高速铁路高架桥局部振动的有限元分析

　　高速列车通过高架桥梁引起桥梁的低频整体振动与高频局部振动，而局部振动是结构噪声的主要产生根源。目前对于桥梁结构噪声的理论分析以统计能量法与边界元法为主，或通过噪声试验进行研究，从局部振动出发对结构噪声的研究则较少。关于桥梁整体振动研究较为成熟，对局部振动的相关研究主要集中在基本的传播规律及产生机理上。本文采用有限元法，结合车辆轨道桥梁耦合振动理论对典型箱梁局部振动进行细化研究，对局部振动特性进行了时域、频域分析，并对相关影响因素进行了对比分析，同时对有限元模型边界条件的选取及对研究结果的影响进行了分析。
　　1 计算模型
　　1.1 有限元模型的建立
　　本文以某高速铁路32 m跨径双线简支箱型桥梁为原型建立实体有限元模型，其结构尺寸如图1。
　　为更好反应梁各部位振动响应，梁体、CRTSⅡ型轨道板均采用实体单元solid 45单元，钢轨采用beam 188 单元，扣件与 CA 砂浆采用弹簧单元combine 15 单元，有限元模型见图 2。
　　1.2 车轨桥耦合模型
　　本文采用文献 [4]提出的车辆轨道桥梁新模型，将每节车辆离散为4个具有二系悬挂的独立动轮单元，车体、转向架和车轮均考虑为刚体，只考虑其沉浮振动，轮轨之间为弹性接触。
　　2 箱梁自振分析
　　通过对上述模型进行模态分析，得出梁前500阶自振频率，频率范围为0 401.2 Hz。其中前10阶自振频率与振型描述如下。
　　3 轨道状态对桥梁局部振动影响
　　进行瞬态动力分析时，选取箱梁跨中截面的六个敏感点如图3所示。根据模态分析结果选取500阶模态，采用模态叠加法对有限元模型进行瞬态动计算。
　　由频谱分析可得出对于箱梁各位置的振动频率均主要集中在0 189 Hz 之间，在0 22 Hz 的频段内，从自振分析得出结果可看出该频段对应的振型属于箱梁的整体结构受迫振动。大于189 Hz，对应的幅值很小可以忽略。且在同一车速下，六个敏感点在相同频率处出现振动峰值。将这些频率与自振分析结果进行对比，可知各点局部振动频率主要集中在22 Hz 189 Hz之间。
　　4 边界条件对局部振动影响
　　下面将对比简支与固定两种边界条件，箱梁局部振动响应的不同。这里所说的固定边界指箱梁两端约束了六个自由度。表5列出了两种边界条件下的前7阶自振频率，对比可以看出固定边界条件下箱梁自振频率有所增加，主要由于箱梁在固定边界时的约束更强。
　　5 结 语
　　(1)建立了实体有限元模型对箱型梁的局部振动进行分析，同一车速和轨道状态下，对比六个敏感点振动情况，翼缘板的振动较其它部位强烈，底板振动最弱;
　　(2)随车速增加，箱梁局部振动幅度会相应增大。局部振动的频段主要集中在22 Hz 200 Hz;同时箱梁局部振动主频分布区间上下限会随着车速增大而相应的增加;
　　(3)轨道不平顺是引起箱梁局部振动的主要因素。对比发现轨道不平顺对箱梁的局部振动幅度有较大影响，同时相比轨道平顺状态，局部振动频段区间上限有所增大;
　　(4)边界条件中选取固支梁相比简支梁，顶板、腹板、底板的局部振动响应有所减弱，而对翼缘板则影响较小。