重载列车过桥时桥梁的垂向动力分析

本文建立了具有6个自由度重载列车的车辆振动分析模型和重载铁路桥梁的梁段单元模型,通过轮轨接触处的位移协调条件与轮轨相互作用力的平衡关系建立了重载车辆-桥梁系统耦合运动方程,采用迭代求解,编制了重载铁路车-桥耦合振动分析程序。对影响重载铁路简支梁桥的跨中挠度的各种因素进行了分析,分析结果表明：列车的轴重、速度、加速度、减速度及轨道不平顺对重载铁路桥梁的跨中挠度和竖向加速度有着重要影响。     

摩擦摆支座隔震铁路连续梁桥振动台试验研究

为研究地震下摩擦摆隔震支座在连续梁桥中的减隔震效果及动力行为,以某(24+32+24)m箱型等截面铁路连续梁桥为原型,进行了1/10缩尺模型的连续梁桥振动台试验。采用3组实测近场地震波进行纵竖向联合输入,观测桥梁试验中及震后损伤情况,并对桥梁位移、加速度及应变响应进行了分析。结果表明:不同近场地震下结构响应具有显著差异;随着地震波地面峰值加速度(PGA)增大,中墩纵向位移平均幅值小于边墩,且其增幅率远小于边墩盖梁;当PGA增大时,摩擦摆支座的隔震率更高,隔震效果更好;在0.5g地震作用下中墩仅出现少量细微裂缝,纵筋最大应变为786με远小于其屈服应变,说明桥墩未屈服,摩擦摆支座可以有效降低桥墩内力响应。     

强地震下高速铁路桥上行车精细化模拟及行车安全性分析

近年来我国高速铁路线路发展迅猛,深入至中西部强地震频发地区,研究强地震下高速铁路桥上行车安全性具有重要的实际意义。该文首先基于多体动力学软件Simpack和地震仿真开源软件OpenSees编制了车辆-轨道-桥梁系统联合仿真程序(SOTTB),该程序发挥了多体动力学软件Simpack和有限元软件OpenSees各自的优势。继而,基于单跨简支梁桥的时程分析,验证了基于OpenSees与Simpack联合仿真思路的正确性和可行性。利用SOTTB程序建立地震作用下高速列车-轨道-桥梁系统精细计算模型,研究在横向地震和轨道不平顺激励下列车的运行安全性。高速列车空间振动模型采用德国ICE动车组,轮轨力计算基于非线性Hertz接触理论和简化Kaller蠕滑理论。结果表明:车辆运行安全性指标和车体的加速度随着地震强度和运行速度的提高有较为明显的增大趋势,横向轮轨力和车体横向加速度受横向地震强度和运行速度影响显著,并且随着地震强度的增大而显著提高。列车的轮重减载率和竖向加速度受地震强度的影响较小,列车的运行速度是影响轮重减载率的主要因素。     

移动车辆作用对公路连续梁桥地震反应特性的影响

随着汽车保有量的增加,地震发生时车辆在桥上存在车辆作用的概率大大增加。为探讨移动车辆对公路连续梁桥地震反应特性的影响,以3×40 m的连续T梁桥和汽车—超20级车队为研究对象,根据车轮与桥面接触点的作用力和位移协调条件,首先给出了移动车辆作用下连续梁桥地震反应的分析方法,然后考虑车辆本身动力特性的影响,采用多自由度的车辆模型组合成车队荷载模型,并借助ANSYS的APDL参数化语言编制了相应的分析程序,利用该程序分析了中低强度三向地震动作用下移动车辆作用对连续梁桥地震反应的影响参数。分析结果表明:典型三向地震动作用下,移动车辆对不同地震波作用下的连续梁桥地震反应有明显的影响,其影响程度与车速、轮胎刚度以及桥梁墩高直接相关。随着桥面上横向加载车道数的增加,顺桥向的墩底弯矩及支座位移逐渐减小,而横桥向的墩底弯矩及支座位移则逐渐增大,但响应的变化率随车道数增加而逐渐减小。车辆对桥梁地震响应的影响随着车速的变化和车身重量的变化而改变,但路面不平度的改变对移动车辆作用下桥梁地震反应影响甚微。部分研究成果与前人的研究结论相一致,但有些成果仍有待更进一步的试验验证。     

地震作用下斜交简支梁桥桥面旋转反应的参数分析

地震引起的斜交简支梁桥桥面面内旋转不仅增大了梁体的纵、横向位移,而且增加了梁体与边界碰撞的几率。为研究地震作用下斜交简支梁桥桥面的旋转反应,利用OpenSees地震仿真模拟平台,建立考虑梁体与桥台间纵向碰撞、梁体与挡块间横向碰撞效应的斜交简支梁桥简化动力计算模型,分析梁体与桥台间纵向碰撞刚度、伸缩缝间隙、梁体与挡块间碰撞刚度、初始间隙、挡块力学特性等对斜交简支梁桥桥面旋转的影响。结果表明：纵向碰撞刚度、伸缩缝间隙、梁体与挡块间初始间隙对斜交简支梁桥桥面转角的影响较大,而横向碰撞刚度对桥面转角的影响相对较小;梁两端锐角区设置纵向垫块对减小桥面转角和纵向位移有较好的效果;设置弹塑性挡块能有效控制桥面的震致转动,减轻挡块的横向受力。     

高烈度震区大跨径中承式钢箱系杆拱桥减隔震技术研究

为了研究高强度地震作用下大跨径中承式钢箱系杆拱桥地震响应及减隔震技术,以西双版纳黎明大桥为工程背景,选取类似场地的实际地震动记录作为输入地震波,采用非线性时程分析法,研究支座类型及参数变化对拱桥结构的减隔震效果。结果表明：相比于普通支座,减隔震支座能大幅降低结构内力,但纵向位移有所增加,且摩擦摆支座的减隔震效果要强于铅芯橡胶支座;摩擦摆支座+黏滞阻尼器联合抗震体系能够有效降低纵向和横向位移,进一步能提升桥梁的抗震性能;对联合抗震体系进行参数敏感性分析可知：最佳的参数范围是：摩擦因数为0.04,曲率半径在3 200～4 200 mm,阻尼系数为6 000,阻尼指数在0.2～0.4;在最优抗震体系下,结构位移和内力均显著降低,最大减震率分别达到了75.3%和82.3%,表明该体系大幅提高了拱桥抵抗地震的能力,为同类桥梁减隔震设计提供参考。     

曲线连续梁桥不同减隔震方案对比分析

采用减隔震装置可有效减小连续梁桥的地震反应。选取一曲线连续梁桥,根据该桥的地震反应特点,分别采用铅芯橡胶支座、黏滞阻尼器、摩擦摆支座三种减隔震装置进行减震控制。通过动力非线性时程分析,对比了三种减震装置的减震效果,发现铅芯橡胶支座和黏滞阻尼器对边墩的墩底切向反力有放大作用,摩擦摆支座对主梁位移有放大作用;三种单一的减震措施难以完全满足该曲线连续梁桥减震控制要求。为此在单一的减震措施基础上进行改进,形成混合减震控制方案。分析表明,改进的混合减震措施可以弥补单一减震措施的不足,取得良好的减震效果。     

超长联大跨连续梁桥摩擦摆支座隔震研究

基于某长周期超长联大跨度预应力混凝土连续梁桥梁,开展了摩擦摆支座的隔震研究。建立全桥有限元计算模型,采用双线性滞回模型模拟摩擦摆支座,输入50年超越概率2%的3条安评地震波进行了非线性时程反应分析及抗震性能验算。该联桥的分析表明,当摩擦摆支座的曲率半径为5m、滑动摩擦系数为0.03时,隔震后桥墩及桩基础的均处于弹性工作状态;支座顺、横桥向的最大水平滑动位移分别为207mm、198mm,在可按受的范围之内。超长联大跨连续梁桥有其自身的结构及受力特点,采用摩擦摆支座隔震时能显著地提高其抗震性能。     

支座位移对桥上高速列车运行安全的影响

本文研究桥梁支座位移对桥上高速列车运行安全的影响，首先建立了车桥系统空间振动分析模型，推导了系统动力平衡方程组，编制了相应的计算机软件，在计算机上模拟列车过桥的全过程，以支座位移引起的桥梁与线路的水平折角为激励，计算了桥梁的横向加速度以及车辆的脱轨系数，轮重减少率等动力响应，根据支座不同位移量对桥上列车动力响应的影响，得到了确保列车运行安全条件下高速铁路桥梁支座横向位移限制值。     

岔区轨件打磨对高速列车动力特性影响分析

针对福州工务段在杭深客运专线部分岔区采用的轨件打磨方案。在实测岔区轨件打磨前、后关键断面廓形的基础上,基于车辆-道岔动态相互作用,建立了车辆-道岔仿真模型,以列车250 km/h速度直逆向过岔为例,对打磨前、后两种工况的动力响应特征进行了深入对比分析。结果表明:轨件打磨作业后,列车第一轮对右侧脱轨系数幅值降低27.7%、横向轮轨力幅值降低27.4%,车体横向振动加速度和横移量幅值分别降低了56.8%和47.7%,列车过岔安全性及动力特性得到了明显改善;工务段晃车仪、添乘仪以及动检车的检测结果显示,岔区轨件打磨作业后,线路设备质量得到了显著提升,列车过岔时的车体横向加速度明显降低;根据岔区轨件打磨经验表明:钢轨打磨是改善岔区轮轨接触关系、提升动车组运行品质的有效手段;理论研究成果验证了福州工务段为解决管内岔区"晃车"问题所采用的轨件打磨方案的合理性,为高速铁路岔区轨件廓形优化打磨提供了理论支持。     

横向撞击力对铁路桥梁及行车影响的模型实验研究

高速铁路高架桥梁很多,跨越公路的桥墩被汽车撞击所引起的振动会影响列车运行安全。本文利用车—轨—桥耦合动力试验平台,通过模型试验研究了横向撞击力对桥梁及桥上车辆运行安全的影响规律。试验过程中采集了撞击处撞击力时程、桥墩底部动应变、墩顶动位移、墩顶加速度时程,梁1/4,1/2,3/4处的横向动位移和加速度时程,以及车辆的三向车体加速度时程,计算得到桥墩自振频率等振动特性。分析了车桥系统有无撞击力作用时的动力响应,以及撞击力对桥梁及桥上运行车辆的影响规律。结果表明,横向撞击使桥梁的动力响应大幅度增加,并对车辆运行安全有很大的影响。最后根据撞击力时程探讨了瞬态撞击力的等效静力计算方法并验证,为工程设计提供参考。     

高铁简支梁桥横向地震碰撞效应振动台试验研究

地震作用下,当桥梁上、下部结构间的横向相对位移超过挡块-梁体或挡块-垫石间的初始间隙时,就会发生碰撞。为研究高铁简支梁桥在地震激励下的横向碰撞效应,以32 m标准跨径简支梁桥为研究对象,按1∶6缩尺比设计并制作了单跨桥梁模型。通过振动台试验研究了地震波频谱特性、地震动峰值加速度(PGA)、挡块-垫石初始间隙等因素对横向地震碰撞效应的影响,并探讨了在挡块与垫石间填充橡胶缓冲垫层的防碰减震效果及橡胶垫层的减震机理。试验结果表明:振动台试验再现了桥梁结构横向地震碰撞过程,在多遇地震作用下,固定支座未发生破坏,挡块与垫石之间没有出现碰撞现象;而在设计地震和罕遇地震激励下,固定支座出现破坏,多数工况发生了碰撞。挡块与垫石之间的碰撞限制了墩梁间横向相对位移的发展,但碰撞会激起结构的高频响应,增大墩底弯矩响应;橡胶缓冲垫层的设置会减小挡块与垫石间的碰撞刚度,降低由地震碰撞所引起的高频响应,从而达到减震的效果。     

考虑支座及限位装置非线性的接触摩擦单元模型

在连续梁桥活动墩上设置限位装置后,活动墩处将包含活动支座的摩擦及限位装置的接触碰撞两种非线性,综合摩擦单元及接触单元的特性,分别考虑接触单元的弹性及弹塑性情况,提出了接触摩擦单元的有限元模型,给出了接触摩擦单元的滞回曲线,针对卸载曲线的不同状态,分别推导出了其卸载刚度;利用接触摩擦单元对设置有分散抗震挡块及活动摩擦支座的连续梁桥进行了非线性地震反应分析,对挡块在降低连续梁桥固定墩地震反应上的分散抗震作用进行了研究,该接触摩擦单元可用于设置有防落梁装置及活动支座桥梁的较为细致的抗震分析模型。     

新型钢滚轴及混合隔震结构地震模拟振动台试验研究

针对一种新型钢滚轴隔震支座进行研究,分别设计制作了一组钢滚轴隔震支座和一组摩擦摆隔震支座,并完成了某两层钢框架的固结、纯滚轴隔震、滚轴+MR被动阻尼器混合隔震和摩擦摆隔震模型的振动台试验。研究了各模型在地震加速度峰值为0.10 g、0.20 g的3条地震波作用下的结构响应,试验结果表明:新型钢滚轴隔震支座的隔震效果优于摩擦摆隔震支座,纯滚轴隔震模型和滚轴+MR被动阻尼器的混合隔震模型均可降低结构加速度反应56.1%～80.8%,且合理的优化混合阻尼隔震体系的阻尼值可使隔震效果更佳。同时,采用MR阻尼器的混合隔震模型较纯滚轴隔震模型可降低隔震层位移反应58.7%～87.4%,且随着阻尼值的增大其控制效果更好。因此,将新型钢滚轴隔震支座与阻尼装置配套使用的方法有效可行,在充分发挥滚轴隔震支座隔震效果的同时避免了结构隔震层位移过大的问题。     

斜交简支梁桥地震碰撞反应参数分析

为研究斜交简支梁桥地震碰撞反应,采用开放式地震模拟软件Open Sees,建立能够考虑梁体与桥台间纵向碰撞、摩擦作用及梁体与挡块间横向碰撞效应的斜交简支梁桥精细化动力计算模型,分析水平地震动输入方向、竖向地震动和斜度等对斜交简支梁桥地震碰撞反应的影响规律。结果表明:忽略横向碰撞时,斜度为α的简支梁桥梁端纵向最大位移、上部结构峰值转角在水平地震动以角度θ=90°-α输入时达到极小值;考虑横向碰撞后,由于挡块的有效限位作用,梁端纵向最大位移、上部结构峰值转角会减小,竖向地震动对地震碰撞反应的数值有一定影响,但对其随斜度的变化规律没有明显影响,钝角处支座上拔力随斜度增大而增大,锐角处支座上拔力随斜度增大而减小,且支座上拔力由钝角处向锐角处逐渐减小,考虑水平地震动输入方向影响时,梁端纵向最大位移随斜度增大而增大,上部结构峰值转角、梁端纵向最大碰撞力随斜度增大呈先增大后减小的变化规律,梁体与挡块间横向最大碰撞力随斜度的增大总体变化不大。     

侧向过岔时列车-道岔-连续刚构桥空间振动分析

针对桥上无缝道岔,运用有限单元法,建立了钢轨-岔枕-桥梁弹簧-阻尼空间振动模型.运用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的"对号入座"法则建立了列车-道岔-桥梁空间振动方程组.以温福客运专线田螺大桥为例,拟定桥上铺设了由两组38号道岔组成的单渡线.计算了"中华之星"电动车组,按一动四拖的编组方式,以140 km/h的速度侧向通过时,列车-道岔-桥梁空间振动的动力响应.分析了侧向过岔时,列车运行速度、轨下横向刚度、枕下横向均布刚度、桥墩高度对列车-道岔-桥梁系统振动的影响.结果表明:桥梁导致钢轨和岔枕的位移增幅较大,车体振动加速度有所增加,道岔振动加速度、轮轨力变化很小;系统横向振动响应随列车速度增大、轨下横向刚度减小、枕下横向均布刚度减小、桥墩高度增大而增加.     

多维地震作用下隔震桥梁地震反应（Ⅰ）——模型结构振动台试验

为了研究多维地震作用下隔震梁桥结构振动特性和隔震效果,隔震支座两水平正交方向力-变形关系以及竖向性能等,对方形铅芯支座隔震连续梁桥结构模型进行了下模拟地震振动台试验.在水平单向、双向及水平双向和竖向同地输入地震波时,对桥梁模型结构桥面和桥墩顶部加速度反应,位移反应,以及隔震支座两水平正交方向力-变形关系和竖向力反应等进行了相关研究,得出若干对桥梁隔震设计有价值的结论.     

高速列车半主动悬挂可变刚度和阻尼减振器适应性研究

针对中国高速列车运行速度高、运营里程长、轮轨磨耗加剧,被动悬挂式抗蛇行减振器适应性较差,导致转向架抗蛇行稳定性能不足的情况,开展半主动悬挂抗蛇行减振器研究。首先,基于高速列车悬挂系统非线性和轮轨接触非线性特征,建立了高速列车模型、磁流变阻尼器模型、可变刚度和阻尼抗蛇行减振器模型;然后分析了抗蛇行刚度和阻尼参数对新轮轨和磨耗轮轨的车辆动力学性能的影响,并针对磨耗轮轨接触提出了半主动悬挂控制策略;最后,对比分析了被动悬挂和半主动悬挂车辆运行性能的差异。结果表明:通过采用半主动悬挂调整抗蛇行减振器的刚度和阻尼参数可大幅改善磨耗轮轨接触的车辆运行性能,保证构架不发生蛇行失稳,与采用被动悬挂抗蛇行减振器的车辆相比,车体横向加速度和构架横向加速度分别降低22.4%和16.0%。     

车辆-轨道非线性耦合系统交叉迭代算法及应用

运用有限元法建立车辆-轨道非线性耦合系统振动分析模型,该模型包含车辆、轨道两个子系统,其中车辆子系统为附有二系弹簧的整车模型,轨道结构子系统为离散的三层弹性梁模型。两子系统通过轮轨非线性接触力和位移协调条件实现耦合。针对车辆-轨道非线性耦合系统动力学方程提出了交叉迭代算法。为加速迭代收敛速度,引入松弛法对轮轨接触力进行修正。为证明算法的正确性,进行了算例验证。同时还给出了CRH3高速动车在有砟轨道上运行时引起车辆和轨道振动的实例,分析中考虑了轮轨线性和非线性接触及不同列车速度对车辆和轨道结构振动的影响。计算结果表明交叉迭代算法具有程序编制简单、收敛速度快、用时少、精度高的优点;采用轮轨线性接触模型得到的车辆和轨道结构的动力响应比轮轨非线性接触模型得到的结果要大,其中位移、加速度最大值和振幅增大范围约在15 %以内,轮轨接触力最大值和振幅增大范围约在5 %以内。     

30t轴重重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应研究

为研究多跨30 t轴重重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应规律,采用经过验证的梁轨相互作用模拟方法,建立了考虑桩-土共同作用、桥墩弹塑性变形、滑动支座摩阻力、线路非线性阻力的多跨重载铁路简支梁桥与双线有砟轨道相互作用仿真模型,揭示了一致激励和行波效应下重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应规律,探讨了路基段钢轨长度、简支梁跨数、跨度、线路纵向阻力形式、滑动支座摩阻系数等设计参数的影响,分析了温度、列车制动和地震耦合作用下系统的受力特征。研究表明:当地形地质条件相差不大时,简支梁跨数可简化为11跨、路基段钢轨长度可取为150 m;线路阻力减小时,梁体间、梁体与桥台间可能出现碰撞现象甚至发生落梁;纵向一致激励下,钢轨应力包络图呈"双菱形",其最大值出现在桥台附近,而梁缝附近梁轨相对位移较大,易发生动力失稳;行波效应下,系统受力和变形规律发生显著改变,即使对于跨度较小的简支梁桥,也应考虑行波效应的影响;温度和列车制动作用将进一步增大轨道结构在地震中发生动力失稳的可能性。