基于面接触的车桥耦合振动研究

现有分析车-桥耦合振动的研究中都假设移动车辆与路面的接触关系为点接触。事实上,轮胎与路面是通过面接触的。通过建立新的三维车轮模型,分析了面接触对车-桥耦合振动的影响,将车轮与路面的接触面模拟为长方形,通过接触面间的位移协调条件和力相互作用建立车-桥耦合振动方程。对车速、车轮刚度与阻尼、接触面尺寸大小、车辆数目等进行参数分析,研究了接触面对车-桥耦合振动的影响。数值计算与试验结果验证表明:所提出的模型能更准确合理的研究车桥耦合振动。     

冰-车-桥系统耦合振动分析

为了研究桥梁结构在车辆和冰荷载共同作用下的振动反应,提出了冰-车-桥系统耦合动力分析框架。在该框架中,每辆车都被视为一个多自由度的运动系统,桥梁结构采用有限元方法进行建模,利用罚函数定义了车轮与桥面之间的接触关系,实现了各子系统之间的接触与交互作用。基于自激冰力模型得到了依赖于冰与结构相对速度的桥梁结构自激冰力,构建了冰-车-桥系统的耦合动力方程,进而开展了冰-车-桥系统耦合振动分析及行车安全评估。研究结果表明：桥梁竖向振动反应随车速的增加而增大,桥梁横向振动反应则受到了冰荷载的控制;车辆的竖向反应主要依赖于车-桥之间的相互作用力,车辆的横向反应则受冰与桥梁之间相互作用力的主导,车辆与桥梁的交互作用受到了车速和冰速的双重影响;快冰速会增大车辆的横向接触力,降低车辆的最小侧滑抗力,不利于行车安全;冰荷载作用下桥上车辆的前轴车轮比后轴车轮更容易发生侧滑;所提出的冰-车-桥系统耦合动力分析框架可为冰荷载作用下跨海桥梁的行车安全评估提供参考。     

列车—曲线梁桥耦合振动的车辆模型研究

本文首先根据曲线梁的力学微分方程，说明了曲线梁的弯扭耦合特性。针对列车通过曲线梁的特殊情况，研究了可以同时反映竖向，横向，弯扭耦合动力学特性的车辆模型，此外本文还给出了车－桥耦合振动中的位移，力的耦合关系。     

多车载荷作用下沥青桥面铺装动力学响应

为更准确地分析沥青桥面铺装的动力学响应特性,提出基于实际车辆建模的车-路-桥动力学分析方法,研究多车载荷作用下沥青桥面铺装动力学行为。以一座钢-混凝土工字组合梁桥为例,考虑桥梁振动对桥面铺装的影响,通过数值模拟建立单车-桥面铺装动力学耦合模型,并与不考虑耦合、移动荷载作用下的传统模型进行比较,验证了耦合模型的正确性及考虑耦合的必要性;基于单车-桥面铺装耦合模型,研究多车荷载作用下沥青桥面铺装层的响应行为;分析了双车并行和双车偏载工况下,桥面铺装各层的应力和挠度响应,并与单车工况进行比较,可见多车对桥面铺装的动力学响应的影响不容忽视。研究结果表明:偏载改变了桥面铺装层横向应力的方向,在沥青层顶面和沥青-混凝土接触面,出现拉应力,故沥青铺装顶面容易出现纵向裂缝,横向最大拉应力发生在沥青层和混凝土层接触面;桥面铺装层最大纵向应力发生在沥青层和混凝土层接触面上,双车并行时,沥青层与混凝土层间所产生的纵向应力较单车行驶时增加了52.7%;偏载时剪应力最大,且最大剪应力发生在混凝土层和钢梁的接触面上,该接触面容易脱离,应采取抗剪措施;不同桥面铺装层最大挠度均发生在双车并行工况下,相比单车工况,挠度值可增大约64%。与单车作用相比,考虑多车-桥面铺装耦合对桥面铺装层设计及损伤控制提出更高要求。     

高速车辆-桥梁结构耦合振动分析

本文从时变角度模拟了高速车辆 -桥梁耦合振动 ,考虑了哥氏力 ,离心力的影响 ,分析了刚体的响应时程 ,以及桥面竖向加速度对旅客可能造成的影响 ,重点分析了车 -桥耦合振动中系统相关参数 (刚体质量与其移动速度 )的变化所带来的影响。而在一般的工程设计与施工中 ,行驶车辆的竖向惯性力是主要的 ,哥氏力与离心力 (也是惯性力体系的组成部分 )的影响可以近似忽略。     

高速铁路桥梁及场地土交通振动分析

以高速铁路32m单箱单室简支梁为例,建立了考虑土-结构动力相互作用的车-桥-墩-桩-土耦合振动系统整体三维有限元分析模型。车辆采用具有二系悬挂的多自由度车辆模型,场地土采用京沪高速铁路沿线实勘软土地基土层数据,在土体截断处采用粘弹性人工边界模拟半无限域土体,采用基于库伦接触算法的动力三维接触单元模拟轮轨接触。分析了桥墩和桩基等下部结构对车桥耦合振动的影响,以及车桥耦合振动对周围场地土振动的影响。计算结果表明车桥耦合振动受桥墩和桩基影响显著;周围场地的振动振级随着距离的增大而逐渐减小,相对水平振动而言,竖向振动衰减的更加明显;地面振动的高频分量衰减速度大于低频分量的衰减速度,远场地面振动以低频分量为主;地面振动与列车速度不是简单的线性递增关系,与上部结构桥梁的振动有关。     

车辆-路面耦合振动系统模型与仿真分析

基于二分之一的四自由度车辆振动模型,把路面简化成Kelvin地基上Euler梁,通过非线性动态轮胎力,建立车路耦合系统的分析模型及其动力平衡方程;通过轮胎和路面的位移协调条件对耦合方程进行解耦,采用模态叠加法和New-mark积分法对耦合方程组进行求解。数值分析表明:轮胎作为参振子系统对路面的影响基本可以忽略不计,考虑轮胎作为参振子系统下车体的最大竖向位移是没有考虑情况下的1.2倍左右。并对车辆运动初速度、加速度、以及路面不平顺对车体振动影响进行了分析。     

车桥耦合系统的非线性动力分析

研究了车桥耦合系统的非线性动力特性。基于哈密尔顿能量原理和欧拉-贝努利梁假设,考虑梁的几何非线性影响,建立了移动振动车辆模型下桥梁的耦合非线性振动方程,应用伽辽金法和Runge-Kutta法对方程进行求解,算例中探讨了车辆质量、车速、桥梁阻尼和桥跨径等参数对车-桥耦合系统非线性振动性能的影响。     

考虑桥面等级退化影响的风-车流-桥梁耦合振动分析

综合考虑了车流随机性和桥面等级退化等因素,提出了一种新的分析模型,该模型能分析在役桥梁不同服役期间在交通荷载及风耦合作用下的桥梁动态响应。基于已有车辆模型,建立了一个可考虑车辆纵向振动的18自由度空间车辆模型,考虑邻近车辆影响基础之上的改进CA(Cellular Automation-元胞自动机)模型和桥面退化模型,并引入等效车轮荷载的方法,通过风、桥梁和车辆相互作用关系,建立了风-车流-桥梁系统的耦合振动分析模型。数值计算表明:该文所提出的方法能够合理的模拟风-车流-桥梁系统的耦合振动。     

弹性车轮地铁车辆过曲线性能分析

为研究弹性车轮地铁车辆曲线通过性能的影响,建立刚柔耦合地铁车辆系统动力学模型。以实验测得橡胶径向和轴向刚度,求得弹性模量,通过有限元模态分析,在软件UM中建立考虑弹性车轮为柔性和考虑标准车轮为柔性的刚柔耦合地铁车辆模型。研究弹性车轮柔性对地铁车辆动态曲线通过的安全性及平稳性,对比分析不同工况下考虑弹性车轮结构柔性的刚柔耦合地铁车辆模型和考虑标准车轮结构柔性的刚柔耦合地铁车辆模型动态曲线通过时的动力学响应。通过对脱轨系数、轮轴横向力、轮轨接触角、车体横向振动加速度、车体垂向振动加速度、垂向平稳性、横向平稳性和轴箱横向振动加速度对比分析,得出结论如下：弹性车轮地铁车辆模型的脱轨系数、轮轴横向力、轮轨接触角、轴箱横向振动加速度、车体垂向振动加速度和垂向平稳性较标准柔性车轮均有不同程度的降低。弹性车轮地铁车辆模型的轮重减载率、车体横向振动加速度和横向平稳性较标准柔性车轮均有不同程度的微幅上升。     

基于车桥耦合振动的车辆舒适性分析

研究车桥耦合振动引起的车辆舒适性问题对合理设计桥梁结构,从而减小车桥耦合振动响应和提高司乘人员的乘坐质量具有重要意义。分别利用有限元法和达郎伯原理建立了大跨度公路斜拉桥三维模型和9个自由度的车辆空间模型。通过位移和力的协调条件将车桥两个子系统耦合起来,求解车桥系统的振动微分方程。基于计算机软件ANSYS中的APDL语言编写了求解振动微分方程迭代计算的命令流,以ISO2631-1―1997标准建立了评价车辆舒适性的方法,并据此分析了主跨为550m的福建长门大桥在多车辆通过时考虑不同车速和车重时的车辆动力响应和车辆舒适性。计算结果表明,随着车速的增加,车辆的动力响应增加,舒适性变差;而随着车重的增加,车辆的动力响应减小,舒适性变好。     

高速车辆过桥时的舒适性分析

车辆过桥引发的振动问题已有很多研究，目前大部分工作集中在桥梁结构的安全性方面，本文从舒适性角度出发，讨论了桥梁结构的振动对车辆垂向加速度的影响，基于移动荷载简支梁模型，给出了车辆垂向加速度与车速及梁桥固有频率之间的数学关系，并分析了路桥过渡段及临界速度情况下车辆的最大加速度。     

Formulation of equations of motion of finite element form for vehicle–track–bridge interaction system with two types of vehicle model

Vehicle, track and bridge are considered as an entire system in this paper. Two types of vertical vehicle model are described. One is a one foot mass–spring–damper system having two‐degree‐of‐freedom, and the other is four‐wheelset mass–spring–damper system with two‐layer suspension systems possessing 10‐degree‐of‐freedom. For the latter vehicle model, the eccentric load of car body is taken into account. The rails and the bridge deck are modelled as an elastic Bernoulli–Euler upper beam with finite length and a simply supported Bernoulli–Euler lower beam, respectively, while the elasticity and damping properties of the rail bed are represented by continuous springs and dampers. The dynamic contact forces between the moving vehicle and rails are considered as internal forces, so it is not necessary to calculate the internal forces for setting up the equations of motion of the vehicle–track–bridge interaction system. The two types of equations of motion of finite element form for the entire system are derived by means of the principle of a stationary value of total potential energy of dynamic system. The proposed method can set up directly the equations of motion for sophisticated system, and these equations can be solved by step‐by‐step integration method, to obtain simultaneously the dynamic responses of vehicle, of track and of bridge. Illustration examples are given. Copyright 2004 © John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

多人-桥竖向动力相互作用研究

基于弹簧-质量-阻尼行人动力模型及欧拉梁人行桥模型建立人行桥-多人耦合系统相互作用模型。通过实验室一低频型钢混凝土人行桥模型开展多人行走试验,验证了相互作用模型的有效性和适用性。采用状态空间法求解行人过桥时系统的瞬时模态,分析了不同人群密度下人群随机行走对人行桥动力特性的影响。对人群随机行走,还分析了不同人群密度和随机步态参数(步频、上桥时距和起步相位)对结构动力响应的影响。结果表明:考虑人群-人行桥相互作用,随着桥上行人密度的增大,人行桥基频略有降低,阻尼比显著增大;结构响应并不是逐渐递增的,其中考虑步频的随机性对响应均值的影响最大。     

基于模态叠加法和直接刚度法的列车-轨道-桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车-轨道-桥梁耦合系统（Train-Track-Bridge Coupled System,TTBS）动力分析的计算效率,该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型,结合模态叠加法和直接刚度法,提出了一种改进的混合方法（Improved Hybrid Method,IHM）。该方法中,列车动力方程通过多刚体动力学方法建立;轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应,桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统,轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后,以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例,探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律,最后,对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时,结果表明:同样的计算精度下,该文方法具有更高的计算效率。     

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。