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。     

铁路桥梁与高速列车的动力试验研究

在我国秦沈客运专线狗河大桥进行了高速列车作用下的动力试验。试验桥梁由跨度24m的多跨预应力混凝土简支箱梁构成,试验荷载为我国自行制造的中华之星和先锋号列车,其最高试验速度分别达到321.5km/h和290km/h。通过现场试验和实验结果分析,得到了桥梁的频率、阻尼等自振特性,梁的动挠度和横向位移、梁体振动加速度、墩顶横向位移等动力响应,以及车辆的脱轨系数、轮重减载率、轮轨力、车体振动加速度等动力特性。试验结果表明客运专线24m预应力混凝土箱梁在高速列车作用下的各项动力学指标良好,中华之星和先锋号高速列车具有良好的行车安全性和平稳性。     

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。     

铁路桥梁在高速列车作用下的动力响应分析

通过理论计算与现场试验研究高速列车与桥梁的动力相互作用。建立了车桥系统分析模型:列车模型每节车考虑27个自由度;桥梁模型采用模态综合法,系统激励为实测轨道不平顺。模拟中华之星列车高速通过秦沈客运专线24m双线预应力混凝土简支箱梁桥的全过程,计算了桥梁在高速列车作用下的动挠度、振幅、梁体加速度、桥墩振幅以及车辆的脱轨系数、轮重减载率、横向轮轨力等动力响应,并与现场实测结果进行了对比。     

考虑轨道伤损的列车-无砟轨道-桥梁系统动力特性

为探讨桥上无砟轨道损伤对列车-轨道-桥梁系统动力响应的影响规律,基于车辆-轨道-桥梁耦合动力学原理,基于ANSYS+SIMPACK联合仿真,建立了考虑墩台纵向支座刚度、轨道结构及层间接触特性的双线32m简支箱梁桥CRTSⅢ型无砟轨道空间动力学模型。研究了时速200km列车通过条件下,扣件伤损及轨道板和底座板间离缝对车桥系统动力响应的影响规律。研究表明:单个扣件失效对轨道动力响应影响有限,0.07m板缝处轮轨竖向力骤变显著,钢轨竖向位移和钢轨节点反力增大明显;扣件连续失效对系统整体影响更大,其中相邻且对侧扣件失效影响最大;自密实混凝土沿轨道板横向完全脱空后,纵向离缝长度越大,对系统动力响应的影响也越大;相邻轨道板端部自密实混凝土都沿横向完全脱空对系统动力响应影响最大,轨道结构与桥梁结构的垂向加速度、竖向位移均增幅最大,增势最快;离缝长度1.2m,轮重减载率接近限值,继续增加至1.6m时,列车将脱轨;轨道板和桥梁的竖向振动随着离缝长度的增大显著增大,振动骤增会对轨道以及桥梁的耐久性产生不利影响,建议离缝长度检修限值可设为1.2m,并应重点关注轨道板端部自密实混凝土界面脱空情况。     

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。     

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。     

TMD对高速列车通过简支箱梁桥时的振动控制研究

提出了一种可考虑TMD影响的列车桥梁空间振动时域分析方法,桥梁采用常规有限单元模拟,高速列车TMD采用南弹簧阻尼器相连的多刚体模拟,直接建立车-桥TMD时变系统运动方程,采用数值积分方法求解系统空间动力响应.以无碴轨道预应力混凝土40 m双线简支箱梁为例,首先对日本S.K.S.列车通过桥梁时引起共振的临界车速进行了分析,为控制箱梁共振车速下的较大振动响应,研究TMD不同参数对箱梁振动控制效果,大量计算了列车通过加装不同参数TMD箱梁时的动力响应.计算结果表明采用TMD可有效抑制高速铁路简支箱梁的共振,并得出了一种确定共振车速和TMD优选参数的简便方法,可供工程应用参考.     

高速铁路简支箱梁桥准静态变形对车桥动力响应的影响研究

针对高速列车运营阶段简支箱梁桥准静态变形对轨道平顺性的影响而引起的行车安全性问题进行了分析研究。首先建立了车辆-桥梁耦合动力相互作用模型,分析了桥梁准静态变形对轨道不平顺的影响,然后以轨道不平顺作为外部激励,分析了高速铁路简支梁桥在多因素作用影响下的准静态变形对车桥动力响应的影响。分析结果表明:梁体准静态变形对桥梁的动力响应影响很小;梁体徐变上拱对车辆竖向的动力响应影响较大,温度旁弯及墩顶横向变位对车辆横向的动力响应较大;梁体徐变上拱、温度效应引起的梁体旁弯幅值达到20 mm及墩顶变位幅值达到50 mm时,桥梁及列车各动力学参数均在行车安全范围内。     

波形钢腹板PC箱梁桥的车桥耦合振动分析及动力冲击系数计算

为了科学合理地确定波形钢腹板PC简支箱梁桥的动力冲击系数,依据标准车辆的车轮与桥面的接触关系建立了车-桥系统耦合振动的动力方程。在考虑路面平整度随机激励的作用下,运用MATLAB软件编写了车桥耦合系统动力方程的求解程序,求得了波形钢腹板PC简支箱梁桥结点位移的振动响应,并进一步计算出了该桥型动力冲击系数的数值解。将求得的数值解与现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中动力冲击系数的规范值和文中提出的波形钢腹板PC简支箱梁桥基频计算公式求得桥梁基频后获取的动力冲击系数进行对比分析。结果表明:在路面平整度为中的情况下,按照文中提出的波形钢腹板PC简支箱梁桥基频计算公式在获取桥梁基频后求得的动力冲击系数,与JTG D60-2015规范中采用有限元法获取桥梁结构基频后求得的动力冲击系数以及与车桥耦合振动数值模拟获得的动力冲击系数值吻合良好,而与JTG D60-2015规范中给出的简支梁桥基频估算公式获取桥梁基频后求得的动力冲击系数有较大差异。     

铁路简支梁桥竖向共振影响因素的分析

采用车-桥系统模型,对影响铁路简支梁桥竖向共振的各种因素进行了分析。分析结果表明:列车静轴重荷载是引起简支梁桥竖向共振现象的主要原因,而其它因素(如桥梁本身的跨度、刚度及阻尼,车辆的长度、轮对的质量、悬挂弹簧的刚度和阻尼等)对桥梁竖向共振的发生和发展也有着重要的影响。     

MTMDs控制高速铁路简支箱梁桥车致振动噪声的研究

轨道不平顺性激励引起桥梁结构振动,进而向空间辐射噪声。为了探明多重调谐质量阻尼器（MTMDs）对桥梁结构噪声的影响,选取32 m双线混凝土简支箱梁为研究对象,建立了移动集中力-桥梁-MTMDs耦合振动模型,根据桥梁的挠曲频响函数,求取了MTMDs的最优控制参数。在此基础上,采用瞬态有限元法和声学边界元法研究了不同数量调谐质量阻尼器对桥梁的减振、降噪效果。研究结果表明：MTMDs能有效控制桥梁的最大振动响应;由于MTMDs仅对一阶竖弯频率处的结构振动控制有效,使得其对结构噪声的控制效果不甚明显,对近轨侧25 m处声场的平均降噪效果约0.5 dB。     

连续梁桥边墩不均匀沉降下轨道层间变形协调关系及动力学应用

高速铁路连续梁桥边墩沉降将造成其上简支与连续梁桥的共同变形,边墩不均匀沉降差引起的轨道几何形位改变直接影响列车运行平稳性和安全性。该文基于APDL建立考虑引桥与路基及其上轨道结构影响的高速铁路CRTS II型无砟轨道-变截面连续梁桥系统精细化仿真模型,通过大量的仿真计算,探明了边墩不均匀沉降差与轨道几何形位改变的轨道层间变形协调机理。基于线性回归方法获得了不同连续梁桥跨度条件下,边墩不均匀沉降差与轨道几何形位改变的层间变形协调关系的定量函数表达式,进而采用该仿真模型、文献模型及列车-轨道-桥梁耦合动力学理论验证其拟合精度和正确性。最后基于定量函数表达式研究了边墩不均匀沉降差对列车运行平稳性和安全性的影响。结果表明:三种模型计算结果吻合良好,说明该文定量函数表达式具有较高精度;在边墩不均匀沉降工况下,存在激振频率接近车体自振频率的临界跨度,发生共振时,显著恶化列车运行平稳性;采用大跨度连续梁桥可有效降低边墩不均匀沉降差、提升乘坐舒适度、降低轮轨力及缓和列车与轨道动态作用效应;沉降差小于25 mm时,轮重减载率随跨度的增大而显著减小。     

城市轨道交通高架结构振动与声辐射研究

为研究城市轨道交通所引起的高架结构的振动及声辐射水平,采用有限元方法分别建立了连续梁桥的三维振动分析模型及二维声场分析模型,计算了当列车以60km/h的速度通过时桥梁的动力响应及辐射声压。通过频谱分析,声压频谱峰值除在160 Hz附近出现一个明显的峰值外,与振动频谱分布基本相同。相干性分析结果表明,连续梁桥控制90Hz以内的振动,将直接有效的控制辐射声压水平。通过改变桥梁阻尼、支座刚度、行车速度和车辆荷载等参数,计算分析了各参数对结构振动与噪声的影响程度     

Vertical dynamic responses of a simply supported bridge subjected to a moving train with two‐wheelset vehicles using modal analysis method

The vertical dynamic responses of a simply supported bridge subjected to a moving train are investigated by means of the modal analysis method. Each vehicle of train is modelled as a four‐degree‐of‐freedom mass–spring–damper multi‐rigid body system with a car body and two wheelsets. The bridge, together with track, is modelled as a simply supported Bernoulli–Euler beam. The deflection of the beam is described by superimposing modes. The train and the beam are regarded as an entire dynamic system, in which the contact forces between wheelset and beam are considered as internal forces. The equations of vertical motion in matrix form with time‐dependent coefficients for this system are directly derived from the Hamilton's principle. The equations of motion are solved by Wilson‐θ method to obtain the dynamic responses for both the support beam and the moving train. Compared with the results previous reported, good agreement between the proposed method and the finite element method is obtained. Finally, the effects of beam mode number, vehicle number, beam top surface, and train velocity on the dynamic responses of the entire train and bridge coupling system are studied, and the dynamic responses of beam are given under the train moving with resonant velocity. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

地震作用下千米级高速铁路悬索桥行车安全性研究

为研究地震作用下超大跨铁路悬索桥桥上列车的行车安全问题,以某主跨为1 120 m的公铁两用悬索桥方案为研究对象,采用虚拟横梁法建立了全桥梁格模型,并通过板梁组合模型验证了梁格模型的正确性。在此基础上,通过输入7条地震波,采用自主编制的列车-轨道-桥梁-地震分析程序TTBSAS进行仿真计算,研究了一致激励、行波激励下悬索桥-列车系统的动力响应特征,分析了列车过桥时的行车安全性。结果表明:对于悬索桥-列车系统,地震对桥梁和轨道动力响应的影响大于车辆;横向地震除了使钢桁梁主梁及桥上轨道发生大幅横向振动外,还会诱发主梁的附加扭转振动;不考虑地震行波效应会严重低估列车的行车安全性指标。对于这些计算条件,桥上列车行车安全性研究的最不利行波波速为500 m/s,在0.15g设计地震作用下列车通过主跨1 120 m悬索桥时的安全车速阈值为300 km/h。     

弹性支座对桥梁车致振动的隔振效果研究

为探讨列车高速通过桥梁时传递到桥墩的振动受弹性支座的影响,建立了12个自由度的弹簧-阻尼单元模拟支座,嵌入到车-线-桥耦合振动分析模型中。以高速铁路上典型的32 m混凝土双线简支梁桥为研究对象,采用包含支座单元的车-线-桥耦合振动分析程序进行仿真计算。结果表明:车辆的轮重减载率和竖向振动加速度受支座竖向刚度的影响很小;支座竖向刚度降低,桥梁响应中的静力成分逐渐增大,动力成分则先逐渐减小,再逐渐增大;采用弹性支座,墩顶全频域内的减振效果主要取决于优势频段20Hz~80Hz频率范围的振动衰减量;弹性支座隔振系统的自振频率为10Hz~20Hz,能够吸收中高频振动,放大自身频率范围振动,反映出弹性支座在中、高频段具有很好的隔振性能。     

桥墩不均匀沉降对高速列车运行安全影响研究

针对运营阶段列车循环加载导致软土地基桥梁产生附加不均匀沉降威胁行车安全性问题,分别建立车辆-桥梁动力相互作用模型、桩基础-地基沉降模型。将用动力模型获得列车过桥时支反力时程作为外部激励,利用沉降模型研究列车荷载作用下桩基础的累积沉降规律;将由桥墩沉降产生的附加线形变化叠加到原始轨道不平顺中,考虑由其引起的竖向类离心力影响,用动力模型研究桥墩不均匀沉降对列车行车安全影响。以德国ICE3高速列车及三跨32 m简支梁桥为研究对象进行实例分析,结果表明,软土累积沉降主要发生在桩底约10 m厚土层范围内;相邻桥墩沉降引起的桥梁相对上拱对行车安全更不利。     

基于影响线的桥梁移动荷载识别

以桥梁不同截面动应变响应为对象,进行移动荷载识别研究。通过寻找应变曲线峰值点识别车辆行驶速度、轴数、轴距,并采用影响线拟合动应变响应的思路识别车辆各轴轴重。结合车-桥耦合振动模拟计算,对桥梁移动荷载识别问题进行数值仿真分析。