弹性支座对简支箱梁桥振动特性的影响及隔振效果研究

以32 m简支箱梁桥为原型,以10∶1为几何缩尺比,设计制作了简支箱梁桥的相似模型,并依据弹性力相似律推导了原型桥与模型桥间的相似关系,之后对原型桥与模型桥的有限元模型进行模态分析,以及开展模型桥的模态试验,通过模态数据对比验证了相似模型桥的可靠性。在此基础上,通过锤击试验,研究了不同竖向刚度的弹性支座对箱梁振动特性的影响,并探讨了弹性支座在箱梁桥上部结构与桥墩间的隔振效果。结果表明:在20～200 Hz的中高频段范围内,支座刚度变化会对箱梁跨中的结构振动产生一定的影响,但影响很小;振动由顶板传递至翼板的过程中衰减慢,其次是腹板,振动由顶板传递至底板的过程中衰减最快;简支箱梁桥上部结构与桥墩间设置弹性支座可有效降低墩顶的振动,且支座刚度的大小对弹性支座的隔振效果影响很大,同时弹性支座在不同频率下的隔振效果差异较大。     

城市轨道交通高架U型梁车-轨-桥耦合振动分析

基于多体动力学原理与有限元法,利用多体动力学软件Simpack建立三维车-轨-桥耦合振动仿真模型,对列车过桥时U型梁及轨道结构竖向和横向振动进行分析,研究扣件、板下弹性支承与桥梁支座参数对U型梁和轨道结构振动的影响,给出各参数合理取值范围。研究结果表明:列车以80 km/h的速度过桥时,1阶模态对U型梁局部振动贡献最大,且在轨道不平顺激励下,容易激发高阶模态,致使U型梁局部振动加剧;U型梁翼缘处横向振动不容忽视,且应重点关注钢轨与轨道板的竖向振动;增大扣件刚度可明显减小钢轨变形,但过大的扣件刚度会使轨道板和U梁振动加剧,建议扣件竖向刚度取值范围为20 MN/m~50 MN/m;增大板下弹性支承刚度可明显减小轨道板及钢轨的竖向变形,但过大的刚度将削弱轨道弹性,不利于减振,建议板下弹性支承竖向刚度取值范围为1.0×103MN/m~1.5×103MN/m;支座刚度在一定范围内增大可减小U梁、轨道板和钢轨的振动,但过大的刚度反而会使振动加剧,建议支座竖向刚度取值范围为3×103MN/m~4×103MN/m。     

地铁车辆段新型隔振支座的减振效果研究

针对地铁车辆段上盖物业存在的振动舒适度问题以及缺乏相应有效减振措施的现状,开发了一种新型隔振支座来减小竖向列车振动。介绍了支座的结构构造及特点,在理论上提出设计方法;以某地铁车辆段工程为背景,通过数值模拟,对比分析了上部结构在隔振前后的动力响应,并对支座的减振效果进行评价。结果表明:隔振后,上部结构除在竖向一阶自振频率5.44 Hz和楼板局部模态频率16 Hz附近出现振动放大现象外,在其他频段的振动均得到明显降低,且隔振结构的各层Z振级均小于原结构,最大差值达12.1 dB;隔振支座对10 Hz以上频段的减振效果显著,其1/3倍频程振级的插入损失达20 dB,Z振级的减小量可达10 dB。     

中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动研究

为了探讨中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动,基于SIMPACK和ANSYS联合仿真,首先建立了中低速磁浮列车-桥梁/低置梁系统竖向耦合振动模型,以某试验线20 m简支梁现场动载试验为依据,验证此方法的可靠性。随后,根据所建立的中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动模型进行动力仿真分析,并探讨了不同参数对低置梁竖向动力响应的影响。结果表明:低置梁自振频率较高,一阶竖弯达32.9 Hz;低置梁框架跨中竖向动位移及加速度均较底板中心大,框架振动属于高频振动（相对于底板振动）,在50 Hz~100 Hz加速度显著大于底板中心;磁浮列车荷载加载频率较高,该加载频率（整数倍）易与低置梁自振频率重合或接近而产生共振效应,显著放大低置梁动力响应;随着支撑脱空长度的增大,低置梁动力响应显著增大,且增速加大,随着路基刚度和底板厚度的增大,低置梁动力响应减小,且减小的幅度变小。     

城市轨道交通箱梁中高频振动导纳特性试验研究

以某城市轨道交通30 m混凝土简支箱梁为研究对象,开展现场锤击试验,对其中高频振动导纳特性进行了研究。结果表明:简支箱梁顶板和翼板导纳优势频段为中心频率80 Hz~125 Hz,峰值频率为100 Hz;腹板和底板导纳优势频段为中心频率63 Hz~100 Hz,峰值频率为80 Hz。随着距离激励点距离的增大,箱梁各板件的中高频振动导纳逐渐减小,作用在箱梁上的力对距离激励点L/4(L为桥梁跨度)以外的梁段影响很小。简支箱梁各截面的形式沿纵桥向变化不大,因而各截面的中高频振动特性也差别不大。箱梁各板件导纳峰值频率重合可能引起板件共振,增大板件振动和噪声辐射。增大简支箱梁各板件厚度能够抑制其中高频振动,有利于减振降噪。     

城市轨道交通临近建筑的隔振分析

基于车辆-轨道垂向耦合模型获得的地铁轨道路基振动激励,建立了采用粘弹性边界平面有限元地层模型,分析了地面振动响应特点;分析了叠层橡胶垫、圆柱形螺旋港弹簧和碟形弹簧三种隔振元件的力学性能,讨论了建筑基础隔震技术在城市轨道交通领域减振应用的可能性;采用一四层框架作为研究模型,分析了基础隔振框架随结构竖向自振特性变化的振动响应规律,并提出设计建议.分析结果表明:地铁路基荷载一般在10 Hz以下,集中在5 Hz以内,主要表现在低频段;水平与竖向结构动力响应均应考虑;现有隔振元件竖向刚度经过适当调整,或者采用适当的组合形式,是可以满足对城市轨道交通引起的建筑结构振动控制的要求;隔振结构竖向第一自振频率控制在3 Hz-5 Hz范围内.并在隔振层附加5%-10%的阻尼,可以获得70%竖向减振效果.     

无砟轨道-箱梁结构振动传递及参数影响分析

随着高架桥梁在轨道交通中的广泛应用,轨道交通引起的桥梁结构振动与噪声问题越来越引起人们的关注。以常见的无砟轨道-箱梁结构为研究对象,考虑常用的扣件、桥梁支座及CA砂浆性能参数,基于轨道和桥梁振动理论建立钢轨-轨道板-CA砂浆层-基座-桥梁系统空间实体振动分析模型,以轨道和桥梁结构的位移导纳为考核指标,分析振动在无砟轨道-箱梁结构中的传递,研究各关键参数对振动衰减的影响。计算结果表明:高速列车运行引起的10 Hz以内的低频振动衰减较慢,10 Hz以上的振动随着频率的增加衰减速度逐渐加快;桥梁腹板10 Hz以内的横向振动幅值约为竖向振动的10%,10 Hz以上两者振动水平相当;桥梁支座对桥梁结构低频振动有一定减振作用,而弹性扣件对中高频的桥梁结构振动有减振作用,CA砂浆层刚度对桥梁结构的振动影响较小;低刚度扣件减小桥梁振动的同时,会加剧较高频率的钢轨振动。计算及分析结果可为高速铁路桥梁结构的减振降噪设计提供参考。     

城市轨道交通槽型梁结构噪声计算与分析

该文用模态叠加法对城市轨道交通槽型梁进行车-轨-桥耦合动力计算,借助SYSNOISE求出模态声传递向量MATVs,进而用MATVs和梁的模态坐标响应计算桥梁的结构噪声。噪声计算值与实测值在频率分布和幅值上有较高的一致性,证明振动与噪声数值模型的可靠性。槽型梁结构噪声的线性声压级峰值频率为40Hz~80Hz,数值计算表明:动力分析只需考虑轮轨竖向接触即可满足结构噪声计算要求;考虑200Hz以下的声源激励和100Hz以下的结构模态作为边界条件可达到较好的噪声计算精度;调节轨下胶垫的刚度能有效减小结构振动,降低结构噪声2dB~3dB;声压级和车速有强线性关系。     

轨道-箱梁结构振动传递的模型试验研究

以京沪高铁常用的32 m无砟轨道箱梁结构为原型进行了模型试验,其中模型为轨道-箱梁结构。根据1/10的几何相似比,介绍了试验模型各结构的设计与制作过程,荷载激励由激振器施加。试验结果表明:轨道板振动在500-1024 Hz频段内衰减缓慢,底座板和顶板振动在0-1024 Hz频段内衰减较快;振动由顶板传递至翼缘板的过程中衰减最小,腹板其次,振动由顶板传递至底板的过程中衰减最大;腹板和底板振动在0-1024 Hz频段内中高频段衰减快。在0-1024 Hz频段内,轨道板振动沿纵向衰减很小;在670-1024 Hz频段内,底座板振动在跨中至四分之一截面的范围内衰减很大,在四分之一至端部截面的范围内衰减较小。在700-1024 Hz频段内,翼缘板振动在跨中至四分之一截面的范围内衰减较大,在四分之一至端部截面的范围内衰减较小。支座刚度值对轨道-箱梁跨中结构振动有一定影响,但影响很小。支座刚度值对隔振有一定影响,具体影响与分析频段有关。     

近场竖向地震激励下桥梁支座对竖向碰撞的影响

考虑桥梁支座的作用, 针对两跨连续梁桥的竖向碰撞问题, 建立了梁-弹簧-杆连续体模型. 采用瞬态波特征函数展开法和组合体瞬态内力法, 推导了多次竖向碰撞问题的理论解, 分析了桥梁支座对竖向碰撞的影响. 研究结果表明:桥梁支座直接影响桥面与桥墩的局部碰撞接触刚度, 显著影响竖向碰撞响应, 包括碰撞次数、竖向碰撞力和碰撞位移响应等. 桥梁支座对竖向碰撞具有显著的吸能减震效果, 且影响竖向碰撞响应的基本特征, 如次碰撞出现的频次和响应的频率. 当近场竖向地震激励周期逼近桥梁的固有振动周期时, 桥面上抛跳起, 与桥梁支座产生剧烈竖向碰撞. 由于调节桥梁支座的刚度可以改变桥梁的固有振动周期, 因此, 合理设计桥梁支座对于降低竖向碰撞的破坏作用, 提高桥梁结构抵抗竖向地震的能力, 具有重要的价值.     

现代有轨电车线路扣件系统模态与钢轨波磨关系研究

为了预防有轨电车扣件系统中弹条断裂病害的发生,对现代有轨电车钢轨-扣件系统进行有限元模型建立,并在考虑弹条正常安装状态预应力的基础上,对不同轨下垫板刚度的扣件系统进行模态分析,利用统计方法研究了列车速度、波磨波长、弹条模态及轨下垫板刚度之间的相关关系,结果表明:弹条小圆弧处断裂与其中高阶模态有关,大圆弧处断裂与其中低阶模态有关,现代有轨电车系统的列车通过频率主要分布于500 Hz以下频段;随着轨下垫板刚度增加,弹条模态固有频率提高,受轨下垫板刚度影响较大的弹条模态固有频率的频段为196.64 Hz~258.31 Hz、630.16 Hz~673.51 Hz;在列车车速(30 km/h~70 km/h)和钢轨波磨波长(25 mm~80 mm)等概率分布的条件下,3种典型弹条断裂形式出现的概率分别为3.5%、36.3%、25.9%,改变车速及波长范围即可进行指定线路的弹条断裂形式概率分析,从而有针对地进行养护维修、伤损检测计划的安排。     

TID隔振器浮置板轨道低频减振特性研究

为了实现对地铁低频环境振动的控制,提出了一种基于TID(Tuned inerter damper,调谐惯容阻尼器)的浮置板板下隔振器,并以此形成新型浮置板轨道结构。分别探究了TID隔振器浮置板轨道的低频弹性波传播特性、简谐点荷载作用下振动特性以及列车荷载作用下减振效果;结合多目标遗传算法,开展了TID参数优化分析。结果表明：TID的引入使得传统钢弹簧浮置板新增弯曲波带隙,实现了对板内弹性波的调控;浮置板低频共振所致的振动放大问题得到较大改善。TID隔振器浮置板轨道在4 Hz～16 Hz频率范围内的减振效果得以提升,浮置板振动响应也得到减弱。     

扣件胶垫刚度的幅频变对轮轨耦合系统随机频响特征的影响

以热塑性聚氨酯弹性体（TPEE）的扣件胶垫为研究对象,首先利用万能试验机测得其荷载-位移非线性曲线。然后,借助非线性静力分析的有限元模型,计算车辆静载与弹条扣压共同作用下该类扣件胶垫的位移幅值及其对应的静刚度。最后,运用车辆-轨道垂向耦合随机振动分析模型,探讨聚氨酯胶垫的常量刚度、频变刚度与幅频变刚度对车辆-轨道耦合系统随机振动频响特征的影响规律。研究结果表明:聚氨酯胶垫的静刚度具有显著的非线性特征,而且在20 kN扣压力与80 kN静轮载共同作用下聚氨酯胶垫的静刚度在19.1 kN/mm~37.9 kN/mm范围内变化,其均值与规范中假设的线性常量静刚度26.7 kN/mm相近;另外,与聚氨酯胶垫的幅频变刚度相比,它的常量刚度会严重低估轮轨系统65 Hz~150 Hz的频域响应。因此,如果车辆-轨道系统中有刚度非线性较强的高分子材料,就必须综合考虑这些材料刚度的幅变与频变特征,否则将难以准确预测轮轨系统及其周边环境振动的频域响应。     

扣压力失效状态下WJ-8扣件垂向力学行为研究

为研究扣件扣压力失效对车-轨系统动力性能的影响,通过建立WJ-8扣件精细化分析模型研究了扣件在不同受力阶段的垂向非线性刚度行为,提出了改进的抗拉刚度双线性模型和不受拉弹簧模型用来表征扣压力失效的扣件,并分析了不同扣件失效类型对车辆-轨道系统动力响应特性的影响。分析结果表明,扣件垂向刚度可离散为抗拉刚度与抗压刚度。当上拔力超过扣件扣压力后,扣件的垂向抗拉刚度迅速减小,无法保持对钢轨上移的约束作用。扣件扣压力失效和完全失效都削弱了钢轨的约束,增大了钢轨振动。其中扣压力失效主要增加钢轨在8 Hz~50 Hz范围内的振动,完全失效下钢轨振动在全频段内都有所增加。     

车轨桥中高频耦合振动分析的功率流方法及模型

轮轨滚动激励引起的桥梁振动响应和输入功率是计算桥梁结构辐射噪声的重要参数。时域车轨桥耦合振动分析常用于低频振动分析,但在中高频分析时效率较低。为此,提出一种基于力法原理的频域功率流方法解决这一问题。采用无限长Euler梁或Timoshenko梁建立钢轨部件,采用无限大Kirchhoff板、Mindlin板或有限元模型建立桥梁部件,采用弹簧元件模拟钢轨与桥梁之间的连接扣件,并以弹簧力为未知量建立力法基本方程。对比计算了不同轨桥模型对U梁和箱梁桥振动功率的影响。结果表明:U梁桥面板的剪切效应对桥梁振动功率计算结果影响很大,采用传统的无限大Kirchhoff板模型将导致功率级计算误差达到15 dB,而采用Mindlin板模型可获得良好的计算精度与效率。相对于箱梁实体有限元模型而言,采用Mindlin板模型的误差仍然较大。     

振动板速度最小化减振优化设计研究

减振设计是结构设计的重要内容之一，优化设计可在设计阶段通过对设计模型的定量修改获得理想的减振效果。基于有限元直接法计算振动板的频率响应，以板局部厚度为设计变量，计算了振动速度对局部板厚度的灵敏度；以振动板各节点振动速度的平方和最小化为目标，建立了减小振动板振动速度的减振优化数学模型，用可行方向法实现了优化。以一两端固支矩形板的振动为研究算例，对其在1Hz～200Hz的振动实施了优化；优化后振动板各节点在研究频率内的振动速度都得到了降低，降低最大值达0．311m／s。实例结果表明，优化设计通过对结构重量的重新分布可在结构重量相对不变的情况下，在一较宽频段内均得到减振效果。     

非对称Bernoulli-Euler薄壁梁的弯扭耦合振动

通过直接求解均匀Bernoulli-Euler薄壁梁单元自由振动的控制运动微分方程,推导了其精确的动态传递矩阵。采用Bernoulli-Euler弯扭耦合梁理论,假定梁横截面没有任何对称性,考虑了薄壁梁在两个方向的弯曲振动及翘曲刚度的影响。动态传递矩阵可以用于计算非对称薄壁梁及其集合体的精确固有频率和模态形状。针对具体的算例,给出了各种边界条件下固有频率的数值结果并与文献中已有的结果进行了比较,还讨论了翘曲刚度对固有频率和模态形状的影响,结果表明如果忽略翘曲刚度的影响,可能得到毫无意义的结果。     

冻融条件下公路桥梁板式氯丁橡胶支座抗剪试验

公路桥梁橡胶支座比建筑橡胶支座更容易受到气候的影响,为了研究公路桥梁板式氯丁橡胶支座在受到气候影响时的各项抗剪性能指标变化情况,采用标准冻融试验箱模拟低温气候变化,对氯丁橡胶支座进行冻融循环处理25、50、75、100次,并对其进行抗剪试验,采用与标准试件进行对比分析的方法,研究冻融循环对氯丁橡胶支座的抗剪承载力、抗剪强度、水平等效刚度、抗剪弹性模量的影响。结果表明,氯丁橡胶支座在冻融循环处理条件下比标准试件更易发生破坏,且钢板外露、裂缝等破坏现象更严重。氯丁橡胶支座的抗剪承载力、抗剪强度、水平等效刚度、抗剪弹性模量都随冻融程度的加深而降低。采用最小二乘法对其抗剪强度和抗剪弹性模量变化进行分析并给出衰减曲线和衰减函数,抗剪强度和抗剪弹性模量的变化趋势基本符合幂函数规律。