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。

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。

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%。

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.

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.

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。

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。

基于车-桥系统耦合振动理论的大跨PC连续刚构桥冲击系数研究

在分析车-桥系统耦合振动研究资料的基础上,推导了基于自身假设条件下的车-桥系统耦合振动的运动方程组。利用VC++编制了可用于车-桥系统耦合振动分析的专业程序CQZD。以2座大桥为例,分析了桥梁基频对大跨PC连续刚构桥冲击系数的影响,并将算例中的冲击系数计算结果同按规范JTG D60—2004计算的结果进行了比较。结果表明:桥梁基频对冲击系数的影响比较显著,冲击系数随基频的降低而降低。

重物-桥吊耦合系统振动分析

考虑吊重的摆动,将重物-桥吊耦合系统简化为移动质量+吊重在简支梁上运动模型,基于Lagrange方程,推导了移动质量+吊重-简支梁耦合系统运动微分方程。采用Runge-Kutta积分法对微分方程组进行数值求解,分析了移动质量加速度、吊重质量所占比重、吊绳长度等因素对梁体振动响应的影响。数值计算结果表明:对于重物-桥吊耦合系统,若不考虑吊重摆动,采用移动质量过桥模型将会低估梁体振动响应,并且在移动质量与吊重质量之和一定的情况下,吊重质量所占比重越大,梁体的振动响应越大;移动质量加速度对梁体的振动影响不能忽略,尤其是对梁体的加速度响应影响很大。

层状饱和地基-轨道-列车耦合系统轨道不平顺引起的振动分析

采用半解析方法研究了层状饱和地基-轨道-列车耦合系统的动力响应问题。层状饱和地基由任意水平饱和土层和下卧饱和半空间组成,轨道采用以无限长欧拉梁模拟的钢轨、连续质量块模拟的轨枕和Cosserat模型模拟的道砟组成的三层系统,列车模拟为弹簧和阻尼元件连接的多刚体系统。振动输入由钢轨的竖向不平顺提供。通过地基表面轨道中心处竖向位移与道砟位移相等实现层状饱和地基和轨道的耦合,通过在车轮与钢轨间引入Hertizian接触弹簧来实现轨道与列车的耦合,首先求得频率-波数域内解答,然后通过Fourier逆变换求得时间-空间域内振动响应。文中验证了方法的正确性,并进行了数值计算分析,研究表明钢轨不平顺引起的列车动荷载振动频率较低时,随着列车运行速度的增大地基表面位移幅值逐渐增大;振动频率较高时,列车运行速度对位移幅值峰值的影响不明显,但列车驶过后地基的振动明显增大,振动时间变长。

风-车-桥耦合系统的车桥气动特性

采用数值模拟方法对风-车-桥耦合系统的车桥气动特性进行分析研究,模拟计算了不同工况下车辆、桥梁的气动力系数,分析了车桥间相互的气动影响.研究结果表明,车桥耦合系统与桥梁和车辆各自单体相比较,气动力系数差异较大,故建议进行风-车-桥系统耦合振动分析时,车桥气动力系数应考虑车桥间的气动影响.

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.

加固路基-列车耦合系统地震响应及安全性分析

以某计划铺设路基线路为研究对象,考虑黏-弹性人工边界、土壤的非线性、结构间动态接触,建立了列车-路堤-土体耦合系统有限元模型。采用Drucker-Prager材料本构,并进行修正。轮对和钢轨采用双向对称接触方式在轮对与钢轨表面间建立垂向接触对和侧向接触对,轮轨间作用力采用罚函数方法计算。提出了软土地基加固方案,对比分析了地基加固前后,列车-路堤-地基系统的地震响应;讨论了软土路基震后残余变形对列车地震脱轨安全性的影响程度及规律。计算结果表明:地基加固对地震激励下列车-轨道结构动力响应以及列车运行安全性影响显著,加固后脱轨系数、轮重减载率和车体加速度均显著减小。

基于智能驾驶电动汽车的多车-桥梁耦合系统动力学特性研究

迫于能源和环保问题的压力,电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视.轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈,与桥梁路面动力学相互作用更加突出,现有研究主要针对传统汽车,关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车-桥梁耦合作用研究尚不多见.本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象,考虑车轮和桥面多点接触关系,研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性.分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响,以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响.研究表明:车距和车速是影响车-桥系统振动特性的重要因素,在车-桥耦合动态设计中,车距和车速的影响应重点关注;桥面越平坦,电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著,当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视.所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.

拟“车-桥耦合系统”的动态近似分析法

目前对于车体通过桥梁的动力响应问题,通常是将车辆子系统和桥梁结构耦合为一个系统,同时进行分析.文中提出一种近似但具有足够精度的方法用以计算车-桥耦合系统的动力响应.将车-桥耦合方程分解为两个部分,忽略作用在桥梁上的由移动车辆产生的惯性力项,只剩下移动力项.计算出桥梁在移动力作用下的响应,并把此响应作为车体动力响应的激励源反馈给车体,从而计算出车体的响应.从数值计算的角度,采用MATLAB编程并与车桥耦合系统精确的数值解作对比,验证了轻车过重桥情况下本文方法的可行性.通过分析表明,此方法能避免车-桥耦合系统计算时的庞大运算.

车-桥耦合系统的动力特性分析

利用振型叠加法以及时变力学系统的求解方法,以简支梁桥为对象,开展了车-桥耦合系统的振动特性分析。通过数值计算,比较了移动力、移动质量、移动振动系统三类模型的计算结果,讨论了跨径和移动速度变化时对挠度冲击系数和弯矩冲击系数的影响。并根据Piotr给出的结果对本方法进行了验证。