的位移和加速度响应，以及桥上高速运行列车的 车辆脱轨系数和轮重减载率等行车安全指标。计算结果表明：流冰撞击作用对桥梁结构以及高速列车的动力特性 具有较大的影响，撞击作用使桥梁和车辆的动力响应大幅度增大。当流冰撞击荷载峰值达到 4000kN 时，车辆减 载率已经超过了 0.6 的限值。撞击荷载作为一项特殊的作用力，在高速铁路桥梁的动力设计中应予以重视。 关键词：桥梁工程；高速列车；撞击荷载；动力响应；运行安全 中图分类号：TU997; O327 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.05.0299
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―12]
建在河流上的桥梁墩台会受到船舶、漂流物的 撞击， 寒冷地区还会受到流冰的撞击(图 1)， 跨越公 路、铁路的桥梁会受到车辆的撞击。尽管碰撞事故 发生概率很低，不过一旦发生，其破坏是惊人的。 据统计，在 1960 年~1993 年的 33 年中，全世界因 船舶撞击而导致损毁的大型桥梁达 29 座，死亡人 数超过 300 多人。 在我国， 船撞桥事件也频繁发生。 如武汉长江大桥自 1957 年建成以来，共发生了 70 多起船撞事故，严重的碰撞曾造成京广铁路中断几 十小时。 国内外汽车、 火车撞击桥梁的实例也很多。 如 1998 年 6 月 3 日，德国由慕尼黑开往汉堡的高 速 列车 脱轨 后 撞 断 跨 越 铁路的 桥梁， 致 使 梁跨 坠 落，造成惨重的损失。
1 撞击荷载作用下车-桥系统动力 分析模型
撞击荷载作 用下 列车 - 桥梁动力 相互 作 用分析 模型是由撞击力模型、列车子系统模型、桥梁子系 统模型组成的系统，如图 2 所示。
车辆 辆振动 荷载 车
撞击力荷载
桥梁振动
图1 Fig.1
[1―4]
流冰撞击铁路桥梁
Floating ice-sheet acting on a railway bridgeHale Waihona Puke Baidu
力的计算仍然停留在静力范围内，其在用时程分析 法计算撞击力作用下车-桥梁系统动力响应时， 需要 撞击荷载的时程。通常有两种方法：第一种是在现 场实测的方式采集撞击力数据[8 数学模型模拟撞击力 1.4
[6,11―12]
―10]
；第二种是通过
。本文通过现场试验，
桥梁受到撞击时，可能会引起支座与主梁的错 位，使伸缩缝的变形不协调甚至断裂，给结构造成 安全隐患，严重时会直接导致桥梁的塌落，后果极
为了简化分析过程，同时保证计算精度，对模
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型做如下假定： 1) 车体、转向架和轮对均视为刚体，即忽略它 们在振动中的弹性变形。 2) 忽略列车各节车辆之间的连接， 因此不同车 辆之间的振动不存在耦合关系。 3) 转向架和轮对之间， 车体和转向架之间的连 接采用线性弹簧和粘滞阻尼器悬挂系统。 根据以上几条假设，每个车体和转向架拥有横 摆(y)、沉浮(z)、侧滚(q )、点头(j )和摇头(y )等 5 个自由度，而每个轮对有横摆、侧滚和沉浮 3 个自 由度。因此，拥有 2 个转向架和 4 个轮对的高速列 车模型，每节车辆有 27 个自由度。 车辆系统的运动方程可以由下式表示： && + C X & Mv X v v v + K v X v = Fv (1)