软土环境考虑桩土作用的高速铁路车桥耦合参数影响分析

(广州大学 广东 广州 510000)

目前我国已修建的快速客运专线最高运营速度已接近350km/h，其中车桥耦合振动是高速铁路运营的关键技术问题，线路不平顺等会对高速列车的行车稳定和乘客舒适度产生显著影响。张媛[1]为研究车速、车辆编组及轨道不平顺等因素对汽车-桥梁-列车耦合系统的影响，通过约束方程将3个子系统进行耦合，研究了轨道不平顺等对该系统的影响。郝向炜[2]以某大型钢管混凝土拱桥为对象，采用经动力试验验证的自编车桥耦合振动分析程序，进行了多组随机不平度样本下的车桥动力响应分析。朱劲松[3]为研究大跨度公路悬索桥各 构件冲击作用的影响因素及其敏感性，分析了车速、桥面不平顺度、车重及横向加载位置对桥梁各构件冲击系数的影响。

上述关于车桥耦合的影响因素研究中，大多仅对单一因素影响的进行定性分析，多影响因素分析也未考虑桩土作用。实际上，桩土作用对于高速列车车桥耦合振动行为具有显著的影响，需要考虑具体的地质环境建立“车-桥-桩土”相互作用模型，才能准确分析各种运营环境在的车桥耦合振动效应。本文基于广东某地区软土地质参数，分别建立“车-桥-墩”和“车-桥-墩-桩土”耦合振动模型，以分析桩土相互作用对车桥耦合振动行为的影响。

一、基本模型

(一)桥梁结构

本文在建立桥梁有限元模型时采用空间梁单元作为桥梁模型基础单元，桥墩及梁体采用等截面空间梁单元模拟，梁体质量计为一致质量，并计入扭转惯性矩。桥梁以32米标准跨度、单室箱型截面简支梁桥为例建立桥梁模型，其梁、墩均采用C30强度等级混凝土；支座采用板式橡胶支座模拟。基础为3×4群桩基础，采用C30混凝土灌注桩，桩长14m，桩径为1000mm。

(二)分析方法

为了更为简便求解系统动力方程，可以将整个车-桥-墩-桩土系统的运动方程分解成车辆系统振动方程和桥梁系统振动方程两个独立方程[3]，同时假定轮轨始终保持接触，且接触点处满足几何相容条件和轮轨力的静力平衡条件，表达式如下：

V=B+s

(1)

fVB=fBV=fn

(2)

式中：s—由轨道不平顺引起的位移向量；fVB—桥梁作用于车辆上的力；FBV—车辆作用于桥梁上的力；fn—轮轨法向接触力；

将车辆系统振动方程和桥梁系统振动方程两个独立方程与式(1)(2)结合起来，就是整个车-桥系统的耦合振动。

二、列车模型的参数影响

(一)列车轮重的影响

不同的列车类型，列车的轴重和轴距是不一样的，现选取日本500系动力分散式车组(第一类)、国产300km/h动力分散式车组(第二类)、德国ICE3动力分散式车组(第三类)三类不同轴重的列车作为研究对象，假定它们有相同的轴距。本章节只研究列车轴重对桥梁动力响应影响的规律，因此只采用一列车厢过桥，基本能够满足本文需求。

当三种列车以200km/h过桥时，桥梁跨中动力响应与轴重的关系如图1所示。桥梁跨中动力响应随轴重单调递增，符合实际情况。列车轴重增大并不影响桥梁跨中振动响应的基本规律。

(二)列车车速的影响

当列车以速度V通过一跨或者多跨简支梁时，列车荷载近似为一个频率为(为车辆全长)的周期性荷载作用在桥梁结构上。当激振频率与结构自振频率成倍数关系i时，共振现象就会发生。图2为不同车速下桥梁的跨中竖向位移对比、跨中竖向加速度对比图。在车-桥-墩系统和车-桥-墩-桩土系统两种模型下，桥梁结构跨中位移响应与行车速度之间并非呈简单的单调递增或者递减，车-桥-墩-桩土系统的桥梁跨中竖向加速度始终小于车-桥-墩系统的桥梁跨中竖向加速度，尤其在达到共振车速时，桥梁跨中竖向加速度峰值相差甚大。

(a)跨中竖向位移与轴重的关系

(b)跨中竖向加速度与轴重的关系

(a)跨中竖向位移对比

(b)跨中竖向加速度对比

三、结论

本文基于海南环岛的具体软土地质参数，分析不同外界因素对车桥耦合系统所造成的影响，从列车轮重、车速等几个方面来考察不同参数所产生的影响，结果如下：

(1)桥梁跨中动力响应随列车轴重单调递增，符合实际情况。且列车轴重增大并不影响桥梁跨中振动响应的基本规律，跨中竖向位移和跨中竖向加速度与轴重均呈线性递增的关系。

(2)在两种结构体系模型下，随着行车速度的增加，不同体系的桥梁跨中竖向加速度呈相似的变化规律。车-桥-墩-桩土系统的桥梁跨中竖向加速度始终小于车-桥-墩系统的桥梁跨中竖向加速度。这是因为在考虑桩土作用后，系统竖向刚度减弱，在相同的外荷载激励下，桥梁竖向振动激烈程度减缓所致。因此对于不同的桥梁体系，应该规定不同的行车速度上限，以保证列车和桥梁在运营时的安全。