交通运输工程

--

李永乐，徐昕宇，严乃杰，等

交通运输工程

三线合一、三塔悬索桥风-车-桥耦合振动性能对比

李永乐，徐昕宇，严乃杰，等

目的：随着过江（河）通道的增加，过江桥位资源越来越有限，公铁两用或多线合并已逐渐成为发展趋势。此外，以多塔悬索桥的方式跨越大江、海峡，是一个经济可行的选择。目前建成的公铁两用悬索桥都为双塔形式，尚无三塔铁路悬索桥建成。与双塔悬索桥相比，三塔悬索桥因多了一个中塔和一个主跨，桥梁结构特性显著不同，对风和列车的作用可能更为敏感，但目前这类桥型不同桥梁断面形式情况下的桥梁动力响应、车辆气动特性及车辆走行性的对比性研究较为少见。本文针对某三线合一、三塔悬索桥的2个设计方案，对其桥梁结构动力特性、车-桥系统气动特性及该桥的风-车-桥系统耦合振动性能进行对比分析。方法：建立了风-车-桥系统耦合模型，将风场视作空间相关的平稳随机过程，车辆模型采用质点-弹簧-阻尼器模型，桥梁结构模型采用有限元方法建立。针对某三线合一、三塔悬索桥的2种设计方案，采用自主研发的桥梁分析软件BANSYS，分别建立其空间杆系桥梁有限元模型，并进行桥梁结构动力特性分析。通过车-桥系统节段模型风洞试验，测试了车辆和桥梁的三分力系数。基于建立的风-车-桥系统耦合模型，进行了风-车-桥耦合振动分析，对比了不同风速、车速下的车辆、桥梁的动力响应和不同断面形式的影响。结果：三线合一、三塔悬索桥的结构自振频率较低；对比该桥2种设计方案的结构自振频率及振型，同阶振型下，钢桁方案的自振频率相对于钢箱桁方案的要低。车辆气动力受轨道位置的影响较大，钢桁方案迎风侧车辆阻力系数约为钢箱桁方案的2.2倍；当风速为0 m/s时，桥梁、车辆的动力响应总体上是随车速的增大而增大，同一车速下，钢桁方案的桥梁位移较钢箱桁方案大，主要是由于钢桁方案的桥梁整体刚度略弱于钢箱桁方案；当考虑风速影响时，桥梁的横向响应随风速的增大而显著增大；车辆位于迎风侧时，钢箱桁方案和钢桁方案在风速25 m/s时的桥梁横向位移比风速15 m/s时的分别增大至约2.4和3.8倍，横风对桥梁的横向响应起主导作用；同一风速，钢桁方案的桥梁响应总体上较钢箱桁方案大；同一方案，车辆响应随风速的增大而增大，当风速达到25 m/s时，车辆动力响应显著增加，响应指标比15 m/s时最大增加了71.6%。结论：与常见的公铁两用斜拉桥低阶模型频率相比，三线合一、三塔悬索桥的自振频率较低。车辆气动力受轨道位置的影响较大。基于建立的风-车-桥系统耦合振动模型的分析，钢桁方案的桥梁响应总体上比钢箱桁方案的要大，主要是由于钢桁方案的桥梁整体刚度略弱于钢箱桁方案。钢桁方案的车辆响应总体上要大，这与轨道位置关系和气动力系数相关。

来源出版物：交通运输工程学报, 2015, 15(6): 17-25

入选年份：2015