横风下高速列车桥上交会行车风速阈值研究

施凌云 祝兵 王浩宇

采用有限元软件Ansys建立桥梁模型，多体动力学软件Simpack建立列车模型，采用联合仿真方法建立风-车-桥耦合振动模型，分析风速5～25 m/s下，CRH380A列车组在40 m简支梁桥上以350～425 km/h的速度进行交会时的桥梁和列车动力响应。研究结果表明：简支梁桥的横、竖向加速度随风速增大的增幅较小；横风对列车横竖向加速度、脱轨系数和轮重减载率影响较为显著；轮重减载率应作为列车桥上交会的控制性指标；列车若以425 km/h的速度在桥上进行交会时，风速阈值应为10 m/s。

高速铁路；简支梁；列车交会；车桥耦合；风速阈值

U447 A

［定稿日期］2021-12-27

［作者简介］施凌云（1997—），男，在读硕士，研究方向为车桥耦合振动。

至2019年底，我国高速铁路运营总里程已位居世界第一。形成了颇具规模的时速350 km高速铁路网，部分线路的运行速度有望突破400 km/h。我国高速铁路网具有桥梁占比较高的特点，部分铁路线桥梁占比高达90%，40 m简支梁是我国高速铁路常采用的梁型之一，双线列车在桥上高速交会将成为常态。尤其在横风作用下，可能会产生脱轨、侧翻等事故，因此需要考虑横风作用下，高速列车在桥上进行交会时的行车安全性与平稳性问题。

对于高速列车在简支梁桥上进行交会时的行车安全性、乘坐舒适性问题，科研人员们已经做了许多研究。沈锐利［1］研究了不同跨度简支梁桥的自振特性、桥梁动力系数与列车行驶速度的关系。李小珍等［2］通过数值模拟分析给出了单线高速列车以400 km/h在32 m简支梁桥上的安全行车风速阈值。王亚朋等［3］建立了考虑会车压力波的高速铁路车-桥耦合振动模型，得出高速列车在桥上等速交会时的应控制在450 km/h以内较为安全。郭文华等［4］通过建立车-桥耦合振动联合仿真模型，提出在侧风下高铁列车交会时，列车轮重减载率是控制列车车速阈值的控制因素。

本文以高速铁路常用的40 m简支梁为研究对象，利用多体动力学理论建立高速列车在桥上交会的车-桥耦合分析模型，将列车和桥梁所受的风荷载以力和力矩形式输入到车-桥耦合分析模型中，分析双线列车受横风作用以350 km/h甚至更高速度交会过桥时的列车和桥梁动力响应，探讨横风作用对简支梁桥上双线列车行车安全性产生的影响规律，提出高速列车在简支梁桥上交会的风速阈值。

1 考虑列车交会的风-车-桥梁系统耦合振动模型

本文中风-车-桥系统耦合振动模型，采用多体动力学软件Simpack，建立CRH380A型动车组车辆动力学精细模型，车辆模型包括1个车体、2个转向架和4个轮对在内的7个刚体，并通过一二系弹簧、减震器、抗侧滚扭杆和抗蛇形减震器等构件连接，转向架模型如图1所示。单节动车模型共74个自由度。列车采用4节编组，编组方式为动车+拖车+拖车+动车。单节车辆模型如图2所示。

本文采用有限元软件Ansys建立简支梁桥模型，考虑6个节点自由度，即3个平动和3个转动自由度，支座与墩底约束在有限元软件中解耦，将桥梁结构缩减自由度后以柔性体文件（.fbi）的形式导入Simpack中，再利用43号弹簧力元模拟支座和墩底约束。轮轨法向作用力采用Hertz非线性接触理论进行计算，轮轨切向蠕变力采用简化的Kalker蠕变理论计算。

车辆与桥梁之间的耦合采用哑元方法［5］。哑元法又称虚体法，即在列车每个车轮的下方建立一个随车轮一同运动的物体，称其为哑元。将哑元与桥上的移动标志点以力元连接，使车辆和桥梁能行成力的传递，因其质量和转动惯量都非常小，对车-桥耦合系统的计算结果影响也极小。基于哑元方法的耦合系统如图3所示。

分析采用德国低干扰轨道谱生成的轨道不平顺，考虑轨距、方向、高低和水平不平顺，空间步长为0.2 m。

桥梁、车辆子系统模型考虑平均风引起的静风力和脉动风引起的抖振力作用。本文40 m简支梁主梁和列车的气动力系数参考文献，如表1所示。其中：CH为阻力系数；CV为升力系数；CM为弯矩系数。桥梁和列车气动力以Simpack中的93号力元即力/弯矩力元进行施加。

2 算例简介

以高速铁路常用的40 m双线简支梁桥为例，分析该类型桥梁适应双线CRH380A列车组以高速度在桥上交会时的动力响应特性。采用Ansys软件中的Shell63单元建立主梁模型，Beam188单元建立桥墩模型。模型桥面宽12.6 m，梁长40.5 m，梁高3.235 m，墩高18.5 m，线间距取为5 m。桥梁附属设施等二期荷载采用Mass21单元按180 kN/m施加。其中10跨40 m简支梁模型如图4所示。桥梁有限元模型在Ansys中先进行子结构缩减计算，对结构进行自由度缩减，之后将缩减后的桥梁外形数据和结构质量、刚度矩阵分别输入Simpack中生成柔性体文件并导入多体计算系统中，再采用哑元方法与列车组成列车-桥梁耦合振动系统。

研究考虑2组4节编组的CRH380A列車组在不同风速等级下，以不同车辆速度等级在40 m简支梁桥上进行等速交会，计算列车组交会时的列车、桥梁的动力响应。速度等级以350 km/h为基准，按25 km/h的梯度递增至425 km/h。风速等级则以5 m/s为基准按2.5 m/s的梯度递增至25 m/s。

3 列车及桥梁响应评价指标

桥梁的评价指标选取梁体的横向、竖向加速度。桥梁横向加速度限值取1.4 m/s2，竖向加速度取为5 m/s2车辆的安全性评价指标选取脱轨系数和轮重减载率，车辆的平稳性指标选取车体的横向、竖向加速度进行评价。根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》，车辆的评价指标及其限值如表2所示。

4 数值计算结果

4.1 桥梁动力响应分析

车速等级为400 km/h，不同风速下的桥梁横向、竖向加速度如图5所示。从图5（a）可以看出，在同一车速下，桥梁的竖向加速度受风速的影响较小，随着风速的增加，竖向加速度的增幅较小，基本保持稳定；而图5（b）中的横向加速度受风速影响较大，但总体增幅较小。

4.2 列车交会运行安全性分析

为了保证列车在横风中交会时的安全，计算不同速度的横风下列车以不同速度在桥上交会运行时列车的动力响应，如图6所示。

从图6可以看出，随着车速和风速的增加，列车的脱轨系数和轮重减载率呈现增大的趋势，列车脱轨系数增幅相对较小，满足规范限值要求，而轮重减载率增幅较大，在部分工况中超过了规范规定的0.6限值要求，因此应以轮重减载率作为高速列车简支梁桥上交会时车速的控制指标。

从图6（b）可以看出，在22.5 m/s风速下，列车以350 km/h速度交会通过，轮重减载率在0.6以下，其交会风速阈值取22.5 m/s；在20 m/s风速下，列车以375 km/h交会通过，轮重减载率满足规范要求，其交会风速阈值取20 m/s；在17.5 m/s风速下，列车以400 km/h速度交会时的轮重减载率在0.6以下，其交会风速阈值取17.5 m/s;在12.5 m/s风速下，列车以425 km/h交会通过时轮重减载率为0.612，已经超出规范要求，因此其交会风速阈值应为10 m/s。

4.3 列车交会运行平稳性分析

不同速度等级下，列车交会时车体横向、竖向加速度如图7所示。可以看出，列车的横向和竖向加速度均随着车速和风速的增大而增加，总体增加幅度较小，且均未达到规范规定的限值要求。

5 结论

（1）横风作用下，高速列车在桥上交会时，简支梁桥的横向、竖向加速度随风速增加而增大，但受风速的影响较小。

（2）随着桥上交会时的风速和车速的增加，列车的横向加速度、竖向加速度、脱轨系数和轮重减载率均呈现增大的趋势，轮重减载率的增幅较大，部分工况下轮重减载率超过了规范限值，因此应以轮重減载率作为列车桥上高速交会的控制性指标。

（3）风速在10 m/s以上时，高速列车在桥上进行交会车速应控制在425 km/h以下，否则将影响行车安全。

参考文献

［1］ 沈锐利.高速铁路简支梁桥竖向振动响应研究［J］.中国铁道科学，1996，17（3）：24-34.

［2］ 李小珍，龚振华.400km/h高速铁路32m简支梁桥上安全行车横向风速阈值分析［J］.铁道建筑，2021，61（7）：17-20.

［3］ 王亚朋，蔺鹏臻，孙加林，等.高速列车桥上等速交会时的车-桥耦合振动特性研究［J］.铁道学报，2021，43（5），169-176.

［4］ 郭文华，洪新民，陈春霞.侧风下高铁列车交会运行时车-桥耦合振动［J］.中国铁道科学，2020，41（4），48-56.

［5］ 罗锟，汪振国，雷晓燕.轨道交通车桥耦合振动仿真改进方法与应用［J］.现代制造过程，2018，11，60-65.