多线地铁列车-高架桥耦合系统动力分析

为了对多线地铁高架桥的车桥耦合作用进行分析,基于ANSYS的参数设计语言(parametric design language,简称APDL)建立了能够考虑列车单双线行驶的地铁列车-桥耦合动力分析模型。以一座三跨四线地铁高架连续梁桥为研究对象,采用四动二拖6辆编组B型地铁列车模型,分析了地铁列车分别沿不同单双线运行时桥梁结构的动力响应。结果表明:地铁列车对桥梁的横向位移和加速度影响较小;双线对向运行时桥梁竖向位移和加速度响应峰值大于沿单线运行的情况;双线对向运行时桥梁关键截面内力响应峰值约为沿单线运行时内力代数叠加的67%~99%。所提出的数值模型和计算结果可以为多线地铁高架桥车桥耦合振动研究提供理论方法和评估依据。

波浪作用下高速列车-轨道-桥梁系统耦合振动研究

为研究波浪作用对高速铁路跨海桥梁车-轨-桥系统耦合振动的影响,基于线性波浪理论和Morison方程模拟波浪荷载,采用分布力模式输入既有车-轨-桥系统耦合振动分析程序,提出波浪作用下的车-轨-桥系统耦合振动分析方法。以某高速铁路跨海斜拉桥为背景,研究波坡面效应、波浪重现期、车速对车-轨-桥系统动力响应的影响,并评估不同重现期波浪作用下过桥列车的走行性。结果表明:波坡面效应会使作用于不同单桩的波浪荷载初始相位不同,从而导致作用于群桩基础的波浪荷载合力不同;随着波浪重现期的增大,车-轨-桥系统的横向动力响应均增大,而竖向动力响应几乎不变;考虑波浪作用后,列车的行车安全性指标均随车速的增大而增大,波浪荷载会显著降低桥上列车的乘坐舒适性并增加桥上列车的脱轨风险。常遇波浪(10年重现期)和极端波浪(100年重现期)作用下列车的安全车速阈值分别为325 km/h和275 km/h。

考虑相干路面不平度的车-路-桥耦合系统振动分析

在车-桥耦合振动系统中,路面不平度作为主要激励之一,直接影响着车辆、路面铺装及桥体的动力响应,而在已有的车-桥耦合振动分析中,还少有考虑路面铺装及路面不平度相干性(即左右轮非一致路面不平度)的研究.为获得更接近实际的车-桥耦合振动分析模型,建立了三维车-路-桥耦合(VPBI)系统有限元模型.路面铺装的黏弹性属性用Prony级数表征;路面不平度由逆傅里叶变换法构建,通过左右轮路面不平度相位差引入相干性,采用约束耦合法实现车辆、路面不平度和路面铺装的位移协调,得到三维VPBI系统有限元模型,并分析左右轮非一致路面不平度及其相干强度对车辆、路面铺装和桥体动力响应的影响情况.结果表明,在建立更接近实际的更精细化的三维VPBI计算模型时,须考虑相干路面不平度对系统动力响应的影响.

高速铁路桥梁支座刚度对车-桥耦合系统的影响

作为高速铁路仿真的关键环节,对车一桥耦合系统的动态响应进行评估,依托支座刚度对系统指标的变化特性开展分析。研究结果显示:车辆系统中车体的垂向加速度与支座刚度相关性较高,而轮轨力、脱轨系数等安全性指标受支座刚度影响较小。桥梁系统中支座刚度与垂向位移相关性较大,桥梁中间区域的横向加速度与支座刚度呈负相关,而塔顶的横向振动量级与支座刚度呈正相关。柔性轮相比刚性轮对桥梁与车体的振动更为敏感,而与其他指标相关性较小。车一桥耦合系统精准确定了不同支座刚度下高速动车组各指标的变化特性,为后续产品的设计优化提供了参考。

地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动的影响研究

随着磁浮交通线路的不断扩展,地震作用对磁浮交通系统的安全性构成了严重威胁。为探究地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统振动响应特性的影响,基于考虑比例-积分-微分(PID)主动悬浮控制的磁浮车轨耦合关系,在绝对坐标系下建立磁浮列车-轨道-桥梁系统地震响应数值计算模型,其中将车辆简化为具有45个自由度的多刚体,轨道-桥梁结构采用有限元法建立。在此基础上,编制相应的仿真程序,计算只考虑车辆作用、只考虑地震作用以及同时考虑车辆和地震作用3种工况下系统的动力响应,并分析车速对系统地震响应的影响规律。研究结果表明:地震作用对磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动影响明显,尤其是对横向耦合振动的影响;轨道-桥梁结构跨中竖向位移受车辆作用影响较大,跨中横向位移主要受地震作用影响;轨道-桥梁结构的频域响应与车辆荷载的特征频率及结构固有频率密切相关,地震作用会显著放大轨道-桥梁结构的1阶固有频率振动响应;同时考虑车辆作用和地震作用时,随着车速提高,车体加速度幅值与桥梁跨中竖向位移幅值并非单调变化,而桥梁跨中横向位移幅值呈现下降趋势。研究成果可为后续磁浮列车-轨道-桥梁耦合系统地震响应分析和轨道-桥梁结构设计提供理论支撑。

考虑冲刷效应的大跨桥梁地震-风-车-桥耦合振动分析

为研究冲刷效应对地震与风联合作用下大跨桥梁动力响应的影响,在已建立的地震-风-车-桥耦合振动分析模型基础上,利用p-y曲线(p为土阻力,y为变形)折减法考虑不同冲刷深度的桩土荷载-位移关系,根据桩土荷载-位移关系和冲刷深度更新桩基的侧向支撑刚度和长度,从而考虑了冲刷效应对大跨桥梁动力响应的影响,并将模型应用到江顺大桥冲刷效应的分析研究中.研究结果表明:基础冲刷减弱了地基土对结构的侧向约束,从而降低结构的自振频率,侧向振型的自振频率最大降低6.01%;在运营车辆和风荷载作用下,基础冲刷对结构的振动响应影响很小;在地震发生后,基础冲刷会增大结构的横向振动,结构的横向位移响应极值最大增大9.1%,横向位移响应谱也相应增大,而对结构的竖向振动影响很小;基础冲刷可能减小车辆横向加速度的响应,车辆的横向加速度响应极值最大降低7.7%,对车辆的竖向振动影响很小.

人-桥耦合系统的动力分析

人行桥的人致振动的传统算法没有考虑人-桥耦合效应(Human-bridge coupling effect,HBCE)的影响.目前,已有学者将行人等效成弹簧-质量-阻尼(Spring-Mass-Damping,SMD)模型.在此基础上,本文将SMD模型加入到人行桥的运动方程中,推导了人-桥耦合系统的竖向振动方程,并用MATLAB编制了计算程序,对人-桥耦合系统的动力特性和竖向人致振动进行了初步分析.研究结果表明:(1)在考虑人-桥耦合效应后,系统频率会降低,而系统阻尼会增大,即人-桥耦合效应对人行桥的动力特性的影响显著;(2)当步频接近人行桥的频率时,不考虑人-桥耦合效应的竖向人致振动会被过分地放大,而当步频远离人行桥的频率时,考虑人-桥耦合效应的竖向人致振动则偏于保守;(3)人行桥越轻或行人越多,考虑和不考虑人-桥耦合效应的计算结果的差异越大.

多因素耦合失效模式下地铁施工安全系统与管理模型

为提升地铁施工安全管理效果,减小地铁坍塌事故的发生,分析地铁施工事故风险因素。首先,分析事故致因中人群-机群的多因素耦合模式;然后,借助事故致因“2-4”模型(24Model)和广义安全模型(GSM),构建地铁施工安全系统管理模型;最后,将人群-机群系统多因素耦合失效模式应用于已有的16起地铁施工坍塌事故,统计得到14个人群与6个机群致因因素,分别给出其多因素耦合模式及作用路径,并计算风险等级。结果表明:地铁施工人群-机群的多因素耦合效应包含6种模式和14条作用路径。地铁施工安全系统管理模型分为目标层与匹配层,其中,匹配层主要是将事故原因与安全防线相匹配,包括微匹配、中匹配和宏匹配3个层面。并基于地铁施工安全系统管理模型,给出地铁坍塌事故预防安全管理“三道防线”。

列车-桥梁耦合系统非线性随机振动分析

在轨道不平顺激励下,列车过桥时发生车-桥耦合振动。由于轨道不平顺激励源是随机过程,而轮轨接触关系又是非线性的,因此,车-桥耦合振动属于非线性随机振动问题。用统计线性化方法分析车-桥非线性随机振动。轮轨接触几何关系用5个非线性函数描述,推导车-桥系统非线性振动方程。对车-桥非线性振动方程中的非线性函数进行统计线性化,得到时变的线性车-桥耦合振动方程。用虚拟激励法求解线性车-桥系统的随机响应,提出一种"显式"统计线性化方法,该法在每个时间步均无需作统计线性化迭代。最后,用Monte Carlo法验证了车-桥统计线性化随机振动分析方法具有较高的精度。算例表明,轮轨非线性接触对车辆和桥梁的随机响应影响很大,车-桥随机振动分析应合理考虑轮轨非线性接触。

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-BridgeCoupledSystem,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。

龙卷风作用下列车-桥梁系统气动特性数值研究

龙卷风是特异风灾害之一,常导致基础设施严重损毁,对其易发区高速铁路的安全运营有潜在威胁。为研究龙卷风作用下列车-桥梁系统气动特性,采用计算流体力学手段,开展车-桥系统龙卷风作用分析。首先,建立典型龙卷风发生装置数值模型,实现龙卷风流场数值模拟;其次,建立CRH2高速列车模型和典型铁路桥梁节段模型,开展横风作用下车-桥系统气动特性数值分析,并与风洞试验的结果进行对比,验证模型的合理性;最后,将车-桥模型嵌入龙卷风数值风场中,分析车-桥系统在龙卷风作用下的气动特性,研究列车在穿越龙卷风时所受侧力及倾侧力矩的变化规律。结果表明,龙卷风作用下车-桥系统气动性能呈现明显的三维特征,龙卷风涡旋气流的流线和风压分布受车-桥系统影响显著;龙卷风内部形成了负压场,在车-桥系统的影响下,内部负压区向外扩大,压力等值线沿着车-桥轮廓外凸;列车迎风面的压强沿径向增大,最小负压存在于迎风面和顶部转角处;列车在涡核附近区域受到侧力和倾侧力矩达到峰值,列车所受侧力作用最不利位置为迎风侧,所受倾侧力矩最不利位置为背风侧。

路基不均匀沉降下列车-有砟轨道-路基三维耦合系统动力响应分析

基于多体动力学与有限单元法建立列车-有砟轨道-路基三维耦合系统精细化数值模型,并提出一种新的迭代方法,将路基余弦型不均匀沉降作为位移边界条件,通过判断轨道结构与路基结构间的接触状态,研究路基不均匀沉降和列车荷载共同作用下的轨道结构伴随性变形,计算列车动力响应、轮轨接触力和轨枕与道砟间的接触力等,进而模拟分析不同波长和幅值的不均匀沉降对上述动力响应和轨枕空吊等病害的影响,揭示路基不均匀沉降与钢轨变形之间的映射关系。研究结果表明:轨道结构伴随性变形随路基沉降幅值的增大而增大,且在一定沉降范围内引发轨枕空吊等病害;耦合系统结构动力响应随路基沉降幅值的增大而增大;随沉降波长增大,轮重减载率和轮轨力减小,而车体竖向加速度呈现先增大后减小的变化趋势,并存在10 m左右的敏感波长使得车体竖向加速度最大;路基不均匀沉降可加剧轨枕和有砟道床间的相互作用,进而加剧沉降发展。

黏滞阻尼器对高速列车-大跨斜拉桥耦合系统的减震分析

以某主跨为400 m的双塔双索面斜拉桥为例,基于ANSYS和SIMPACK联合仿真分析平台,运用带悬挂系统的多刚体建立高速列车模型,应用三维有限元建立斜拉桥模型,采用Maxwell非线性力学模型模拟黏滞阻尼器,输入轨道不平顺和修正后的El Centro地震波,进行地震作用下车桥耦合系统振动分析,研究地震强度和黏滞阻尼器参数对车桥动力响应的影响。结果表明:耦合系统振动响应随地震强度的增大而增大,地震强度对耦合系统横向响应的影响大于竖向,列车脱轨系数和轮轴横向力在地震强度超过0.10g后增速明显加快;设置横向黏滞阻尼器后,耦合系统的横向动力响应均有明显下降;能起到减小耦合系统振动响应的阻尼器参数为速度指数α在[0.3,0.6]、阻尼系数在[4000,8000]kN·(m·s^(-1))^(-α)的任意组合,耦合系统减震效果最优的阻尼器参数组合为速度指数取0.6、阻尼系数取8000 kN·(m·s^(-1))^(-α),此时减震率平均值为38.3%。

摩擦摆支座对高速列车-简支梁桥耦合系统的减隔震分析

为研究摩擦摆支座(FPB)对地震下高速列车-简支梁桥耦合系统的减隔震作用,基于ANSYS和SIMPACK平台,建立了高速列车-多跨简支梁桥耦合系统的三维有限元模型.模型中采用104~#力元模拟FPB,将轨道不平顺和地震力作为耦合系统的激励,开展了FPB对地震荷载下车-简支梁桥耦合系统的减隔震研究.结果表明,在El Centro地震波作用下,车-桥系统的动力响应随着车速、地震强度、墩高度的增大而增大.地震强度小于0.12g时,FPB能减小车-桥系统除墩顶横向加速度以外的其他动力响应,车速越大、墩身越高, FPB的减振效果越显著;地震强度大于0.12g时,FPB会增大车桥系统的动力响应.建议在高速铁路简支梁桥减隔震设计中,墩高不宜超过16 m,摩擦摆支座的参数应根据具体桥梁进行选择.

考虑几何非线性的大跨度斜拉桥车-桥耦合系统地震响应分析

几何非线性对车-桥耦合系统地震响应的影响不容忽视。本文以一座超千米公铁两用斜拉桥为工程背景,基于全过程迭代法建立考虑几何非线性影响的地震作用下车-桥耦合动力分析模型,分析几何非线性、列车速度等因素对系统动力响应和行车安全性的影响。结果表明:设计地震作用下,按照德国低干扰谱考虑轨道不平顺时,考虑几何非线性因素后桥梁与车辆的动力响应均有一定程度的增大,若忽略该因素可能导致行车安全性评估结果偏不安全;随着车速的增大,桥梁竖向动力响应峰值呈逐渐增大的趋势。车速达到250 km/h时,列车的轮重减载率达到0.858,理论上超过安全阈值,列车容易处于不安全的状态。

车-轨-桥耦合振动相似试验模型设计与校验

为探究模型试验法在车-轨-桥耦合振动研究中的有效性,基于π定理准则和量纲分析方法,推导车-轨-桥耦合振动原型结构与模型结构之间的相似关系。以10︰1为几何相似比,计算原型与模型结构之间的相似常数,利用有限元方法校验原型与模型结构之间的相似关系。依照弹性力相似律,制作包含车辆-轨道-桥梁结构以及动力加载部分的缩尺模型试验系统,采用试验测试与数值仿真相结合的方法,校验了缩尺轨道箱梁结构的模态振型、模态频率以及模型车移动荷载作用下模型桥的加速度响应在时域与频域范围内的可靠性。研究结果表明:原型结构计算加速度响应值和模型结构计算加速度响应反演值曲线一致,校验了由π定理准则及量纲分析所推导的相似关系的准确性;试验测定轨道-箱梁结构模型振型与数值仿真计算所得振型基本一致,且模态频率误差较小,频率误差最大仅为5.97%。表明基于相似理论设计制作的轨道-箱梁结构缩尺模型能够较好地满足试验要求;试验测试与数值仿真计算的列车移动荷载作用下桥梁加速度响应在时域与频域内结果吻合良好,数值规律基本一致,模型桥动力性能误差在10%以内,表明缩尺模型试验系统能够较为精确地反应时域和频域范围内的车-轨-桥耦合振动特性。本文设计制作的车-轨-桥耦合振动缩尺模型试验系统可靠,可用于复杂工况下的车-轨-桥耦合振动分析。

地震和列车作用下地铁高架桥的振动特征

文中建立了考虑地震作用的地铁列车-高架桥的动力分析模型.以一座三跨四线地铁高架桥为研究对象,利用“承台底等效刚度”法考虑桩-土相互作用,对比分析在地震、列车分别作用及两者共同作用下地铁高架桥的内力、位移和加速度响应,同时对比分析了列车车速对车桥系统振动响应的影响.结果表明:在地震及列车荷载共同作用下,桥梁结构的位移、加速度及内力响应均大于两者单独作用下的结果.桥梁横桥向响应主要受地震荷载影响,而竖桥向地震响应主要受列车荷载影响.车速会对桥梁的地震响应产生较大的影响,桥梁的峰值响应与车速并不是线性关系,在车速为70 km/h时,桥梁的位移、加速度及内力响应达到峰值.

大跨度公铁两用斜拉-悬索协作体系桥断索动力响应

研究大跨度公铁两用斜拉-悬索协作体系桥在极端作用下发生断索时桥梁结构及桥上列车的动力响应,以G3铜陵长江公铁大桥为研究对象,建立全桥有限元模型;研究各个位置斜拉索、吊索断裂后桥梁结构的动力响应;研究在列车-桥梁耦合振动作用下,各断索组合工况中桥梁及列车的动力响应.结果表明:斜拉-悬索协作体系桥具有较高的结构刚度及安全冗余;在单根斜拉索、吊索断索后,可保持列车通行;在吊索区域单侧发生4根以上断索,可导致连续断索破坏;在斜拉索-吊索交替及斜拉索区域,单侧断索达到8根也不会发生连续断索破坏;断索动力放大系数取2.0合理,但仅对断索位置附近剩余吊索和斜拉索具有工程应用价值;当断索发生时,若列车经过,列车竖向加速度会发生突变,但仍在安全范围内;剩余斜拉索与吊索动应力增加主要来自于主梁作用,列车作用占比不超过13%.

风-车-桥系统空间耦合振动研究

风-车-桥耦合振动系统中将自然风作为空间相关的平稳随机过程,车辆采用质点-弹簧-阻尼器模型,桥梁采用有限元模型。在分析风桥间的流固耦合作用、车桥间的接触耦合作用及风对车辆的空间脉动作用的基础上,将风、车、桥三者作为一个交互作用、协调工作的耦合动力系统,提出了一种较为完善的风-车-桥系统空间耦合振动分析模型。基于轮轨接触点处的几何协调条件和力学平衡关系,建立了系统运动方程的分离迭代求解算法。最后以京沪高速铁路南京大桥为工程背景,采用自行研发的桥梁结构分析软件BANSYS对比分析了风-车-桥系统振动特点。

考虑车辆位置影响的风-车-桥系统耦合振动研究

风 车 桥耦合振动系统中车辆位于桥道的气动绕流之中,车辆所受气动力与车辆位置密切相关。首先测试了车辆位置对车辆及桥道气动力的影响,建立了空间耦合的风 车 桥系统分析模型。以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景,采用自行研发的桥梁结构分析软件BAN SYS,对比分析了车辆位于桥道迎风侧和背风侧时风 车 桥系统的耦合振动情况。分析结果表明,风 车 桥系统耦合振动分析中考虑车辆位置的影响是必要的。