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。     

基于车-桥随机振动模型的简支梁桥墩顶垂向动反力特征研究

为研究高速铁路简支梁桥墩顶垂向动反力的随机性特征,基于虚拟激励法和有限元方法,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统竖向随机振动模型。采用多体动力学理论建立具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统列车模型;采用有限元方法建立轨道-桥梁有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-轨道-桥梁耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将轨道高低不平顺转化为一系列简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性时间历程问题,推导了列车-轨道-桥梁耦合时变系统随机振动计算模型。基于该计算模型,以五跨32 m预应力混凝土简支箱梁桥为研究对象,研究了轨道不平顺和车速对墩顶垂向动反力随机特征的影响。结果表明:墩顶垂向动反力受列车轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺随机激励对其影响显著;不同轨道不平顺随机激励下墩顶动反力均方根(σ)不同,基于3σ法得到的限值(μ±3σ)相差较大;随着车速的增大,墩顶动反力均方根(σ)逐渐增大。     

基于车-桥随机振动模型的简支梁桥墩顶垂向动反力特征研究EI北大核心CSCD

为研究高速铁路简支梁桥墩顶垂向动反力的随机性特征,基于虚拟激励法和有限元方法,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统竖向随机振动模型。采用多体动力学理论建立具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统列车模型;采用有限元方法建立轨道-桥梁有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-轨道-桥梁耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将轨道高低不平顺转化为一系列简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性时间历程问题,推导了列车-轨道-桥梁耦合时变系统随机振动计算模型。基于该计算模型,以五跨32 m预应力混凝土简支箱梁桥为研究对象,研究了轨道不平顺和车速对墩顶垂向动反力随机特征的影响。结果表明:墩顶垂向动反力受列车轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺随机激励对其影响显著;不同轨道不平顺随机激励下墩顶动反力均方根(σ)不同,基于3σ法得到的限值(μ±3σ)相差较大;随着车速的增大,墩顶动反力均方根(σ)逐渐增大。     

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。     

基于车桥耦合模型的高速铁路预应力连续梁桥动力性能研究

本文利用车桥耦合关系建立车桥系统动力模型,模拟工后沉降引起的轨道高低不平顺,得到不同行车速度、不同工后沉降情况下列车和桥梁的动力响应,分析了工后沉降对车桥耦合系统产生的影响及工后沉降的控制指标,结论表明,预应力连续梁桥工后沉降引起的轨道高低不平顺主要影响高速车辆运行的舒适度,特别对车体的竖向加速度影响最大,所以控制工后沉降量的主要指标就是车体的竖向加速度。     

路基不均匀沉降对地铁A型车辆动力学特性影响研究

路基不均匀沉降会导致轨道变形,进而映射到钢轨造成轨面不平顺,对行车安全和运行平稳性带来影响。针对城市轨道交通整体道床典型轨道结构,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立考虑轨道自重荷载和轮轨接触关系的车辆-整体道床无砟轨道空间耦合动力学实体模型,分析了路基不均匀沉降条件下车辆行驶速度、路基不均匀沉降波长和幅值等参数对车辆动力学特性的影响。分析结果表明:随着车辆行驶速度和路基沉降幅值的增大,车辆系统动力学响应也响应增大,当速度超过85 km/h时对行车安全性和舒适性均造成不利影响,且路基不均匀沉降引起车辆动力学响应的敏感幅值为30 mm;路基沉降波长对车辆动力学特性的影响呈先增大后减小的变化规律,其中在波长为20～30 m时对车辆动力学特性影响最为显著。     

直线电机轨道交通系统车桥耦合动力分析

直线电机轨道交通系统(LIM 系统)具有很多优点,适合于在城市中发展.该文在对车载电机产生的电磁力进行分析的基础上,建立了用于分析LIM列车一桥梁系统振动的动力模型.以一座3跨简支梁桥为工程背景,运用专门编制的计算机程序对LIM列车.桥梁系统的动力响应进行了计算,分析了各种因素对LIM系统的振动影响,并对LIM车辆与桥梁的动力性能进行了评价.计算结果显示:轨道不平顺显著影响抱轴式LIM列车所受的电磁力,磁极气隙的设置、电磁力的大小和方向及列车速度对车桥系统的振动尤其是竖向振动有一定的影响.LIM列车在桥上运行时,车辆的各项动力性能指标完全满足行车安全性和平稳性的要求,桥梁的动力性能指标也符合规范要求.LIM系统具有出色的动力性能.     

基于行车安全性的高铁桥梁横桥向减隔震体系研究

针对目前最常用的32 m跨径高铁简支梁桥,同时考虑对行车安全不利的路桥过渡段和墩高改变处,对高铁桥梁的行车安全性能进行了评价;分析了铅芯橡胶支座、摩擦摆支座等常规减隔震方案在高铁桥梁中运用的可行性。分析结果表明,采用盆式橡胶支座的高铁桥梁在地震作用下轨道变形和轨道横向加速度较大,无法满足高速运行的列车的行车安全性要求;采取常规减隔震措施之后,尽管地震响应有所降低,但在路桥过渡段依然无法满足列车的行车安全性要求。鉴于此,研发了抗冲击多向耗能阻尼器,与盆式支座相结合,提出了可以满足列车行车安全性的高铁桥梁横桥向减隔震体系。该体系可在地震作用时盆式支座剪断瞬间承受较大的冲击力,保证体系转换过程中桥梁结构的刚度不发生突变,控制轨道变形不超过允许的限值,保证列车的行车安全性。     

高速铁路铰接式列车车桥系统动力响应分析

根据铰接式车辆结构和悬挂形式的特点,建立了铰接车辆单元模型,以现有通用软件为基础直接生成桥梁模型的质量、刚度矩阵,并以实测轨道不平顺为系统激励,求解车桥耦合动力相互作用问题;以欧洲布鲁塞尔-巴黎高速铁路线上的Thalys铰接式列车通过Antoing桥为例,分析了桥梁的动挠度、竖向和横向加速度等动力响应及运行车辆的振动加速度响应,并对铰接式列车的振动特性进行了初步的探讨;最后通过现场试验对分析模型和计算结果进行了验证。     

温度效应对铁路钢桥行车性能影响研究

日照作用所引起的温度效应使得铁路桥梁产生明显变形,进而影响行车安全性。为研究此问题,首先借助于ANSYS有限元软件的热-应力耦合技术进行桥梁温度场和位移场分析,以获得日照作用下的轨道变形。其中,桥梁热分析边界条件由热辐射、热对流、热传导等太阳物理学综合因素及相关经验公式确定;采用构件截面切分简化分析模型。然后,建立车桥耦合振动分析模型,将温度效应引起的梁体变形和轨道不平顺叠加效应作为系统激励,采用全过程迭代法求解系统响应。最后,以某铁路简支钢板梁桥为例进行车-桥动力计算,结果表明:日照作用下列车通过桥梁时,桥梁的加速度没有明显差异,但横向和竖向位移均有所增加,同时桥上行车安全性和舒适性均有所降低。     

突变阵风对列车动力响应及行车安全性的影响

突变阵风因风速在短时内发生瞬时变化容易对高速列车的行车安全性造成威胁。根据一维多变量非平稳随机过程理论，模拟了空间相关的时变阵风脉动风速场。采用多体动力学软件SIMPACK和有限元分析软件ANSYS，建立了42自由度的刚性列车与柔性轨道-桥梁相互作用的刚柔耦合模型，考虑横风向时变阵风的影响，基于刚柔耦合法形成了较为完善的风-列车-轨道-桥梁耦合动力学分析系统。以大跨度拱桥为工程背景，分析了时变阵风在不同车速和风速下对列车和桥梁动力响应特性及行车安全性的影响。结果表明：阵风对桥梁和车辆的动力响应具有重要的影响；在相同条件下考虑阵风影响时，主跨跨中横向位移增幅达到了200%，车辆的轮重减载率、脱轨系数相比于不考虑阵风时增大近30%；在风速大于25 m/s，车速大于80 km/h，轮重减载率将超过安全限值，表明车辆可能发生脱轨。     

考虑轮轨非线性接触的车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统随机振动分析

基于列车-轨道-桥梁耦合动力学理论,考虑轮轨接触非线性,采用广义概率密度演化理论建立了列车-轨道-桥梁垂向耦合系统非线性随机振动方程。采用数论选点法结合谱表示-随机函数法生成轨道随机不平顺样本,实现了用两个随机变量和少量样本较精确地反映轨道不平顺功率谱的随机特性。以高速列车-简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道为例,从概率及可靠度角度,考虑非线性轮轨关系中跳轨现象以及轨道随机平顺影响,对比分析了线性与非线性轮轨对车辆运行安全性的影响;计算了不同轨道谱、车辆运行速度下轮重减载率概率密度演化规律及其对车辆运行安全性影响。结果表明,建议的方法可通过较少的随机变量和样本计算得到车辆-轨道-桥梁耦合系统非线性随机动力响应及其概率分布,可为车辆运行安全性评价提供更好的指导。     

地震作用下车辆-轨道系统轮轨动态响应试验研究

为研究地震作用下高速铁路地震预警阈值,进行准静态全尺寸车辆-轨道模型振动台试验研究,对车辆轨道模型施加正弦地震波,试验结果显示《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中所规定的轮重减载率限值和脱轨系数限值可能偏于保守,且导致列车脱轨的原因是由于地震作用使轨道结构发生大幅的水平向振动,引起车轮发生水平向晃动,致使车辆发生侧向滚摆运动所造成的;接着对车辆轨道模型施加实测地震波,试验结果表明地震波频谱特性对列车运行安全有一定的影响;对车辆轨道模型同时施加水平向和垂向地震波,发现对车辆轨道系统动力响应影响较大的为水平向地震波,垂向地震波则对其影响较小;根据振动台试验模型建立与之对应的多刚体、多自由度三维车辆-轨道数值模型,研究当考虑轨道不平顺时,地震作用下不同车速对列车轮动动力响应的影响,通过数据分析表明,在一定范围内,地震作用下的列车脱轨与列车速度关系不大,为高速铁路地震预警阈值的研究提供了一定的理论依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高速磁浮列车-轨道梁耦合系统轨道不平顺敏感波长研究

轨道不平顺是诱发车-桥系统耦合振动的主要激励源之一,探明系统耦合振动不平顺敏感波长,对线路管理具有重要参考价值。首先,建立了高速磁浮列车-轨道梁耦合系统空间模型,其中磁浮列车被模拟为具有537个自由度的多体动力学模型,轨道梁被模拟为空间有限元模型,两者之间通过基于比例-微分(proportional-differentiation, PD)控制理论的磁轨关系耦合。其次,以上海高速磁浮为研究背景,选用5车编组列车驶过20跨简支梁桥为计算条件,通过与实测结果对比,验证了模型的正确性。最后,考虑轨道谐波不平顺激励,探讨了不同方向的轨道不平顺组合、不同轨道不平顺幅值和不同车速对列车和桥梁动力响应敏感波长及列车运行平稳性的影响。结果表明：磁浮列车-桥系统横向振动和竖向振动耦合性很弱;在设计车速430 km/h下,车体竖向、侧滚和点头加速度敏感波长分别为140～180 m、60～100 m和120～160 m,车体横向和摇头加速度敏感波长大于200 m;当波长为80、105、115、140和160 m时,会分别引发车体侧滚、摇头、横向、点头和竖向方向的共振;车体和主梁的响应幅值与轨道不平顺幅值基本...     

大跨度铁路斜拉桥冲击系数的影响因素研究

为研究列车编组等因素对大跨度铁路斜拉桥冲击系数的影响,针对大跨度铁路斜拉桥车致振动的特点,采用车桥耦合振动的方法,探讨了不同列车运营条件对桥梁局部构件的冲击效应的影响。通过自主研发车桥分析软件BANSYS,分析了大跨度铁路斜拉桥的动力响应,讨论了列车编组、轨道不平顺、行车方向和列车类型等因素对斜拉桥各部件冲击系数的影响。研究表明:进行车桥动力计算和现场动力试验时,应尽量采用与实际列车相同或相似的列车编组;列车行车方向不同时,构件同一位置处冲击系数相差较大。     

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。