简支梁在列车荷载下的共振与消振效应

对简支梁在移动荷载(单个移动力、等间距移动荷载列及列车荷载)下的振动进行了分析,得到了以桥梁自由振动方式表达的响应理论解。通过振动响应分析,得出了任一模态下简支梁共振及两类消振效应的发生条件,并阐明了它们的发生机理。第一类消振只与单个荷载的移动速度有关,第二类消振发生在两个荷载之间,并与它们的间距相关。当共振与消振条件同时满足时,共振将受到抑制,出现共振消失现象。用数值分析计算了一座19.1m简支梁桥在高速列车通过时的动力响应,并从单个轮对所引起的桥梁位移时程出发进一步说明了共振与消振机理和此时桥梁的响应特点,对解析结果进行了验证。     

移动荷载列作用下简支梁振动响应参数研究

推导了移动荷载列作用下简支梁位移响应的精确解,在此基础上引入3个无量纲参数,研究了荷载移动速度、荷载频率及结构阻尼对桥梁响应的影响,分析了简支梁在一定荷载速度下的共振和消振现象发生机理。结果表明:桥梁跨中的最大位移响应并非随着荷载速度的增大而单调地增大,而是表现出一种类似正弦但波幅逐渐变大的方式;当移动荷载列以消振速度通过桥梁时,引起的桥梁余振响应趋近于零;简支梁的共振速度与移动荷载列的间距有直接关系,当共振速度同时又是消振速度时,共振现象被抑制;当简谐荷载移动速度较低时,梁体位移在荷载频率等于梁体第一阶自振频率时达到最大响应,随着荷载移动速度的增大,梁体位移达最大响应不再发生于荷载频率等于梁体第一阶自振频率的情况。     

移动荷载下高速铁路简支梁桥消振机理频域分析

桥梁动力响应问题随着列车运营速度的不断提高也愈加明显。为了保证列车在高速运行下引起的桥梁动力响应在安全范围内,则对建立列车运营时速与桥梁位移响应幅值之间的关系显得尤为重要。因此,针对多个移动荷载激励下桥梁消振机理提出了一种行之有效的频域分析方法。该方法首先对桥梁运动方程采用傅里叶变换,得到移动荷载匀速通过桥梁时的移动荷载傅里叶幅值谱;然后基于移动荷载傅里叶幅值谱,建立了移动荷载速度与桥梁消振效应之间的关系;最后以高速铁路简支梁为例验证了理论推导及分析的正确性和速度公式的有效性。结果表明:由频域得到的移动荷载傅里叶幅值谱能有效反映桥梁自由振动,与时域内得到的桥梁自由振动幅值响应规律一致;非等间距移动荷载作用下桥梁发生消振现象时,第一类移动荷载消振速度仅与桥梁跨度、基频有关,第二类移动荷载消振速度与桥梁基频、移动荷载间距有关。     

多个移动荷载作用下简支梁竖向共振机理研究

本文针对我国客车提速实验现场测试发现的３２ｍ下承钢板梁的竖向共振现象，建立了多个移动荷载作用下简支梁振动的叶域计算公式，通过分析多个移动荷载作用下简支梁的急剧稳态（强迫振动）和瞬态（自由振动）反应，提出这种共振现象是自由振劝部分（瞬态反应）所引起。桥梁的跨度与移动荷载速度比是影响共振幅值大小的主要因素之一，文中还对影响共振的其它主要因素进一步进行了系统的研究。     

单车过桥下弹性车体共振与消振现象分析

为研究弹性车体振动对车桥系统动力响应影响,将车体视为两端自由的均质等截面欧拉梁、转向架及轮对视为刚体,利用模态叠加法考虑简支梁变形,用轮轨密贴接触假设建立单车通过多跨简支梁的车桥系统动力学方程,并用Newmark-β数值积分法求解系统动力响应。以一系列正弦不平顺为系统激励,研究不平顺激扰下弹性车体共振与消振现象。结果表明,弹性振动主要改变车体的振动量,对桥梁振动反馈作用较小;弹性车体共振被激发时其动力响应被显著放大,共振速度由车辆定距与车体弹性自振频率决定;因存在轴距滤波,当不平顺波长满足弹性车体消振发生条件时车体动力响应被显著抑制。     

共振速度下轨道交通槽形梁结构瞬态噪声分析

为了进一步研究不同列车速度下的桥梁结构噪声问题,基于有限元-瞬态边界元理论,针对轨道交通30 m简支槽形梁,分析在共振、消振速度下桥梁的振动响应及结构声辐射特性。首先,建立槽形梁振动辐射瞬态噪声的有限元/边界元模型;然后,对简支梁在移动列车荷载下诱发的振动进行分析,得到列车荷载通过桥梁时的共振和消振速度;最终,结合声辐射理论,采用瞬态边界元法研究分析不同列车速度引起的桥梁瞬态噪声声场特性。研究结果表明:列车速度的变化引起桥梁结构的位移幅值出现波动性变化;桥梁结构的振动加速度幅值随着速度的增大而不断增大;桥梁结构辐射噪声的变化趋势与结构的振动加速度变化趋势有一定的相关性;当列车以共振速度通过简支桥梁时,结构动力响应值及辐射噪声值有放大趋势,在附近出现峰值;列车共振速度对桥梁结构的远声场瞬态噪声影响效果较为显著;应有针对性地控制列车速度以改善桥梁结构噪声。     

高速铁路常用跨度简支箱梁竖向共振条件分析

通过对动车组列车作用于高速铁路常用跨度简支箱梁的竖向共振条件进行理论探讨,并对常用跨度简支箱梁实测竖向自振频率及动力响应数据进行分析,得出如下结论:明确了高速铁路常用跨度简支箱梁在动车组荷载下的竖向共振作用机理,得到了简支箱梁的共振、超谐共振及消振速度计算公式;动车组列车对桥梁的竖向加载频率主要取决于列车速度和车长,加载频率等于桥梁的自振频率或为自振频率的1/2、1/3……时,桥梁结构发生共振或超谐共振;我国高速铁路常用跨度简支箱梁在运营速度(350 km/h)范围内梁体不会发生竖向共振;对高速铁路40 m、32 m和24 m简支箱梁的实测数据分析表明,在运营速度范围内存在2阶、3阶、4阶超谐共振现象,梁体动力响应出现峰值效应,与理论分析结果吻合;简支箱梁的消振速度与桥梁跨度和自振频率相关,当满足消振条件时,桥梁竖向动力响应降低。     

基于移动荷载谱的桥梁竖向自由振动最大响应研究

该研究提出了基于移动荷载谱的桥梁自由振动最大响应的频域分析法。该方法在频域内,采用傅里叶变换得到移动荷载作用在桥梁上的移动荷载谱及桥梁振动位移响应谱;并以理论推导与数值分析相结合的方法建立了移动荷载幅值谱最大值对应的无量纲速度与轴跨比(荷载轴距与桥梁跨径的比值)之间的关系;根据该关系提出了移动荷载作用下桥梁自由振动最大位移响应时的速度公式,该速度明显不同于共振速度。以两座不同跨径的简支梁桥为例,在时域内通过改变不同的轴跨比与移动荷载速度,计算桥梁自由振动最大位移响应,以此验证了频域分析结果的正确性。研究结果表明:基于移动荷载谱能够有效反映移动荷载作用下桥梁自由振动最大响应;当轴跨比为0.72时,引起的桥梁自由振动最大位移响应最小;当轴跨比为0与1.47时,引起的桥梁自由振动最大位移响应最大;移动荷载以速度公式获得的速度行驶,将会使得桥梁自由振动产生最大位移响应。     

二轴列车行经序列等跨桥时车辆共振响应分析

采用解析方法推导了二轴车通过序列等跨桥梁时车辆共振机理和条件,进而运用列车与桥梁动力分析模型及数值模拟方法来验证共振条件。结合重载铁路实例分析,以研究车辆共振对车桥系统影响规律。由研究结果得到以下几点结论:车辆出现共振现象是由车轮下规则的等跨梁重复性振频与车辆频率(车体点头或沉浮频率)一致而引起,就当前运营的重载列车而言,主共振车速常在正常运营速度之上,而次共振车速会落在列车运行速度范围之内;在车辆发生沉浮和点头主共振和次共振条件下,车辆动力响应和轮轨力将会被明显地放大;尽管车辆共振对桥梁动力响应的影响要比桥梁共振对车辆响应的影响要小,但对于短跨度桥梁而言,车辆共振也会显著加剧桥梁振动响应;当各节车辆均同时达到共振速度时,则会出现整列车出现全体性共振现象,是值得注意之处。     

任意移动荷载列作用下简支梁桥的竖向振动响应解析分析

采用振动理论推导欧拉-贝努利梁在任意移动荷载列模型作用下其竖向振动的解析表达式。在表达式中综合考虑了列车移动速度 、所选取的振型阶数 、简支梁自身的质量 和刚度 以及体系的阻尼比 对简支梁竖向动力响应的影响。并用MATLAB语言编程计算,对结果的正确性进行校核。以京沪高速线路上32m简支梁桥为例,分析了简支梁桥在8辆ICE3动车编组的荷载列作用下的竖向动力响应。计算结果表明,本文的计算方法能够模拟桥梁在间距、大小均任意的移动荷载列作用下的竖向振动。解析结果应用于高速铁路的初步设计及对最大振动能级进行评估时可快速得出可靠结果。     

运行列车引起地面振动的理论模型及振动特性分析

根据车辆动力学、轨道动力学及地基土振动Green函数,建立了列车-轨道-地基土相互作用理论分析模型.该模型不仅考虑了车辆自身的振动,而且考虑了由轴重荷载组成的准静态激励力和单一波长轨道不平顺引起的轮轨问动态激励力.列车模型、轨道模型和地基土模型之间分别通过轮对-钢轨之间的Hertz接触和轨枕-地基土的动力平衡关系进行耦合.根据该模型通过-算例对地面的振动特性进行了分析,并通过移动的单位常力荷载和单位简谐荷载作用下的地面振动分析了车速和地基土特性的影响.计算结果表明,运行列车引起的地面振动特性与荷载移动速度和地基土特性紧密相关,列车移动速度线和地基土频散曲线的相交频率是引起地面振动放大的一种共振频率;运行列车存在临界速度,且临界速度接近地基土模型中的最小表面波波速;轮轨接触表面不平顺引起的动激励力振源对地面振动的高频成分产生较大的影响.     

准高速行车下铁路桥梁振动特性的试验研究

铁路桥梁振动特性是制约铁路提速的一个重要因素.本文结合广州—深圳准高速铁路线石滩64m钢桥振动特性的实际测试,深入研究列车提速至大于120km/h的行车条件,跨度大于16m桥梁的共振问题.研究表明,提速列车作用下铁路钢桥的共振响应是不容忽视的,桥梁发生共振的根本原因是列车移动荷载对桥梁的激励频率与桥梁的某阶有载模态频率接近.上述结论验证了车桥系统耦合作用的理论分析.     

风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响

以实际大跨度斜拉桥为研究对象,研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型,计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应,分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型,根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型,对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论,使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明:在斜拉桥日常运营状态中,风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振,索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因;对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率,风场作用占比很小,列车作用占比较大;各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅,进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。     

流冰撞击力作用下列车–简支梁桥耦合振动分析

建立撞击荷载作用下列车‐桥梁系统动力分析模型,将现场实测的流冰撞击力时程作为系统的撞击荷载。通过计算机仿真分析,对流冰撞击作用下高速铁路桥梁的动力响应及其对桥上列车运行安全的影响进行研究。采用自编程序模拟列车过桥的全过程,计算分析7 m×24 m简支箱梁桥在流冰撞击力作用下动力响应及桥上高速列车的动力响应。计算结果表明,在实测流冰撞击力作用下,桥梁横向加速度以及车辆脱轨系数和轮重减载率等行车安全指标在列车速度250 km/h以上时超过容许值,说明流冰撞击作用对车桥系统耦合振动响应具有较大的影响。     

桥上列车移动荷载参数自动识别系统试验

提出了一种用于列车移动荷载参数自动识别的系统,并制作了等截面简支钢梁和试验列车模型进行试验研究。利用基于图像处理技术的桥梁动态位移采集系统,获取模型桥梁测点位置的动态位移响应,同时利用自行设计的列车模型参数采集系统获取列车模型的移动速度、轮轴个数和轴间距,最后采用桥梁列车多轴移动荷载识别系统识别出列车轴重荷载值。通过对不同移动速度、不同测点个数下列车参数识别效果的分析,验证了本文所述列车移动荷载参数自动识别系统的可行性和准确性,为今后荷载识别系统的实际应用做好准备。     

铁路桥梁梁墩基础体系动力测试分析

通过对位于广深线上的京山一号中桥1#桥墩、雅瑶特大桥2#桥墩和石龙大桥62#桥墩桩基础顶动力测试,分析列车以不同车速通过桥面时,桥墩在动荷载作用下强迫振动特性,如梁端及墩身各部位振动幅值、墩身的动应变值等;并用Origin6.0曲线拟合程序对墩底动力特性进行拟合,得到桥墩墩底动力频率和动力幅值与车速的关系。     

一种单自由度体系解析解及其在车桥动力分析中的应用

假定相邻时刻之间荷载线性变化,推导出低阻尼单自由度振动体系的解析解,在此基础上给出了相应的车桥动力相互作用系统建模及求解流程。系统模型分解为车辆、桥梁两个子系统,基于部件刚体假定和达朗贝尔原理推导车辆子系统运动方程,采用有限元法建立桥梁子系统模型;借助于振型叠加法将两个子系统运动方程解耦,车辆子系统非正交阻尼部分的影响以及两个子系统间的动力相互作用均按非线性虚拟力处理;以一节4轴客车匀速通过32 m简支梁为例,分别采用提出的解析解法、Newmark-β法以及高斯精细积分法进行动力分析。结果表明,相对于Newmark-β法和高斯精细积分法,解析解法不仅具有高精度特点,能显著提高计算收敛的积分步长,同时又能避免计算复杂的指数矩阵,具有良好的工程适用性。     

撞击荷载作用下高速铁路桥梁的动力响应及列车运行安全分析

建立了“列车-桥梁-撞击荷载”系统动力分析模型,通过在松花江大桥进行的现场试验,得到了流冰撞击力时程,施加到桥墩上作为系统的激励。编制了分析程序,以高速铁路5×32m预应力混凝土简支单线箱梁桥为算例,通过计算机模拟,对流冰撞击作用下桥梁结构的动力响应及桥上高速列车的运行安全问题进行了研究。分析了在有流冰、无流冰撞击作用两种情况下,桥梁结构关键部位的位移和加速度响应,以及桥上高速运行列车的车辆脱轨系数和轮重减载率等行车安全指标。计算结果表明:流冰撞击作用对桥梁结构以及高速列车的动力特性具有较大的影响,撞击作用使桥梁和车辆的动力响应大幅度增大。当流冰撞击荷载峰值达到4000kN时,车辆减载率已经超过了0.6的限值。撞击荷载作为一项特殊的作用力,在高速铁路桥梁的动力设计中应予以重视。