列车荷载激励下站房结构振动响应频域分析方法

为研究高铁站房结构在列车荷载激励下的振动问题,建立站房结构振动响应频域分析模型。以重庆沙坪坝综合交通枢纽为工程背景开展建模工作:建立了车辆-轨道耦合模型,轨道-土体有限元模型和站房结构有限元模型。由车辆-轨道模型求解得到动态轮轨力,通过施加动态轮轨力于轨道-土体模型的轨道正线求得站房柱底对应的振动幅值响应,并将此结果作为外荷载施加于站房结构有限元模型,最终求得站房结构的振动响应,在此基础上探讨了扣件刚度对站房振动的影响。结果表明:列车通过车站时,站房结构一楼办公室的振动响应最大,站房设计时,应重点关注办公室的振动问题;站房振动的主要频段范围为10~60 Hz,其峰值频率集中在40 Hz左右,采用减振措施时应关注40 Hz左右的振动;增加扣件刚度可以有效削减站房6.3~31.5 Hz频率范围内的振动响应,但40~80 Hz频率范围内的振动响应会增大。     

综合交通枢纽车致振动响应特性研究

针对"站桥合一"的大型综合交通枢纽工程,研究在不同行车速度和不同线路工况下候车厅楼板以及大跨度悬挑结构的振动响应传递规律,研究列车高速过站时站房结构的动力响应,分析客运站各个楼层的动力响应规律、车致振动在客运站内的传播衰减规律。首先,以南昌西站站房结构为例,利用无砟轨道双层梁模型对轮轨力进行数值模拟,采用有限元法建立列车-轨道-站房耦合系统整体动力学分析模型,在有限元模型上施加不同工况的列车荷载,研究结果表明正线列车所致振动响应远小于到发线列车所致振动响应,双线行车所致振动响应约为单线行车的两倍,车致振动沿着与线路垂直方向和楼层高度方向快速衰减,车致振动沿着框架柱传递振动响应,但是轴柱中心线的振动响应小于跨中的振动响应。车致振动响应沿着高度方向呈现指数衰减。车致振动响应的垂向振动、横向振动存在量级上的差异,因此综合交通枢纽车站的振动舒适度问题可以主要关注竖向振动。     

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。     

移动荷载作用下的桥梁振动及其TMD控制

为了全面地了解移动荷载作用下桥梁的振动机理及其调质阻尼器(TMD)控制,将列车简化成移动简谐力模型,对列车过桥时桥梁的振动形态幅频特性作了详细的探讨。然后论述了移动荷载作用下的TMD控制。给出了桥梁在不同速度下的幅频特性曲线以及TMD控制的质量比影响曲线,揭示了移动荷载作用下的桥梁振动及其控制的特点,同时为进一步的桥梁振动控制提供详尽的参考数据。     

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。     

城市轨道交通“公轨合一”型高架桥车桥耦合振动分析

对某"公轨合一"型高架桥进行了汽车-列车-桥梁耦合振动分析。利用薄板单元和梁单元建立了桥梁的有限元模型,推导了17自由度可以考虑列车车体空间效应的整车垂向模型,引入轨道不平顺因素,轮轨关系假定为密贴,列车-桥梁耦合系统采用分离迭代法求解,利用ANSYS平台和自主编制的FORTRAN计算程序实现,汽车荷载采用移动常力模型,分析了不同工况下车桥子系统之间的影响,同时还讨论了轨道不平顺因素对该车桥耦合系统的影响。结果表明:该文所研究桥梁模型的上部公路部分和下部轨道部分各自通行车辆荷载时相互之间的影响很小,作者认为在做该桥梁的强度设计时,可以忽略上下部分的耦合影响;同时,对于该文模型,当列车车速为低速时(60 km/h),轨道不平顺因素对于桥梁跨中位移的影响很小,因而在做桥梁强度设计时,列车荷载可按轴荷取值而忽略轨道不平顺带来的动态效应。该结论可供同类桥梁设计时作为参考。     

高速列车引起的武汉站楼板振动舒适度研究

随着人们生活水平和质量的提高,建筑物舒适度方面的要求引起了人们越来越多的关注。针对武广客运专线武汉站"桥建合一"的特殊结构型式,将结构划分为列车-桥梁子结构和桥梁-上部大跨钢结构子结构,由前者计算桥梁支座处的反力,并以此为反力作为后者的输入荷载,计算上部大跨钢结构的动力响应,然后基于目前常用的国际标准,将武汉站不同标高的楼层分为不同的子区域,分别评价各个子区域的舒适度,以此评价武汉站楼板在高速列车荷载下的舒适度。评价结果表明:武汉站各标高的楼板均满足舒适度的要求。所采取的舒适度评价方法可为国内今后类似结构的舒适度设计提供依据、为舒适度评价提供参考。     

流冰撞击作用下川藏铁路桥梁振动抑制及行车安全研究

流冰撞击作用是川藏铁路复杂艰险山区桥梁可能的自然灾害。为了评估动力吸振器(dynamic vibration absorbers, DVA)对流冰撞击作用下桥梁的振动抑制特性和对桥上列车走行性的影响,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论和DVA设计方法,建立了考虑流冰撞击荷载影响的列车-轨道-桥梁-DVA动力学模型。研究了DVA对冰击荷载作用下桥梁结构横向振动的抑制效果,并分析了其对桥上列车走行性的影响。结果表明：在桥梁墩顶附加DVA后,能有效抑制冰击荷载作用下桥梁结构的横向振动,且列车过桥时的车体横向振动加速度、横向轮轨力、脱轨系数和轮重减载率等动力学指标均明显减小;当行车速度增大到200 km/h时,DVA对车辆动力学响应依然有较好的减振效果;保持行车速度不变,增大DVA的质量比,车辆动力学响应的减振率均增大。试验表明,桥上安装DVA对铁路桥梁抵抗流冰撞击和桥上列车的走行性均有利。     

高架轨道交通引起的环境振动影响分析与预测

对高架轨道交通系统引起的环境振动影响进行理论分析和数值计算,建立了车-桥和墩-土两个子系统模型,通过车-桥子系统模型得到作用在墩-土子系统上的动荷载,然后利用墩-土子系统模型计算出在该荷载作用下周围环境的动力响应;进一步通过参数分析研究了各种因素对环境振动的影响规律。结果表明:高架轨道交通引起的环境振动随振源距离的增大而逐渐减小,并且受到桥梁跨度、桥梁质量、桥墩基础埋深、车辆轴重、列车速度、土的性质及支座刚度的影响。根据计算结果运用回归的方法提出了高架轨道交通引起环境振动的预测公式,并通过与北京地铁5 号线的实测结果和其他预测公式的比较进行了验证,表明所提出的预测公式具有较高的准确度和适应性。     

地铁运行引起场地振动的荷载与分析方法

利用实测钢轨加速度时程,建立地铁列车二系弹簧模型,考虑轮轨非线性接触及轨道不平顺,求得了钢轨荷载时程。分别由钢轨荷载时程求得了简单模型的隧道仰拱荷载时程和由列车轮载求得了纵向钢轨-隧道-地基模型的仰拱轮载时程,为地铁环境振动分析提供了基本数据。在此基础上,进行地铁所致环境振动的二维和三维模型的计算比较,考虑了粘弹性和粘性人工边界的不同影响。对比得出了二维模型地铁环境振动分析的适用计算方法和隧道荷载以及三维模型的适用隧道荷载。还比较了三维模型环境振动分析采用不同人工边界的影响。最后,利用隧道仰拱荷载施加于二维模型分析了地面振动的衰减规律,并与实测数据进行了比较,结果符合较好。     

地铁车辆段上盖物业车致振动分析

为研究地铁列车进出车辆段对上盖物业振动的影响,先结合两个实际工程,对武汉某车辆段和宁波某车辆段内运用库列车振动荷载进行现场实测,并对两车辆段内运用库列车振动荷载进行对比分析,探讨车辆段内运用库列车振动荷载特性。然后改善了基于弱振情况下结构精细化有限元模型构建方法和荷载输入方法,并基于实测数据验证了其合理性。最后建立了武汉某车辆段上盖物业精细化有限元模型,计算分析上盖物业的振动响应。计算结果表明：地铁列车进出车辆段引起上盖建筑物的振动高频成分较丰富,其主频率在40Hz附近,列车振动荷载特性决定了建筑物内振动的频域分布;建筑内楼板跨中各方向振级沿高度方向的变化是不同的,铅垂向Z振级沿楼层的上升呈现先减小后增大的特点,而在水平方向振级总体上呈现随楼层增大而增大的特点。本文的研究成果可为精确预测、分析和评价地铁车辆段上盖物业振动舒适度提供基础。     

隧道仰拱底鼓机理及列车振动荷载影响研究

为研究列车振动荷载下隧道仰拱结构既有底鼓病害的扩展特性,探究列车动载对仰拱底鼓的放大效应,从围岩静载作用下仰拱底鼓的破坏模式出发,基于现场实测数据,利用动态扩展有限元模型,研究列车动载下各底鼓破坏模式的扩展规律及特性。结果表明:影响仰拱底鼓的主要原因有围岩静载、仰拱结构自身特征以及列车动载,仰拱底鼓模式主要有W型底鼓、LJ型底鼓以及H型底鼓。列车动载的加入改变了仰拱底鼓裂缝的扩展规律,缩短了裂缝贯通的时间,列车动载循环100次后裂缝贯通时间仅为围岩静载时的50%左右,循环10000次后裂缝贯通时间仅为围岩静载时的25%左右。围岩与仰拱间的接触压力斜率随着动载的加入而提高,提高的幅度与动载的循环次数正相关。     

船舶撞击作用下车桥系统动力响应及高速列车运行安全分析

将船舶撞击力时程作为系统的外部激励,建立了撞击荷载作用下的车桥系统动力分析模型。以一座 (32+48+32) m双线预应力混凝土连续梁桥和国产CRH2高速列车为例,模拟船舶撞击力作用于桥墩时列车过桥的全过程,分析了桥梁和车辆的动力响应。结果表明：船舶撞击作用大幅度增大了桥梁的横向位移和加速度响应,显著影响了桥上高速列车的运行安全。探讨了船舶撞击荷载作用下的桥上高速列车走行安全评价方法,综合分析了列车速度和荷载撞击强度对列车运行安全的影响,在此基础上给出了列车速度－撞击力强度安全阈值曲线。     

汽车撞击作用下车桥系统的动力响应及高速列车运行安全分析

建立了撞击荷载作用下的高速列车-桥梁系统动力分析模型,将汽车撞击力时程作为系统的撞击荷载,以一座5m×24m连续箱梁桥和ICE3高速列车为例,模拟汽车撞击力作用于桥墩和列车过桥的全过程,分析了车桥梁系统的动力响应,对桥上高速列车的运行安全指标进行了评价。结果表明:汽车撞击使桥梁的动力响应大幅度增加,并对高速列车运行安全有极大的影响。对撞击作用下的桥上高速列车走行安全控制方法进行了探讨,给出了列车速度-撞击力强度安全阈值曲线。     

Review of the fatigue damage tolerance of high-speed railway axles in Japan

Railway axles are one of the most important components in railway systems since a fail-safe design is not available. In the present paper, the fatigue tolerance of the high-speed railway axle in Japan is reviewed. To maintain the safety, the fatigue strength of the axle has been extensively studied. Theses case histories and consequent improvements in manufacturing process are presented. The crack propagation behavior of the induction hardened axle is studied based on the fracture mechanics. Concerning the powered railway axles, the fatigue design method in Japan is compared with that in Europe and the effect of the train velocity on the allowable load is discussed.     

考虑桥梁几何非线性的风-车-桥耦合振动分析

考虑桥梁结构的几何非线性因素,建立了风及列车荷载作用下大跨度桥梁的振动分析模型。以某大跨度三拱连续钢桁梁桥为例,分析了脉动风及静风荷载的不同作用效应,风速、车速变化以及结构几何非线性对桥梁振动响应的影响。结果表明:在进行车桥耦合振动分析时要综合考虑风荷载的动力作用;几何非线性因素会影响桥梁振动的极值,但不影响其变化趋势;风速及车速变化对桥梁位移极值均有较大影响。     

运行列车对高层建筑结构的振动影响

建立了一种列车-轨道-路基解析分析模型,将钢轨视为竖直平面内支承在Winkler弹性基础上的一根连续的Euler-Bernoulli梁,考虑轮轨接触的影响,推导出单个轮对荷载对地基的作用力,通过迭加方式得到整列车对路基产生的动荷载;在此基础上,选取铁路线附近的某高层建筑,用有限元分析的方法计算了该高层建筑所受到的振动影响;研究了不同车速下不同距离建筑物中不同楼层的振动规律:振动随楼层高度增加具有不同程度增大的趋势;车速越大,建筑物的振动响应也越大;随着到轨道中心线距离的增加,建筑结构的振动逐渐减小。     

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。     

正交异性钢桥面构造细节的日照温度次应力分析

为研究正交异性钢桥面板构造细节的日照温度次应力行为,多次在高温和强日照天气下现场实测了某自锚式悬索桥钢箱梁外周和实腹式横隔板上温度场,基于观测到的最大顶底板温差拟合了横隔板竖向温度梯度表达式;在ANSYS中建立了钢箱梁节段有限元模型并施加外周温度,计算其24 h温度场,并与横隔板实测竖向温度的对比校验了温度场模拟的合理性;开展了钢箱梁节段和子模型的精细化热应力分析,得到了纵肋-横隔板和弧形切口共4个构造细节的温度应力时程曲线。研究表明：在强太阳辐射和高温环境下,钢箱梁横向温差不明显,但存在明显的竖向温度梯度,横隔板竖向温度梯度可拟合为四折线形式,最大温差明显小于欧规值。正交异性钢桥面板产生热变形并在构造细节处产生明显热应力集中,特别是弧形切口热应力大。仅日照竖向温度梯度作用,或仅桥面货车通行加载,弧形切口均为无限疲劳寿命;但二者共同作用产生的应力幅,大于构造细节的常幅疲劳极限,可能是该构造细节出现疲劳开裂的原因。     

高架候车厅车致振动特性及减振控制研究

为评估某火车站高架候车厅结构车致振动特性及振动对于舒适度的影响,采用振动测试的方法对列车经过时该候车厅不同部位的振动进行现场实测.基于实测数据及数值模拟分析对比,得到该火车站结构不同部位对车致振动的响应特征,在此基础上结合国家标准进行舒适度评估;通过1/3倍频程谱分析,研究结构不同部位各频带范围的加速度振动级.对于加速...