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摘 要：桥梁的动力特性分析是评定桥梁结构安全性和适用性的关键因素之一，也是评定桥梁安全运营和检测维修的重要基础。该文以集包第二双线铁路跨210国道大桥为背景，首先对桥梁的自振特性进行了计算分析，然后对桥梁在德国ICE-3型动车组以不同速度通过时的动力响应以及桥上车辆的走行性能进行了数值计算，根据计算结果对桥梁结构和桥上运行车辆的安全性做出评价，为该桥日后的运营提供必要的理论支撑，也为改进同类拱桥的设计和结构布置提供参考。
关键词：集包第二双线铁路 系杆拱 钢管混凝土 自振特性 车桥振动
中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（b）-0113-04
集包第二双线铁路位于华北地区内蒙古西部，属于京包通道西段，是我国“八纵八横”铁路网主骨架之一的京兰通道的重要组成部分。该线东起内蒙古自治区乌兰察布市，西至包头市，途经呼和浩特市，是中国与蒙古国、俄罗斯开展经贸合作的主要运输通道，也是蒙西地区煤炭外運和大秦铁路相连的重要通道。全长308 km，总投资162.2亿元。设计标准为国铁Ⅰ级，客货共线，速度目标值为160 km/h，预留200 km/h条件，其中呼包段列车控制系统一次实施CTCS-2，具备开行时速200 km动车的条件。
跨210国道特大桥是集包第二双线铁路的一项重点工程，全桥总计232孔，长约3859.86 m。沿途跨越210国道和既有铁路线，是集包铁路全线跨数最多、架梁工序最为复杂、施工难度最大的一座特大桥。大桥引桥采用跨度32 m预应力混凝土简支T梁。主桥上部结构采用跨度64 m预应力混凝土简支系杆拱，矢跨比为1/5；拱肋采用钢管混凝土结构，哑铃型截面，拱高2.2 m；弦管内灌注C50微膨胀混凝土，上、下弦管间以钢坠板连接；系杆拱全跨共设10对吊杆，采用整束挤压的钢绞线成品索；梁体采用等截面预应力混凝土箱梁，单箱双室截面，梁高1.7 m，顶板厚35 cm，底板厚30 cm，跨中边腹板及中腹板厚分别为70 cm和35 cm。主桥下部结构采用圆端形实体桥墩，墩高9.1 m。
对于铁路常用跨度桥梁的动力性能在设计阶段已经进行了大量的车桥耦合动力仿真分析工作，而对于特殊结构的桥梁，由于刚度条件和结构形式各异，需要对其进行专门车桥振动分析[1-3]，从而对结构的动力性能和车辆走行性做出分析和评估，确定在各种状态下的使用可靠性，为日后的运营提供必要的理论支撑。
1 跨210国道大桥主桥自振特性分析
根据桥梁的特点，采用大型结构有限元分析软件Midas对该桥建立了三维模型。建模时，分别采用梁单元和板单元来模拟主拱、边拱及吊杆横梁和桥面系；对吊杆和系杆采用只受拉的单元模拟；在计算中将两根相邻的吊杆简化为一根处理；边界条件按桥梁的实际受力情况进行简化，滑动支座采用铰接，拱桥拱肋与主梁之间采用刚性连接，见图1所示。
桥梁前20阶自振特性的计算结果见表1所示。通过计算可知桥梁的一阶振型为拱圈的横向振动，自振频率为0.875 Hz；桥梁的二阶振型为主梁的反对称竖弯振动，自振频率为2.792 Hz；主梁的横弯振动出现在结构第五阶振型，自振频率为4.071 Hz。计算结果满足我国《铁路桥梁检定规范》中规定的桥跨结构自振频率的限值要求[4]。
2 车桥动力响应计算结果及性能评价
近年来，随着行车速度的不断提高，交通密度的日益增加，荷载的日益加重，车辆与桥梁的动力相互作用问题越来越受到人们的重视[5-8]。一方面，高速运行的车辆会对桥梁结构产生动力冲击作用，使结构发生振动，直接影响桥梁的工作状态和使用寿命；另一方面，桥梁的振动又会对运行车辆的平稳性和安全性产生影响，这就使得桥梁结构的振动状态成为了评价结构动力设计参数合理与否的重要指标。因此，对车辆-桥梁动力相互作用系统进行综合研究，以便对桥梁结构的动力性能和桥上运行车辆的走行性做出动力分析和评估，确定它们在各种状态下的使用可靠性，是合理进行桥梁结构设计的实际需要。
计算中选用的列车为德国ICE-3型动力分散独立式高速列车，采用16节编组：（3动+1拖）×4，计算车速为200～400 km/h。采用不平顺样本序列全长2000 m，不平顺测点间距0.5 m，其高低不平顺幅值为11.80 mm，水平不平顺幅值为10.79 mm。
图2给出了当车速为200 km/h时，主梁的横、竖向位移响应时程曲线。根据数值仿真计算结果可知，此时由运行列车引起的桥梁最大横、竖向位移约为0.06 mm、2.32 mm，均发生在桥梁跨中截面。
图3给出了当车速为200 km/h时，桥上车辆的横、竖向振动加速度响应的时程曲线。此时，车辆在桥上的最大横、竖向加速度约为0.405 m/s2、0.612 m/s2，均出现在动车车体。
2.1 桥梁动力性能评价
通过车桥耦合振動仿真分析，跨210国道大桥主桥在德国ICE-3动车组以200～400 km/h速度通过时引起的最大横、竖向振幅和横、竖向加速度响应的计算值及评价见表2所示。
从表2中可见，在运行列车作用下，桥梁各项动力响应计算值较小，远小于规范限值，表明在本文的计算工况下，桥梁的动力性能良好。
2.2 车辆走行性能评价
桥上车辆的运行安全性和平稳性的评价见表3、4所示。从表中可见，当德国ICE-3动车组以200～400 km/h车速通过时，车辆的竖向加速度、竖向Sperling指标分别为日常保养和优秀；而横向加速度随着车速的增大从日常保养状态逐渐下降到舒适度状态，横向Sperling指标也从优秀逐渐过渡到良好。
3 结语
集包第二双线铁路跨210国道大桥在德国ICE-3高速动车组列车以200～400 km/h的速度通过时，桥梁的动力性能良好；车辆的各项安全性指标不超限；车辆的其他各项平稳性指标均为良好以上，表明该桥不仅可以较好地满足车速200 km/h的运营条件，还适应于250～350 km/h的高速行车要求。
参考文献
[1] 赵会东，李承根，吴少海.新型钢-混凝土组合结构的发展现状及展望[J].铁道勘察，2007（S1）：54-56.
[2] 孙文华， 郭薇薇. 集包第二双线铁路大黑河系杆拱桥的动力特性分析[J].中国铁路，2013（4）：64-66.
[3] TB10621，2014.高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社.
[4] 铁运函120，2004.铁路桥梁检定规范[S].北京：中国铁道出版社.
[5] 夏禾，张楠，郭薇薇.车桥耦合振动工程[M].北京：科学出版社，2014.
[6] 郭薇薇，夏禾，李慧乐，等.铁路新型钢-混凝土组合桁架桥在列车作用下的动力响应分析[J].振动与冲击，2012，31（4）： 128-133.
[7] 李小珍.强士中.列车-桥梁耦合振动研究的现状和发展趋势[J].铁道学报，2002，24（5）：112-120.
[8] 高芒芒.高速铁路列车-线路-桥梁耦合振动及列车走行性研究[J].中国铁道科学，2002，23（2）：135-138.
[9] 陈水盛，陈宝春.钢管混凝土拱桥动力特性分析[J].公路， 2001，23（2）：10-14.
[10] 杨臻，史天骄等.钢管混凝土系杆拱桥建模技术及其动力分析[J].水利与建筑工程学报，2009，1（7）：42-44.
关键词：集包第二双线铁路 系杆拱 钢管混凝土 自振特性 车桥振动
中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（b）-0113-04
集包第二双线铁路位于华北地区内蒙古西部，属于京包通道西段，是我国“八纵八横”铁路网主骨架之一的京兰通道的重要组成部分。该线东起内蒙古自治区乌兰察布市，西至包头市，途经呼和浩特市，是中国与蒙古国、俄罗斯开展经贸合作的主要运输通道，也是蒙西地区煤炭外運和大秦铁路相连的重要通道。全长308 km，总投资162.2亿元。设计标准为国铁Ⅰ级，客货共线，速度目标值为160 km/h，预留200 km/h条件，其中呼包段列车控制系统一次实施CTCS-2，具备开行时速200 km动车的条件。
跨210国道特大桥是集包第二双线铁路的一项重点工程，全桥总计232孔，长约3859.86 m。沿途跨越210国道和既有铁路线，是集包铁路全线跨数最多、架梁工序最为复杂、施工难度最大的一座特大桥。大桥引桥采用跨度32 m预应力混凝土简支T梁。主桥上部结构采用跨度64 m预应力混凝土简支系杆拱，矢跨比为1/5；拱肋采用钢管混凝土结构，哑铃型截面，拱高2.2 m；弦管内灌注C50微膨胀混凝土，上、下弦管间以钢坠板连接；系杆拱全跨共设10对吊杆，采用整束挤压的钢绞线成品索；梁体采用等截面预应力混凝土箱梁，单箱双室截面，梁高1.7 m，顶板厚35 cm，底板厚30 cm，跨中边腹板及中腹板厚分别为70 cm和35 cm。主桥下部结构采用圆端形实体桥墩，墩高9.1 m。
对于铁路常用跨度桥梁的动力性能在设计阶段已经进行了大量的车桥耦合动力仿真分析工作，而对于特殊结构的桥梁，由于刚度条件和结构形式各异，需要对其进行专门车桥振动分析[1-3]，从而对结构的动力性能和车辆走行性做出分析和评估，确定在各种状态下的使用可靠性，为日后的运营提供必要的理论支撑。
1 跨210国道大桥主桥自振特性分析
根据桥梁的特点，采用大型结构有限元分析软件Midas对该桥建立了三维模型。建模时，分别采用梁单元和板单元来模拟主拱、边拱及吊杆横梁和桥面系；对吊杆和系杆采用只受拉的单元模拟；在计算中将两根相邻的吊杆简化为一根处理；边界条件按桥梁的实际受力情况进行简化，滑动支座采用铰接，拱桥拱肋与主梁之间采用刚性连接，见图1所示。
桥梁前20阶自振特性的计算结果见表1所示。通过计算可知桥梁的一阶振型为拱圈的横向振动，自振频率为0.875 Hz；桥梁的二阶振型为主梁的反对称竖弯振动，自振频率为2.792 Hz；主梁的横弯振动出现在结构第五阶振型，自振频率为4.071 Hz。计算结果满足我国《铁路桥梁检定规范》中规定的桥跨结构自振频率的限值要求[4]。
2 车桥动力响应计算结果及性能评价
近年来，随着行车速度的不断提高，交通密度的日益增加，荷载的日益加重，车辆与桥梁的动力相互作用问题越来越受到人们的重视[5-8]。一方面，高速运行的车辆会对桥梁结构产生动力冲击作用，使结构发生振动，直接影响桥梁的工作状态和使用寿命；另一方面，桥梁的振动又会对运行车辆的平稳性和安全性产生影响，这就使得桥梁结构的振动状态成为了评价结构动力设计参数合理与否的重要指标。因此，对车辆-桥梁动力相互作用系统进行综合研究，以便对桥梁结构的动力性能和桥上运行车辆的走行性做出动力分析和评估，确定它们在各种状态下的使用可靠性，是合理进行桥梁结构设计的实际需要。
计算中选用的列车为德国ICE-3型动力分散独立式高速列车，采用16节编组：（3动+1拖）×4，计算车速为200～400 km/h。采用不平顺样本序列全长2000 m，不平顺测点间距0.5 m，其高低不平顺幅值为11.80 mm，水平不平顺幅值为10.79 mm。
图2给出了当车速为200 km/h时，主梁的横、竖向位移响应时程曲线。根据数值仿真计算结果可知，此时由运行列车引起的桥梁最大横、竖向位移约为0.06 mm、2.32 mm，均发生在桥梁跨中截面。
图3给出了当车速为200 km/h时，桥上车辆的横、竖向振动加速度响应的时程曲线。此时，车辆在桥上的最大横、竖向加速度约为0.405 m/s2、0.612 m/s2，均出现在动车车体。
2.1 桥梁动力性能评价
通过车桥耦合振動仿真分析，跨210国道大桥主桥在德国ICE-3动车组以200～400 km/h速度通过时引起的最大横、竖向振幅和横、竖向加速度响应的计算值及评价见表2所示。
从表2中可见，在运行列车作用下，桥梁各项动力响应计算值较小，远小于规范限值，表明在本文的计算工况下，桥梁的动力性能良好。
2.2 车辆走行性能评价
桥上车辆的运行安全性和平稳性的评价见表3、4所示。从表中可见，当德国ICE-3动车组以200～400 km/h车速通过时，车辆的竖向加速度、竖向Sperling指标分别为日常保养和优秀；而横向加速度随着车速的增大从日常保养状态逐渐下降到舒适度状态，横向Sperling指标也从优秀逐渐过渡到良好。
3 结语
集包第二双线铁路跨210国道大桥在德国ICE-3高速动车组列车以200～400 km/h的速度通过时，桥梁的动力性能良好；车辆的各项安全性指标不超限；车辆的其他各项平稳性指标均为良好以上，表明该桥不仅可以较好地满足车速200 km/h的运营条件，还适应于250～350 km/h的高速行车要求。
参考文献
[1] 赵会东，李承根，吴少海.新型钢-混凝土组合结构的发展现状及展望[J].铁道勘察，2007（S1）：54-56.
[2] 孙文华， 郭薇薇. 集包第二双线铁路大黑河系杆拱桥的动力特性分析[J].中国铁路，2013（4）：64-66.
[3] TB10621，2014.高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社.
[4] 铁运函120，2004.铁路桥梁检定规范[S].北京：中国铁道出版社.
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[8] 高芒芒.高速铁路列车-线路-桥梁耦合振动及列车走行性研究[J].中国铁道科学，2002，23（2）：135-138.
[9] 陈水盛，陈宝春.钢管混凝土拱桥动力特性分析[J].公路， 2001，23（2）：10-14.
[10] 杨臻，史天骄等.钢管混凝土系杆拱桥建模技术及其动力分析[J].水利与建筑工程学报，2009，1（7）：42-44.