摘要：車橋動態響應問題隨着越來越多動車組的運行日益受到工程界的關注。通過有限元分析軟件建立橋樑有限元模型，以移動質量模擬車輛，對不同工況下高速行駛的列車與簡支橋樑的動力響應進行了研究和比較，得出了阻尼比對橋樑震動的影響。
關鍵詞：高速列車；簡支樑橋；移動質量
隨着行車速度的不斷提高，交通密度的不斷增加，荷載的不斷加重，交通車輛與結構的動力相互作用問題越來越受到人們的重視。特別是近年來越來越多的高速鐵路相繼投入運行。一方面，高速運行的車輛對所通過的結構物產生動力衝擊作用，直接影響其工作狀態和使用壽命；另一方面，結構的振動又對運行車輛的平穩性和安全性產生影響。
常見的對車輛的簡化有以下幾種形式：①將車輛荷載簡化爲集中力，在樑上移動；②將車輛簡化爲移動質量；③將車輛簡化爲移動的簡諧力；④將車輛看作是在橋樑上移動的'彈簧上的質量。這幾種簡化方法中。以移動彈簧上的質量模擬最爲合理，但也最爲複雜，而將車輛看作移動的集中力即移動荷載和移動質量這兩種簡化方式最爲簡單，但是在對橋樑進行初步估算時不失爲最簡便、快捷的方法。
本文通過建立移動荷載和移動質量的模型，採用有限元軟件ANSYS來研究和比較車輛在不同阻尼比的簡支橋樑上運行引起的車橋動力響應。
1 模型的建立
用移動質量模擬車輛勻速通過跨度爲32m簡支樑的情形，採用ANSYS軟件建立相應模型，對橋樑的動力響應進行仿真計算。計算中，模型忽略橋樑粗糙、不平順的影響，不考慮外界風載及地震荷載的影響，不考慮車的初始狀態，即認爲車輛在理想的狀態下運行通過橋面。
本文采用二維樑單元BEAM3來模擬橋樑，劃分的單元數由荷載的移動速度和橋樑長度來決定。單元長度△L=L/N，其中，L爲橋樑的跨長，N爲劃分的單元數。這樣，荷載在單元之間的運行時間(即從i節點變化到i+1節點)爲t=△L/v，其中，口爲移動荷載的速度。計算時，劃分單元數爲50。
在計算結構動態響應時，時間步長△t的選取是否合適，對計算結果能否反映結構響應特徵產生很大的影響。如果時間步長△t太大，有可能得到完全失真的響應曲線。在圖1所示的響應曲線中，如果步長不當，將會得到如虛線所示的錯誤的響應曲線。
時間步長的選取，應根據動態響應的振動週期頻率來確定。由於三點確定一條拋物線，因此爲了真實描述結構動態響應，在一個振動週期中應至少取5個點。如果設T是結構振動的週期，是結構振動的頻率，那麼結構動態響應計算的時間步長應取爲
△L<T 5="1/5F寺"
(1)本文采用橋樑模型基準數據如下：簡支樑跨度1=32m，連續樑跨度l＝64m，材料爲50號混凝土，彈性模量E=3.5×1010N/m2。箱型斷面，斷面高度2.8m，斷面寬度13m，截面積爲A=8.29m2。慣性矩I=8.6m4，密度p=2500kg/m3。
本文主要研究不同阻尼比的橋樑結構的動力性能(阻尼比變化範圍爲0.01～0.08)，採用的基準車速爲300km/h。3數值模擬及結果分析
圖2表示了結構阻尼比爲0.02、0.04、0.06、0.08時橋樑跨中節點的動撓度曲線。由圖2可知，對於高速運行的車輛，隨着樑上阻尼比的增加，樑上節點的動撓度逐漸減小。另外，隨着樑上阻尼比的增加，各節點發生最大動撓度時荷載所在地位置逐漸後移。表1詳細記錄了阻尼比由0.01～0.08範圍內橋樑跨中節點的最大豎向動撓度。
圖3爲表1數據所繪，從圖中我們不難看出最大動撓度與結構阻尼比的關係已不再是線性的而變爲非線性的。結構阻尼比越大，跨中節點的最大動撓度越小。
圖4表示了結構阻尼比爲0.02、0.04、0.06、0.08時橋樑跨中節點的豎向加速度曲線。可以看出，各節點的豎向加速度表現出類似於正弦曲線特性，隨着阻尼比提高，其向下的豎向加速度明顯減小。但是在一定範圍內，隨着阻尼比的提高，其向上的豎向及速度並沒有明顯減小。由此可見，通過適度提高結構阻尼比的方法可以在一定程度上控制橋樑結構的振動。
圖5是由表2數據所繪，詳細列出了結構在不同阻尼比下跨中節點的豎向加速度情況，從中不難看出，結構的豎向加速度和結構的阻尼比的關係不再是線性的，而變爲非線性的。在結構阻尼比不大的時候，隨着阻尼比的提高，結構的豎向加速度降低的速度比較快。隨着結構阻尼比的增加，這種影響作用會越來越小。所以，在一定範圍內控制結構阻尼比可以很好地控制橋樑結構的震動。
3 結論
本論文采取了數值模擬計算的研究方法。對移動質量作用下橋樑的動態響應做了分析研究。通過ANSYS軟件對車一橋藕合系統的動態模擬，得到橋樑的動力響應結構阻尼比的關係，通過數據分析得出如下結論：
(1)橋樑結構在高速列車作用下的動撓度與結構阻尼比之間並非是線性的關係，但總體規律是隨着結構阻尼比的增加，橋樑結構的動撓度逐漸減小。
(2)隨着阻尼比的增加，橋樑結構的向下加速度明顯減小，但是在一定範圍內，隨着阻尼比的提高，其向上的豎向及速度並沒有明顯減小。由此可見，通過適度提高結構阻尼比的方法可以在一定程度上控制橋樑結構的振動。