移动荷载作用下曲线轨道振动响应解析解研究

将曲线轨道模拟为周期性离散支撑的曲线Timoshenko梁,首次推导了移动荷载作用下曲线轨道平面外振动的响应解析解。首先以Duhamel积分为基础,应用动力互等定理,得到沿曲线移动荷载作用下,半无限弹性空间体上任意点动力响应的一般表达式;然后在该式的基础上,针对轨道结构的周期性支撑特点,将荷载沿钢轨的移动问题转化为拾振点以轨枕间距为周期反方向跳跃式移动与荷载只在一个轨枕间距内移动的组合问题。以此,将一个频域积分问题转化为拾振点频域周期解的叠加问题,从而得到了曲线轨道在移动荷载作用下动力响应的解析解。曲线梁的传递函数用传递矩阵法求解。通过对曲线简支梁在移动荷载下振动响应的求解,验证了计算模型的正确性;对比曲线轨道和直线轨道在移动荷载下的振动响应结果,发现:相同荷载条件下,曲线轨道的振动响应大于直线轨道的响应,轨道振动响应频谱与荷载速度密切相关,并且曲线轨道的响应频谱更为丰富。     

地铁列车荷载作用下轨道系统及饱和土体动力响应分析

 为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,建立了地铁列车–轨道结构–衬砌–饱和土体耦合分析模型,其中列车荷载用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟,轨道结构中的钢轨和浮置板简化为无限长弹性Euler梁。基于弹性理论和Biot多孔介质理论,采用2.5维有限元法分别模拟衬砌和饱和土体,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道系统与衬砌及周围饱和土体的耦合,并通过快速Fourier逆变换(IFFT)进行波数展开获得三维时域–空间域内的动力响应。研究结果表明,随着常荷载移动速度和移动简谐荷载自振频率的提高,地表振动水平显著增大;移动常荷载产生的地表响应最大值在荷载正上方,其空间衰减率保持恒定;移动简谐荷载产生的地基振动大于移动常荷载产生的地基振动,响应最大值在列车运行线路两侧一定范围内;在移动简谐荷载作用下,钢轨速度谱与地表速度谱分布在以简谐荷载自振频率为中心的一段范围内。     

简支T型梁桥动力分析与减振优化设计

应用ANSYS软件建立有限元模型,研究了移动荷载对简支T型梁桥动力响应的影响,计算分析了不同运行速度的移动荷载通过简支T型梁桥引起的动力响应。结果表明,随着运行速度的提高,位移响应也相应提高;随着梁联数的增加,自振频率相应增加。基于振动分析,对简支T型梁桥的减振方案进行优化设计。分析表明,通过改变截面减小位移响应的方法减振效果不太明显,而采用X型横向连接方式减振效果优于传统的横向连接减振方式。研究结果可为简支T型梁桥结构的减振设计和施工提供理论参考。     

考虑移动荷载随机性的裂纹梁动响应分析与裂纹定位

对简支裂纹梁在移动随机荷载作用下的位移响应及裂纹定位问题进行研究。发展了含横向开口裂纹的Euler-Bernoulli梁在单个匀速移动随机荷载作用下位移响应理论解,研究了移动荷载噪声标准差恒定情形下裂纹梁的随机动力响应问题,并采用Monte Carlo数值模拟法对提出的移动随机荷载作用下裂纹梁位移响应理论解的正确性进行验证。此外,提出了一种基于时–空转换的梁结构损伤统计定位方法,利用移动荷载的匀速性,将有限测点传感器采集的时域随机响应信号分别转换为梁结构的空间域随机响应,利用Daubechies离散小波变换揭示裂纹引起的空间域响应曲线突变可识别性与随机荷载噪声程度之间的关系,并通过一系列不同速度随机移动荷载下裂纹梁的空间域响应及其均值的离散小波变换分析,实现随机荷载噪声情况下的裂纹定位。     

非饱和土层中桩的扭转振动响应分析

基于已建立的非饱和土中的波动方程,研究了瞬间扭转荷载作用下桩的动力响应问题。在频域中,得到了桩顶位移和速度的响应函数。利用付立叶逆变换,给出了半正弦脉冲激励下桩顶速度时域响应半解析解。分析了主要参数对响应的影响。最后将分析结果进行了对比,结果表明:本文的退化解和饱和土扭转振动解是一致的。     

预应力简支梁桥在移动荷载作用下的非线性动力特性分析

考虑预应力梁的剪切变形和几何非线性,建立梁的动力学基本方程式,应用增量谐波平衡法,分析计算梁在预应力作用下的横向振动问题。通过实例计算,得到梁在移动车辆荷载作用下的幅频响应曲线和力与位移的非线性响应关系,并给出了外激励频率不同且初始预加力变化时动挠度的变化规律。计算结果表明,梁非线性位移明显大于线性位移,且荷载与位移呈明显非线性关系,非线性因素的影响不可忽略;施加预应力可以提高梁的动抗弯刚度,减少梁的动挠度值。为预应力混凝土桥梁的设计和动力特性分析提供一定的理论依据。     

高速铁路无砟轨道砂浆层离缝对车轨耦合振动系统的动力影响

文章为研究CA砂浆层离缝状态对车轨耦合系统振动响应的影响,建立了考虑砂浆层离缝损伤的车辆—轨道耦合动力学模型,仿真分析了离缝状态及离缝区行车速度对车轨耦合振动响应的动力影响。结果表明:单一离缝脱粘对车轨系统振动响应影响较小;当砂浆层离缝上拱高度超过1 mm时,轮轨垂向力、轮对振动加速度、钢轨振动加速度显著增大,其中钢轨振动尤为剧烈,而车体垂向加速度变化相对较小;当行车速度低于200 km/h时,离缝损伤主要影响轨道结构振动,对行车舒适性和安全性影响较小;当行车速度高于300 km/h时,离缝损伤显著加剧了轮轨垂向相互作用,恶化了车辆运行品质。因此,对高速铁路离缝损伤问题须加以重视。     

移动简谐荷载作用下饱和土体中圆形隧道和轨道结构的动力分析

采用解析法研究了移动简谐荷载作用下饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构的动力响应,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成周期性的两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例分析了荷载移动速度、自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响,对比了连续浮置板轨道和离散浮置板轨道的动力特性。结果表明:离散浮置板轨道情形下,轨道结构和饱和土体响应频谱中存在由荷载周期通过不连续浮置板而引发的参数激励;荷载自振频率接近轨道结构固有频率时产生共振,对轨道结构和饱和土位移、孔压响应均有较大影响;离散浮置板轨道和连续浮置板轨道动力特性有显著差异,当荷载频率接近有限长浮置板形成驻波的频率时,二者对应的自由场响应区别明显;增大衬砌厚度可以显著减小饱和土位移响应。     

抛物线拱桥在移动荷载作用下的动力响应分析

建立抛物线双铰拱桥的强迫振动的运动微分方程,分析了拱桥在移动荷载作用下的横向振动问题,将运动微分方程解耦,得到拱桥在移动荷载作用下振动时的动力响应并加以分析,通过实例计算,得到了拱桥在移动荷载不同行驶速度时的动力挠度曲线,并进行了比较分析。     

地表移动荷载对既有地下隧洞动力影响解析研究

为获得地表移动荷载对地下隧洞的动力影响,首次给出了地表移动荷载作用下半空间隧洞动力响应解析解。地表移动荷载采用移动简谐荷载模拟,含隧洞半空间地基通过各向同性弹性介质模拟。基于弹性地基控制方程在直角坐标系和柱坐标系下基本解及平面与柱面波函数波形转换,结合地基表面和隧洞柱面施加边界条件,在频域中求得移动荷载下半空间弹性地基与隧洞解析解答,并结合快速Fourier逆变换求得隧洞时域动力响应。利用本解析模型,可计算获得地面移动荷载引起的地下隧洞振动影响,通过与已有研究对比,对本模型正确性进行验证。计算分析了不同荷载移动速度与隧洞埋深下,隧洞表面位移、加速度和地基中动应力响应。研究表明,随着荷载移动速度增加,隧道拱顶地基中动应力与振动加速度均显著增加。地基中动应力随隧道埋深增加迅速衰减,隧洞加速度随埋深衰减相对较慢,但当隧洞埋深超过某一临界深度时,隧洞振动可低于我国规范规定限值。在低速范围,隧洞临界深度随荷载速度线性增加,但当荷载速度超过一定值,隧洞临界深度随着荷载速度呈指数型增长。     

参数化分析列车运行产生的路堤–地基振动

 为预测和分析高速列车运行产生的轨道和路堤振动及波动在沿线周围地基中的传播，利用2.5维有限元方法建立了轨道、路堤和下卧层地基在移动荷载作用下的动力耦合分析模型及无路堤情况下的轨道地基模型，求解三维地基的动力响应。对高速或低速运行的列车多轮重荷载产生的路堤和地基振动进行对比分析。通过参数化分析明确轨道刚度、路堤高度、地基土的剪切波速及阻尼系数、列车速度和振动频率等参数对地基振动和传播特性的影响。给出的方法和结论可用于分析软土地基上运行高速列车时的稳定性问题和评估列车运行对周围环境的振动影响。     

竖扭耦合的大跨度桥梁颤抖风振响应分析

以 Scanlan的颤抖振分析理论为基础 ,推导了桥梁截面偏心时大跨度桥梁竖弯、扭转相互耦合的颤抖风振基本方程及响应均方值表达式 ,以金门大桥为算例 ,证明了求解方法的正确性 .     

基于附加质量模型的管桩扭转振动研究

基于附加质量模型研究了管桩的扭转振动特性,为管桩的无损检测、动力基础设计和抗震设计提供了新的理论依据。首先,推导出管桩桩顶复刚度和速度频域响应解析解及半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解;然后将该文解与经典的平面应变解进行对比,验证本文解的合理性;最后分析土塞高度和土塞与管桩之间的阻尼作用对管桩扭转振动特性的影响。分析表明:土塞高度和土塞与管桩之间的阻尼作用是影响管桩扭转复刚度的重要因素;随着土塞高度的增加和土塞与管桩之间阻尼作用的增强,填充土塞段管桩的扭转综合波速会逐渐减小。     

桩与滞回阻尼土相互作用时桩基扭转振动时域响应分析

考虑桩土相互作用效应,对均质滞回材料阻尼土中弹性支承桩桩顶扭转振动时域响应进行解析理论研究。首先建立桩与滞回阻尼土在谐和振动条件下的定解问题,然后先对土层动力平衡方程进行求解并得到土体振动扭转角形式解,接着依据平衡条件将该形式解耦合进桩身动力平衡方程,并通过对桩动力平衡方程的求解,最终得到桩顶扭转角和速度频率响应解析解和半正弦脉冲激励作用下桩顶速度时域响应的半解析解。通过与其他相关理论解的对比验证该解的正确性和适应性,并对桩土相互作用时桩顶扭转振动时域特性进行分析,重点探讨桩周土滞回阻尼、长径比、模量等常规参数对桩顶时域响应的影响,得到若干结论。     

基于解析层元法的成层半平面地基移动荷载动力响应研究

解析层元法具有较高的计算效率和数值稳定性,为此基于解析层元法研究移动荷载作用下层状各向同性地基的平面应变动力响应问题。假定研究坐标系随移动荷载同步移动,移动荷载相对于移动坐标系处于相对静止状态,从而将移动荷载作用下的动力问题转化为准静态问题。结合移动坐标系下的控制方程和傅里叶变换方法,推导出单层有限厚度和半空间土体在傅里叶变换域内的解析层元。根据有限层法原理组装各土层的解析层元得到总刚度矩阵,再结合边界条件求解总刚度矩阵方程在积分变换域内的解。然后,利用傅里叶积分逆变换将变换域内的解答转换为物理域内的解。最后,通过算例验证本文理论的正确性,并分析荷载移动速度、荷载作用深度、成层性及地基加固厚度与加固效果等对成层地基动力响应的影响。研究表明:地基的竖向位移和竖向应力随荷载移动速度的提高而不断增大,当移动速度接近土体的剪切波速时,地基竖向位移和竖向应力均迅速增加;移动荷载作用下地基的成层性对土体的竖向位移有较大的影响,且主要受地基表层土体性质的影响;表层土体的加固对减小地基沉降有显著效果,随着加固效果的增加,地表沉降的减小量逐渐降低。     

扭转波应用于低应变动力测桩的理论研究

给出层状土中多缺陷桩在桩顶冲击扭矩作用下桩顶扭转响应的解。考虑了桩土相互作用。应用Laplace变换和传递矩阵 ,解桩的满足初始条件和边界条件的一组偏微分方程 ,导出桩土系统的传递函数 ,得到桩顶某点扭转振动速度的频率响应函数和频率域表达式。该点扭转振动速度时程由快速Fourier逆变换计算。用这种解研究桩的扭转波特征 ,其结论对应用扭转波进行低应变动力测桩有指导意义     

嵌岩特性对嵌岩桩桩顶扭转振动阻抗的影响

考虑桩身截面和桩侧土性质的变化,建立了层状土中嵌岩桩的扭转振动计算模型和控制方程; 利用Laplace变换技术和阻抗递推技术,求得任意荷载作用下嵌岩桩桩顶扭转振动复阻抗,并通过与现有解对比验证了所得解析解的合理性。基于所得解析解,在桩基础动力设计关注的低频范围内讨论了嵌岩桩几何性质、桩底沉渣、岩体性质对桩顶扭转振动复阻抗的影响。结果表明:在扭转振动条件下,嵌岩桩存在一个临界嵌岩深度,临界嵌岩深度随着桩长径比的增大和嵌岩段岩体性质的提高而降低,这说明在工程设计时,并非嵌岩深度越深对整个桩土系统承载特性越有利; 临界嵌岩深度范围内,随着嵌岩深度的增加,桩顶扭转动刚度逐渐减小,动阻尼逐渐增大,超出此范围时,嵌岩深度对桩顶扭转振动阻抗基本上没有影响; 当嵌岩深度小于临界深度时,桩底沉渣的存在会使桩顶扭转动刚度降低,动阻尼增大; 当嵌岩深度超过临界深度时,桩底沉渣对桩顶扭转振动阻抗基本上没有影响; 桩径是影响桩顶扭转振动阻抗的主要因素。