桥墩不均匀沉降与梁体徐变上拱对高速铁路行车安全的影响研究

摘要

中国高速铁路的发展已经从大规模建设进入了长期安全稳定运营阶段。受特殊地域与复杂环境影响，高速铁路桥梁在墩台沉降、混凝土收缩徐变、温度作用和地震荷载等作用下不可避免地发生多种桥梁附加变形，进而影响轨道平顺性与行车安全。本文选取CRH2型高速列车、6跨32m等跨布置的高速铁路简支梁桥和CRTSⅠ型单元板式无砟轨道结构为研究对象，基于多体系统动力学与有限元联合仿真方法建立了高速列车－桥梁耦合振动模型，采用桥梁结构竖向变形与轨面几何形态通用映射解析模型获取的轨道附加变形与轨道随机不平顺叠加作为系统激励，深入研究了桥墩不均匀沉降、梁体徐变上拱及二者组合效应对高速列车－桥梁系统动力响应的影响机理和变化规律，并基于高速列车运行安全性与舒适性要求，提出桥墩不均匀沉降及梁体徐变上拱阈值，主要研究内容及结论如下： （1）在综述高速铁路桥梁附加变形对高速行车安全影响的国内外研究现状的基础上，指出现有研究中存在的问题，阐明研究桥墩不均匀沉降、梁体徐变上拱及二者组合效应对列车－桥梁系统动力响应的影响规律，提出桥墩不均匀沉降与梁体徐变上拱阈值的必要性。 （2）在阐述车－桥耦合振动理论模型的基本假定及动力学方程基础上，基于多体动力学软件SIMPACK与通用有限元软件ANSYS联合仿真，建立了包含31个自由度的CRH2型高速列车模型和高速铁路6跨32m等跨布置的简支梁桥空间有限元模型，定义了考虑法向上的Hertz弹性接触理论和切向上的Kalker线性蠕滑理论的轮轨接触关系，采用三角级数法拟合生成德国低干扰轨道随机不平顺。依托宜万铁路狮子口大桥主桥动载试验，对比分析了桥梁自振特性与梁体跨中动挠度的计算值与实测值，验证了车－桥耦合振动模型的有效性和可靠性。 （3）基于考虑轨道层间结构几何形位交互影响及变形协调效应的桥梁结构竖向变形与轨面几何形态通用映射解析模型，计算得到桥墩不均匀沉降、梁体徐变上拱及二者组合效应下映射至轨面的附加变形。探究了轨面几何形态的变化趋势和发展规律，叠加轨面附加变形与轨道随机不平顺获取车－桥系统的激扰源。 （4）选取了单墩沉降、单墩相对上抬、两相邻桥墩沉降以及两非相邻桥墩沉降等四种桥墩不均匀沉降工况，基于已验证的高速列车－桥梁耦合振动模型，研究了车体横、竖向加速度、脱轨系数、轮重减载率及轮对横向水平力等车辆动力特性指标随桥墩沉降量、车速的变化规律。研究表明，桥墩不均匀沉降主要影响列车竖向动力响应，对横向动力响应影响较小；车体竖向加速度、脱轨系数及轮重减载率随桥墩沉降量及车速的增大而逐渐递增；车体横向加速度、轮对横向水平力与车速的变化呈正相关，而随桥墩沉降量的变化不明显。车体各项动力特性指标中，车体竖向加速度对桥墩沉降量的变化最为敏感且最先达到规范限值，基于车体竖向加速度限值提出桥墩不均匀沉降阈值为11.67mm。 （5）在阐述混凝土徐变机理、影响因素及理论计算模型的基础上，通过MIDAS/CIVIL建立了高速铁路32m预应力混凝土简支梁桥模型，计算了不同运营时间的梁体徐变上拱变形，选取正弦曲线对梁体徐变上拱变形进行拟合。通过车－桥耦合振动计算研究了不同徐变量及车速对列车运行安全性指标和舒适性指标动力响应的影响规律。研究表明列车竖向动力响应受梁体徐变上拱的变化影响较大，而列车横向动力响应受梁体徐变上拱的影响不明显；随着车速的增大，列车各项安全性指标与舒适性指标均相应增大；车体竖向加速度、脱轨系数及轮重减载率随梁体徐变量的增加而逐渐增大，而车体横向加速度、轮对横向水平力随梁体徐变量的改变无明显变化。在各项研究指标中，车体竖向加速度对梁体徐变量的变化最为敏感且最先达到规范限值，基于车体竖向加速度限值提出梁体徐变上拱阈值为12.31mm。 （6）选取两非相邻桥墩沉降最不利工况与梁体徐变上拱组合，探究了桥墩不均匀沉降与梁体徐变上拱组合效应对车－桥耦合振动系统动力响应的影响。研究表明，相比于桥墩不均匀沉降与梁体徐变上拱单独作用，二者的组合效应会加剧车－桥系统的动力响应。车体竖向加速度和轮重减载率随沉降量、徐变量以及车速的增加而增大，且车体竖向加速度较轮重减载率更先达到规范限值要求。两者组合效应下，基于车体竖向加速度可以提出更具参考价值的桥墩不均匀沉降阈值为 11.12mm ，梁体徐变上拱阈值为11.78mm。

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