后加钢支撑加固铁路既有简支桥梁共振响应分析

为了评价桥梁采用后加钢支撑加固后的效果,本文介绍了车桥发生共振的原理,解释了桥梁消振现象的原因;通过有限元分析软件ANSYS及多体动力学软件Universal Mechanism(UM)对桥梁加固前后共振响应进行了分析,计算了桥梁加固前后发生共振时的临界速度,并与理论结果进行了对比。研究结果表明：通过车桥耦合共振分析验证了桥梁竖向共振以及消振时列车临界速度的理论解,而由于引起横向振动的蛇行运动的复杂性,难以求出准确的理论解,但通过车桥耦合分析得到的横向共振的速度在理论的合理范围内;后加钢支撑加固方法只对桥梁横向动力特性有影响,对桥梁的竖向动力特性没有明显影响,也不会改变桥梁的竖向共振特性;列车运行速度较高,列车荷载频率会接近于桥梁的一阶扭转以及二阶横向自振频率而引起桥梁的横向共振,桥梁加固时也应加强桥梁的抗扭刚度;桥梁发生竖向共振时主要是由于列车的竖向加载频率接近或等于其第一阶竖向自振频率;该加固方法成功避免了列车引起的横向共振,可供既有铁路桥梁加固时参考。     

列车作用下大跨径悬索桥纵向运动响应分析方法对比研究

随着我国铁路事业的发展,近年来设计和建造了一些大跨径铁路悬索桥。悬索桥属于典型的柔性结构,加之列车荷载大、运行速度快,列车过桥时加劲梁纵向运动问题突出。准确地计算出列车过桥时梁端纵向运动响应是进行悬索桥结构设计和梁端位移控制的前提。该文通过有限元仿真,采用4种不同的分析方法,对运行列车作用下大跨径铁路悬索桥纵向运动响应特征进行对比研究。首先,分别介绍移动静载法、移动荷载法、移动质量法、车-桥动力相互作用法的计算理论及其有限元实现方法;随后,以某主跨1060m铁路悬索桥为例,分别采用4种方法进行纵向运动响应计算;最后,对4种分析方法的计算结果进行对比分析。结果表明：大跨径铁路悬索桥纵向运动分析应考虑动力效应;通过移动荷载法、移动质量法及车-桥动力相互作用法分析得到的纵向运动响应接近;采用移动荷载法进行大跨径铁路悬索桥纵向运动响应分析可以简化计算且满足计算精度要求。     

重载铁路过渡段路基动力响应特性试验研究#br#

掌握列车移动荷载作用下路基的动力响应特性可为路基沉降预测,状态评估提供依据。开展重载铁路过渡段路基动力响应测试,研究动位移峰值沿线路纵向及边坡方向的变化规律,分析路肩处动位移峰值的随机分布规律。研究列车动荷载作用下路基的动力响应特征,并揭示振动能量沿路基边坡的衰减规律。结果表明：列车动荷载对路基的作用具有明显的周期性,可将相邻车厢的两个前后转向架作为一个加载单元,在该加载单元的重复作用下路肩处的动位移峰值服从正态分布。重载列车动荷载作用下路基的振动频率主要分布在0~20Hz范围内,振动能量从路肩向坡脚方向衰减剧烈,基床层受列车动荷载影响显著,而基床以下路基受列车动荷载影响非常微小。分析结果有助于评估列车荷载作用下路基的瞬时及长期动力稳定性,同时为采用模型试验及数值分析手段研究路基动力响应特性时准确模拟重复列车动荷载提供了思路。     

铁路简支梁桥动力响应数值分析与实测验证

以某铁路简支梁桥为工程背景,基于有限元软件ANSYS实现了列车荷载作用下简支梁桥自振特性分析与动力响应计算,并利用现场实测加速度响应对有限元计算结果进行了验证。基于验证后的有限元模型,研究了跨径、车速及车重等关键因素对铁路简支梁桥动力响应的影响,采用移动荷载模型分析该简支梁桥在列车荷载作用下的动力响应。结果表明:简支梁桥自振频率及加速度特征值与有限元计算值总体上吻合较好,但由于现场实测存在多种环境因素干扰,局部对比结果存在差异;有限元计算的加速度平均值大于现场实测值,但幅值相差不大且都呈周期性变化;桥梁1阶及3阶自振频率的实测值与有限元计算值较为接近;跨径、车速及车重等关键因素均对桥梁动力响应产生一定影响,随着列车车速的提高,简支梁桥动力响应明显增加,列车驶离桥梁后,桥梁自由振动的振幅随车速的提高显著增大;简支梁桥跨径与车重均对跨中截面挠度影响显著,在设计过程中应予以重视;所得结论可为铁路桥梁的动力性能评价提供参考。     

时速200～250km高速铁路桥梁动力性能试验研究

基于近年来在我国开展的多条高速铁路桥梁动力性能试验研究,对设计速度200～250km/h的常用跨度简支梁桥以及连续梁桥的自振特性、刚度参数、梁体动力响应以及动车组通过桥梁时的安全性和平稳性试验结果进行系统总结和规律分析,研究结果表明:①高速铁路桥梁具有足够的竖、横向刚度,能够满足动车组200～250km/h高速运行要求;②现有高速铁路设计规范通过控制简支梁的竖向自振频率,避开了由移动荷载列对桥梁产生的竖向加载频率,有效控制了梁体竖向共振发生,但在特定车速下会产生超谐共振;③常用跨度混凝土简支梁横向自振频率与列车横向强振频率相差较远,不会产生横向共振现象;④在现有桥梁刚度条件下,连续等跨布置简支梁对高速动车组的运行安全性和平稳性没有影响。     

列车荷载作用下铁路斜拉桥索-梁相关振动研究

为了研究大跨度铁路斜拉桥的索-梁相关振动,基于拉索非线性振动理论,开发了有限元索动力单元,该单元在静力计算中为普通直杆单元,动力特性计算中可以计算拉索局部自振频率,动力时程计算中可以计算拉索非线性振动与整体结构振动的相互作用;编制了计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥有限元模型,同时使用索动力单元模拟斜拉索,最后研究了列车通过斜拉桥时梁、塔的带动下拉索发生索-梁相关振动的特性。结果表明:对于大跨度铁路斜拉桥,列车在设计速度范围内通过桥梁时索-梁相关振动不会导致拉索产生大幅振动。     

高速列车引起的地基振动

针对高速列车引起的环境振动问题,分别以移动线源非均布荷载和粘弹性半空间体模拟运动列车荷载和地基,分析了高速列车引起的地基振动。首先采用积分变换法推导了移动线源非均布荷载作用下粘弹性半空间体动力响应的二维积分解析解,包括位移、速度和加速度。然后采用IFFT算法和自适应数值积分算法计算二维积分,得到了低音速、跨音速和超音速移动荷载作用下动力响应的数值结果。最后分析了荷载移动速度对动力响应最大值和分布的影响,发现当荷载移动速度大于Rayleigh波速时,粘弹性半空间体的动力响应出现显著变化。     

某大厦楼顶桅杆天线涡激振动控制分析

某超高层大厦在无地震和强风时发生异常振动,大厦内人员振感强烈。初步判断是楼顶桅杆天线发生涡激共振,并引发主体结构高阶振型共振效应。计算桅杆天线顶部风速并与各阶振型的涡激振动临界风速对比,判断桅杆天线在特定风场条件下发生频率为2.11Hz的涡激共振,与现场实测结果基本吻合。建立大厦结构的有限元模型,计算桅杆天线涡激共振荷载并以正弦波荷载的形式输入到模型中,分析不同输入角度下主体结构的动力响应情况。结果表明,桅杆天线2.11Hz的涡激共振引发主体结构高阶振型共振响应;沿135°或315°输入正弦波荷载时动力响应最大;主体结构的动力响应沿楼层呈波动形态;峰值加速度响应满足中国规范限值,但大于日本风振舒适度规范H-90级别限值,导致了显著的振感。对桅杆天线设计了三个振动控制方案,输入不同频率的正弦波荷载,分析改造后的桅杆天线对正弦波荷载频率的敏感性。结果表明,所提出的三个方案均能有效减小主体结构和桅杆天线的动力响应,且提高了最不利正弦波荷载频率,降低了桅杆天线发生涡激共振的概率。     

列车荷载对冻土路基动力响应分析

采用有限元软件建立列车荷载作用下冻土路基结构动力反应的数值模型,分析了列车荷载作用下冻土路基动力响应沿深度方向的分布规律,并探讨了冻土层和列车速度对路基振动反应的影响规律。所得结论为铁路路基设计和加固提供了理论依据。     

铁路桥梁主梁横向动力系数测试研究

该文对列车通过铁路桥梁时,桥梁主梁横向振动响应的动力放大系数的测试进行了研究。文中采用简谐激励Feqsinωt作为列车的横向摇摆力作用在铁路桥梁上以确定桥梁主梁横向动力放大系数。根据现有研究结果,在不同车速作用下,将轮对作用在桥梁钢轨顶部的横向集中力的最大值作为简谐激励幅值,并对该横向集中力的时程曲线做功率谱变换,得到横向集中力的主频范围。分别将该简谐激励作用在桥梁第一跨跨中、第二跨1/4跨及第二跨跨中时的主梁跨中动力放大系数,测试结果表明,铁路桥梁在车速不超过120km/h的情况下,动力放大系数最大值不超过1.3,桥梁结构的动力响应能满足主梁横向刚度的要求。     

Vibration of railway bridges under a moving train by using bridge-track-vehicle element

During the last two decades, much attention has been paid to various vibration problems associated with railways. They include the dynamic response of railway bridges and railway tracks at grade under the action of moving trains. However, studies on the role of track structures on the vibration of railway bridges are rather limited. In this paper, a new element called bridge-track-vehicle element is proposed for investigating the interactions among a moving train, and its supporting railway track structure and bridge structure. The moving train is modelled as a series of two-degree-of-freedom mass-spring-damper systems at the axle locations. A bridge-track-vehicle element consists of vehicles modelled as mass-spring-damper systems, an upper beam element to model the rails and a lower beam element to model the bridge deck. The two beam elements are interconnected by a series of springs and dampers to model the rail bed. The investigation shows that the effect of track structure on the dynamic response of bridge structure is insignificant. However, the effect of the bridge structure on the dynamic response of the track structure is considerable.     

Strengthening of a steel railway bridge and its impact on the dynamic response to passing trains

Two different strengthening methods for a through-girder steel railway bridge are investigated. The studied structure is the Söderström Bridge, located in the city of Stockholm, Sweden. Due to fatigue problems, it is in need of assessment and strengthening. In one of the methods, arches are added under the bridge modifying the structural system and lowering the stress ranges for all structural members. The other method consists of prestressing the floor beams. This increases their stiffness and transforms the mean stress in the lower flanges from tension to compression. A 3D finite element model is created and verified with measurements. The different strengthening methods are tested in the model by dynamic analysis with moving train loads. The strengthening methods show some positive effect concerning the fatigue life. Changes in vertical bridge deck acceleration for high speed traffic are also presented. A comparison between the European code and the Swedish code regarding vertical bridge deck acceleration levels for high speed traffic shows large differences for the bridge.     

Passive and Adaptive Damping Systems for Vibration Mitigation and Increased Fatigue Service Life of a Tied Arch Railway Bridge

In this article, the use of external damping systems for vibration mitigation of railway bridge dynamics is studied. For a presented case study bridge, the performance of different tuned mass damper systems (TMDs) is studied. During train passage, the change in dynamic characteristics of the bridge may produce a significant detune to a passive TMD. Therefore, routines for a variable stiffness TMD using incremental frequency estimates are developed. Based on numerical simulations, the cumulative fatigue damage is calculated for different damper systems. Due to resonant behavior, the results are found to highly depend on the train speed. Based on an assumed probability density function for the train speed, fragility curves are produced to express the probability of fatigue failure as a function of the number of train passages.     

风-汽车-桥梁系统空间耦合振动研究

为了考虑侧风引起的车轮相对于桥面的侧向相对滑动,在车轮与桥面之间引入了一个特殊阻尼器,这个阻尼器的阻尼系数依赖于车辆与桥梁的竖向耦合运动。在综合考虑路面粗糙度、车辆悬挂系统以及车轮相对于桥面侧向相对滑动的基础上,提出能够考虑桥梁的静风响应、抖振响应、汽车-桥梁耦合振动、系统的时变特性以及结构几何非线性和气动荷载非线性影响的风-汽车-桥梁系统空间耦合振动分析模型,编制了相应的分析程序。该程序既可以预测不同路面粗糙度,车速以及干、湿、雪、冰路面状况下行驶于桥梁上车辆的行车安全性,也可以评价低风速下车辆驾驶舒适度以及侧风和车辆移动荷载对桥梁振动的影响。     

交叉梁体系桥面板荷载有效分布宽度试验研究

为探究源于肋梁体系的荷载有效分布宽度规定在斜拉桥交叉梁体系桥面板上的适用性，设计制作 1∶6的斜拉桥主梁节段缩尺模型，同时基于弹性薄板理论，建立考虑横梁弹性支承的连续板受力分析模型，利用荷载横向对称变位试验的相关静载数据验证计算模型的准确性，进一步开展考虑横梁变形影响的桥面板荷载有效分布宽度研究。算例分析表明：考虑横梁变形的桥面板荷载有效分布宽度总比不考虑横梁变形的情况要大，且荷载有效分布宽度从横梁侧往板中移动时逐渐减小，与桥梁规范的分布规律相反，同时桥面板在靠近主梁侧存在双向受力区域，若依然采用荷载有效分布宽度规范值则会低估活载响应，设计时应该引起注意。     

Fatigue assessment of a composite railway bridge for high speed trains. Part I: Modeling and fatigue critical details

Steel bridges for high speed trains may sustain excessive fatigue damage due to stronger dynamic effects induced by the increased train speed. Dynamic tests were carried out on a composite railway bridge for high speed trains. A detailed finite element (FE) model of the bridge was established and validated by the dynamic test results. Six types of structural details in the bridge were considered for fatigue evaluation. The stress history of each concerned detail during a single train passage was generated by the validated FE model. The stress spectrum, obtained through Rainflow cycle counting of stress history, was used to calculate the fatigue damage of each detail, based on the detail category specified S–N design curve and the Palmgren–Miner damage rule. Among various structural details, the load carrying fillet weld around the gusset plate of the diagonal bracing at the bridge bearing is predicted to be the most fatigue critical detail. In this paper, a general methodology for determination of fatigue critical details is presented, which can serve as a basis of enhanced fatigue evaluation by using local stress approaches. In “Part II: conditions for which a dynamic analysis is needed” as the continuation of this paper, fatigue assessment will be investigated based on the dynamic stresses predicted by different approaches, i.e. static analysis considering dynamic amplification factor, direct dynamic analysis with a moving load model or a train–bridge interaction model.     

行人-结构竖向动力耦合效应试验研究

对于轻质大跨度钢桥结构,行人-结构之间的相互作用会使结构动力特性和行人荷载特性发生改变。为此,针对行人-结构竖向动力耦合效应对结构动力参数和行人荷载动载因子的影响进行试验研究。通过测试行人在8种不同步行频率下行走时结构的动力响应,得到60人次554组有效加速度响应时程,进行运行模态分析;利用无线六轴蓝牙加速度传感器,分别在刚性地面和柔性桥面上开展了3种不同步行频率下行走激励的动力特性试验,得到了60人次1200条有效加速度时程,并对其进行傅里叶变换。结果表明：考虑行人-结构竖向动力耦合效应,人行桥自振频率略有减小,阻尼比显著增加,且随着同步行走人数的增加,结构频率及阻尼比变化率逐渐减小。由于桥梁自振力的存在,行人荷载作用于刚性地面上的动载因子(dynamic load factor,DLF)大于柔性地面上的,试验结果表明,相较于刚性地面,行人在柔性桥面上行走时的第一阶动载因子减小14.7%。给出了刚性地面和柔性桥面前四阶行人荷载动载因子拟合公式,其可为柔性结构下考虑行人 结构相互作用的生物力模型的建立提供参考。     

列车交通荷载作用下地基土单元体的应力路径

为研究列车交通荷载作用下地基内部动应力特征以及土体单元经历的应力路径,基于2.5维有限元数值方法建立轨道-路堤-地基耦合分析模型,其中轨道在轮轴荷载作用下的弯曲变形用欧拉梁来描述,而列车荷载被简化为作用于轨道上的单个或多个移动轮轴荷载,通过基于半解析的方法推导得到了地基中的动应力解答。剖析列车轮轴荷载作用过程中地基内部土单元体经历的应力路径和其中的主应力轴旋转现象;发现当列车速度低于地基剪切波速时,不同速度的荷载作用下不同地基深度处的土单元应力路径曲线形状都很相似;而当荷载速度增大到接近或者超过地基剪切波速时,土单元应力路径曲线和应力分布均发生很大改变。分析结果为研究交通荷载作用下软土的动力特性及地基长期附加沉降提供了基础。