波浪荷载作用下列车-大跨度桥梁耦合系统动力响应研究

Dynamic response of a coupled train-large span bridge system under wave loading

摘要

针对波浪荷载作用下车桥系统的耦合作用问题，以某公铁两用跨海斜拉桥为研究对象，基于五阶Stokes波理论及Jonswap波浪谱，利用Fluent软件建立深水环境下的数值波浪水槽模型，计算了重现期分别为5、20、50、100年对应波高下的波浪荷载。采用Ansys与Simpack软件进行联合仿真，对波浪荷载下车桥耦合系统动力响应进行分析。结果表明:车桥耦合系统动力响应随着车速和波高参数的增加而逐步增大；受到轮轨力的影响，波浪-列车联合作用下桥梁横向位移曲线与单独波浪作用下位移曲线线型存在明显差异；不同工况下，桥梁跨中横向位移峰值未出现在列车抵达跨中位置时，说明波浪荷载对桥梁横向位移的影响占主要地位；随着波高的增加，列车各动力指标逐渐增大；当波高达8.92 m及以上，车速达到250 km/h时，列车动力响应更大，此时更易发生事故。

Abstract

In response to the issue of coupled effects in the vehicular-bridge system under wave loading，a highway-railway sea-crossing cable-stayed bridge is taken as the research object. Based on the fifth-order Stokes wave theory and Jonswap wave spectrum，using Fluent software to establish a numerical wave flume model in deep-water environments. The wave loads corresponding to wave heights with recurrence periods of 5 years，20 years，50 years and 100 years are calculated. Ansys and Simpack software were used for combined simulation to analyze the dynamic response of vehicle-bridge coupling system under wave load. The results show that the dynamic response of the axle coupling system gradually increases with the increase of vehicle speed and wave height parameters. Due to the influence of wheel-rail forces，there are significant differences in the lateral displacement curve of a bridge under the combined action of waves and trains compared to the displacement curve under wave action alone. The peak value of lateral displacement at the midspan of a bridge does not occur when the train reaches the midspan position under different operating conditions. It indicates that the influence of wave loads on the lateral displacement of the bridge is predominant；each dynamic indicator of the train gradually increases as the wave height increases. When the wave height reaches 8.92 m or above and the train speed reaches 250 km/h，the train exhibits a greater dynamic response，making it more susceptible to accidents.

关键词

波浪荷载 / 五阶Stokes波 / 车桥耦合 / 动力响应 / 安全性与舒适性

Key words

wave loading / fifth-order Stokes wave / axle coupling / dynamic response / safety and comfort

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(51408217)

湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ30258)

湖南省自然科学基金资助项目(2015JJ3066)