多重調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(MTMD)作用下32 m混凝土簡支梁的車橋動力特性分析

熊建珍，高芒芒

(中國鐵道科學(xué)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100081)

1 工程概況

蘇州北高架車站為島式站臺，正線及到發(fā)線共6股道，軌道及站臺位于橋上，站房位于橋下。站臺范圍橋梁孔跨布置為2×24 m+11×32 m+2×24 m簡支梁，橫向分成獨(dú)立的五幅橋，高速正線橋位于中間，為雙線混凝土梁。正線橋梁面寬度為9．98 m。箱底寬5.50 m，梁高3.05 m，單箱單室截面，跨中頂、底、腹板厚度分別為30 cm，28 cm，45 cm，梁端處局部加厚。

為減小正線高速列車通過時(shí)對相鄰結(jié)構(gòu)的振動影響，設(shè)計(jì)中所有房建結(jié)構(gòu)均與正線橋梁部、橋墩、承臺脫開，也與到發(fā)線橋梁部脫開;房建結(jié)構(gòu)雨棚柱支承在外側(cè)到發(fā)線橋墩上部。為進(jìn)一步研究高架車站的減振降噪措施，擬在正線梁體內(nèi)安裝多重調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(MTMD)，以減小正線橋梁本身振動，降低線下站廳噪聲。

圖1為32 m簡支箱梁內(nèi)MTMD系統(tǒng)設(shè)計(jì)平面布置。梁內(nèi)共設(shè)置了8塊質(zhì)量塊，布置在橋梁跨中區(qū)域，每塊質(zhì)量2 176．8 kg。表1為350 km/h速度條件下質(zhì)量塊與梁底板之間垂向的剛度、阻尼參數(shù)。

圖1 MTMD系統(tǒng)平面布置(單位:cm)

表1 調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(MTMD)垂向參數(shù)

表2 32 m簡支梁加裝MTMD前后自振頻率對比

表2為加裝MTMD前后高速正線32 m簡支梁的前5階自振頻率的變化，由于加裝MTMD后，橋梁的總重增加，因此橋梁自振頻率均有所降低，其中以一階垂向頻率相對最為明顯，由5.23 Hz降至4.79 Hz。

作為一種被動控制技術(shù)，MTMD子系統(tǒng)通過選取適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量、剛度及阻尼參數(shù)，可以達(dá)到有效降低主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)橋梁振動的目的。本文針對上面介紹的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行車橋耦合動力計(jì)算，分析加裝MTMD后橋梁及通過車輛的動力響應(yīng)變化。

2 車橋動力分析模型

簡化為梁單元，墩底考慮了地基剛度對橋梁的振動影響。結(jié)構(gòu)的阻尼簡化為結(jié)構(gòu)總剛度陣和質(zhì)量陣的線性組合，其中阻尼比按2%選取。全橋有限元模型見圖2。MTMD的質(zhì)量塊按實(shí)際位置和質(zhì)量通過彈簧和阻尼單元與箱梁梁底板連接。

圖2 橋梁有限元模型

計(jì)算車型選取德國ICE3高速動車組，16輛編組，模型中假設(shè)車體、轉(zhuǎn)向架和輪對均為剛體，車體和轉(zhuǎn)向架各考慮5個(gè)自由度，分別是浮沉、橫擺、側(cè)滾、點(diǎn)頭及搖頭。每個(gè)輪對考慮3個(gè)自由度，分別是橫擺、側(cè)滾、搖頭。因此對四軸車輛，一節(jié)車共有23個(gè)自由度。計(jì)算采用的軌道不平順樣本由德國低干擾譜生成，波長范圍1～80 m，計(jì)算速度為設(shè)計(jì)速度350 km/h。

橋梁結(jié)構(gòu)采用多自由度有限元模型，以梁式受彎桿件和板殼元為基本單元，橋梁二期恒載7.5 t/m，將其作為均布質(zhì)量分配到橋面單元中。支座處的約束條件采用主從關(guān)系實(shí)現(xiàn)。為模擬車輛在橋上充分起振，橋梁建立了15孔簡支梁，梁體采用板單元模擬，橋墩

3 車橋動力計(jì)算結(jié)果

表3為350 km/h速度下的車橋動力計(jì)算的車輛響應(yīng)值，表中車輛各項(xiàng)動力學(xué)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，但加裝MTMD后對車輛響應(yīng)的影響很小，可忽略不計(jì)。

圖3為加裝MTMD前后32 m簡支梁跨中附近梁底垂向加速度時(shí)程曲線，圖中曲線表明，加裝 MTMD后橋梁在經(jīng)歷幾個(gè)振動周期后，垂向振動加速度幅值開始減小。圖4～圖7為加裝MTMD前后32 m簡支箱梁底部振動最大值沿梁長的分布對比圖。從圖中可知，MTMD對全梁底板在垂向、橫向上的振動均起到了一定的減振作用。

表4為梁底板與其相應(yīng)位置處的MTMD振動響應(yīng)，數(shù)據(jù)表明，MTMD的振動加速度和位移明顯大于對應(yīng)梁底板處的振動。說明在列車通過橋梁時(shí)，梁體內(nèi)MTMD本身被動振動較大，起到了耗散橋梁振動能量的作用，從而達(dá)到了利用MTMD抑制橋梁振動的作用。

圖3 梁底垂向加速度時(shí)程曲線

圖4 梁底垂向加速度

圖5 梁底橫向加速度

圖6 梁底豎向位移

4 結(jié)論

①加裝MTMD后，橋梁自振頻率均有所降低，其中以一階垂向頻率相對最為明顯。②加裝MTMD對車輛響應(yīng)的影響很小，可忽略不計(jì)。③32 m簡支梁加裝MTMD后橋梁的垂向、橫向振動有所減小。④列車通過橋梁時(shí)，梁體內(nèi)MTMD通過振動耗散橋梁振動能量，對橋梁起到了一定的減振作用。

圖7 梁底垂向速度

表4 梁底板與其相應(yīng)位置處的MTMD振動響應(yīng)

［1］沈火明，肖艷平．MTMD控制下車橋動力特性研究［J］．西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005(7):24-27.

［2］楊宜謙，張煅，周宏業(yè)，等．用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器抑制鐵路橋梁豎向共振的研究［J］．中國鐵道科學(xué)，1998，19(3):12-18.

［3］翟婉明．車輛—軌道耦合動力學(xué)［M］．北京:中國鐵道出版社，2001.