高速铁路无砟轨道斜拉桥刚度理论分析与设计参数研究

为研究高速铁路无砟轨道斜拉桥的刚度特征以及合理结构设计参数,采用理论公式推导、数值分析等手段,得到结构设计参数刚度影响解析公式及其影响规律,用于指导桥梁设计。首先引入索梁活载刚度比的概念,通过建立斜拉桥主梁多点支承连续梁的三弯矩方程得到主梁刚度,通过考虑主塔变形和拉索伸长量得到斜拉索等效刚度,进而给出斜拉桥整体刚度、索梁活载刚度比和主梁跨中挠度的理论公式,并基于理论公式得出主梁惯性矩、斜拉索倾角、塔高以及拉索面积对斜拉桥整体刚度的影响。以广湛铁路东平水道特大桥主桥(67.5+60+60+350+60+60+67.5)m钢箱混合组合梁无砟轨道斜拉桥为例,通过对比跨中活载位移理论解与数值解验证本文理论公式的准确性,进而采用理论公式分析结构设计参数对桥梁刚度的影响。研究结果表明:随拉索倾角增大或者塔高增加,主梁的跨中位移先减小后增大,索梁活载刚度比先增大再减小,拉索倾角为29.2°~73.9°时主梁跨中位移达到最小值36.4 cm,此时索梁活载刚度比为15.4。随着主梁的梁高增加,主梁跨中位移减小,索梁活载刚度比减小,但是减小幅度较为缓慢。拉索面积增大,主梁跨中活载位移减小,索梁活载刚度比增加。提出了桥梁合理梁高、塔高和斜拉索规格及拉索面积。桥梁结构静动力检算、桥上轨道静态高低不平顺验算以及无砟轨道受力与层间压缩量等检算结果均表明,该桥具有良好的安全性和行车平稳性。

基于索力和振动特性监测的多跨空间异型刚梁柔拱组合桥梁安全韧性分析

对多跨空间异型刚梁柔拱组合体系无推力拱桥进行有限元建模分析,基于振动法对吊杆索力进行检测,通过理论索力与实测索力的对比,分析该类复杂结构桥梁索力的受力规律。同时,基于历年桥梁索力检测结果,研究索力随外部荷载改变时的变化特征,对桥梁索力在长期运营状态下的健康状态进行安全韧性分析。通过测试桥梁的自振特性,分析桥梁结构整体性能,为评价桥梁工作状况提供依据。

桥梁跨度对跨座式单轨车桥耦合振动的影响分析

轨道梁结构对跨座式单轨车辆的稳定运行影响很大。为探究桥梁跨度对单轨车辆车桥耦合振动的影响规律,基于铁木辛柯理论和有限单元法建立连续的柔性轨道梁模型,运用多体动力学理论,通过UM建立单轨车辆车桥耦合动力学模型,在UM仿真界面设定不同的桥梁跨度和行车速度,仿真分析直线工况下桥梁跨度变化对车辆系统振动影响规律及运行平稳性的影响。结果表明:随着桥梁跨度增大,轨道梁跨中位移动力学响应值整体呈上升趋势,且当桥梁跨度超过16 m时,这种上升趋势更加明显;轨道梁跨中竖向加速度和轨道梁跨中横向加速度动力学响应值均随着桥梁跨度的增大而增大,然后又缓慢减小,桥梁跨度的变化对于轨道梁跨中横向加速度的影响较小;随着桥梁跨度增大,车体质心竖向位移动力响应明显增大,而车体质心横向位移略有减小;车体质心竖向加速度随着桥梁跨度的增大而增大,而横向加速度受桥梁跨度变化的影响很小。因为桥梁跨度增加会使单轨车辆运行的竖向平稳性指标和横向平稳性指标均有所增加,车辆运行平稳性变差。因此,将桥梁跨度控制在一定范围内对单轨车辆的稳定运行具有十分重要的意义。

某地铁U型梁结构辐射噪声分析预测及其降噪研究

城市轨道交通成为人们出行的主要交通方式,轨道交通噪声产生的问题有待解决。文章以某城市地铁线路为研究对象,现场实测列车经过时产生的振动和噪声,主要分析U型梁振动产生的低频结构辐射噪声并建立声学预测模型。在分析实测数据同时对减振降噪措施效果进行了分析,由于结构辐射噪声主要在低频段,故振动分析频段为4~200 Hz,结构辐射噪声分析频段为20~200 Hz。结果表明,梁体振动与辐射噪声有很强的关联性,变化规律基本一致;安装钢轨波导消振吸声器前后,底板振级和辐射声压级都降低5~8 dB左右,有明显减振降噪作用;U型梁结构振动的辐射噪声在梁体周围的传播有很强的指向性,梁体正上方与正下方声压级最大,但腹板外侧声压级相对较小。

常导高速磁浮轨道梁分析研究

文章结合常导高速磁浮交通系统的特性,通过比对多种轨道梁结构的特点,构建磁浮车辆载荷与轨道梁相互作用的振动模型,并通过模型分析,揭示轨道梁在不同运行条件下的振动特性。研究发现,针对不同的运行场景应优选适配的轨道梁结构以提升系统性能。文章所构建的车辆荷载-轨道梁模型可有效捕捉轨道梁振动的主要特征和振动规律,对其进一步分析可知,车辆移动速度、系统阻尼、车辆长度以及桥梁与移动荷载的基频比等因素均对轨道振动有显著影响。该研究可为未来常导高速磁浮轨道梁设计与优化提供重要的理论依据与参考。

双边箱钢-砼组合梁悬索桥气动抑振措施试验分析

钢-砼组合梁由于其良好的力学性能被广泛应用于大跨度桥梁建设中,但作为一种典型的钝体断面,其气动稳定性较差,对风的作用较敏感,易产生涡振现象。依托南镇大桥项目,以双边箱钢-砼组合梁悬索桥为分析背景,采用风洞试验与CFD数值模拟的方法,研究对比单一、组合气动措施,包括封闭栏杆、改变检修车轨道位置、增加导流板、稳定板等,对该主梁原始断面的气动抑振性能进行分析。风洞试验表明,原设计双边箱钢-砼组合梁断面易引发涡振且出现竖弯与扭转耦合双峰涡振。当采用“封闭中央护栏+内移检修车轨道位置”组合气动措施时,可显著降低主梁的涡振振幅,制振效果显著。CFD数值模拟结果表明,双边箱钢-砼组合梁断面的涡振产生与上游边主梁及下游边主梁的涡脱尺寸有关,气动措施打碎涡脱尺寸有利于抑振。

梁—板混合单元分析桥梁车致振动与噪声

在平截面的假定条件下,通过建立梁—板混合单元有限元模型,采用车—线—桥耦合振动分析得到桥梁高频振动响应,再采用声学边界元法分析桥梁结构噪声。以32 m混凝土简支箱梁为例,讨论了不同的梁—板混合模型对计算精度和效率的影响,并与现场试验结果进行对比。由此验证了:在梁—板混合有限元模型中,跨中板单元区域的长度取5倍以上梁高时,桥梁高频振动和结构噪声仿真值均能取得良好的精度,计算效率可提高70%左右。桥梁振动和结构噪声的峰值频率范围为40 Hz^80 Hz,在梁侧传播时具有一定的指向性。采用梁—板混合单元模型计算得到30 m范围内的结构噪声与全板单元模型计算结果基本一致,但在30 m范围外,前者的计算值要比后者小2 d B(Lin)左右。因而,梁—板混合单元模型可有助于提高桥梁车致振动和噪声分析的效率。

轨道梁参数对磁浮车—高架桥垂向耦合动力响应的影响研究

建立磁浮车—高架桥垂向耦合模型,运用车—桥垂向耦合程序,分别探讨桥梁刚度和高架桥线路的不平顺对磁浮车—高架桥垂向动力响应的影响,分析结果表明:在相同的轨道梁抗弯刚度下,随着磁浮列车运行速度的增加,桥梁的振动响应增大,但轨道梁刚度大的桥梁振动响应比刚度小的桥梁振动响应增加幅度小一些;在相同车速下,随着轨道梁抗弯刚度的降低,桥梁振动响应增大;车辆重向振动响应在轨道抗弯刚度达3 8612×1010N·m2之前,随轨道梁抗弯刚度的增大而减小,在轨道梁抗弯刚度达3 8612×1010N·m2之后,无明显影响;线路状态对车辆的动力响应有明显影响,较差的线路状态将使高架桥挠度增大,使车体垂向振动加速度明显增大。

关于列车-轨道(桥梁)时变系统空间振动方程的建立及其求解

分析了国内外在列车-轨道(桥梁)时变系统空间振动方程的建立及其求解过程中存在的根本问题。基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的"对号入座"法则(它不是一般的有限元分析中的计算机编码法和刚度集成法),可以很好地克服这一根本问题,同时还可以简便有效地建立并求解此时变系统空间振动方程,在直线轨道及桥梁上货物列车脱轨计算中取得了良好效果。对2座桥上列车走行安全性、平稳性及舒适性进行了分析,分析结果已被有关铁路局采用。

轻轨车-轨道梁-刚构桥空间耦合振动分析及乘坐舒适性评价

提出一种跨座式轻轨车、轨道梁及刚构桥空间耦合振动时域分析方法。轨道梁及刚构桥采用常规有限单元模拟,跨座式轻轨车采用弹簧阻尼相连的多刚体模拟,可方便考虑走行轮、导向轮、稳定轮下轨道不平顺影响,每一积分步内对桥梁系统动力方程扩展,建立轻轨车-轨道梁-刚构桥时变系统空间振动方程,采用直接积分法同时求解三者空间动力响应,并编制相应计算分析程序。针对目前世界最大跨度轻轨专用刚构桥96m+160m+96m,探讨车速、单线行车、双线对开等不同工况对三者动力响应影响并对轻轨车进行乘坐舒适度评价。结果表明:在设计行车速度下,乘客可安全舒适通过该桥。该方法可运用于跨座式轻轨车与其它轨道梁或桥梁空间振动分析。

轨道不平顺引起的车轨桥空间耦合振动分析

轨道不平顺对车轨桥空间耦合振动的影响是一个有待研究的问题。本文建立了车辆-无碴轨道-桥梁系统的空间耦合振动模型,并通过功率谱密度得到轨道不平顺的时域模拟样本,以其为激励源,分析车辆-轨道-桥梁空间耦合振动响应。通过对比,考虑高低不平顺的空间模型与4种几何不平顺的计算结果,由此得到,轨道不平顺的改变主要影响轨上部分的振动,对轨下部分以及桥梁结构影响不大。

考虑徐(温)变的连续梁拱桥车桥耦合振动分析

根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的"对号入座"法则,考虑了连续梁钢管混凝土拱桥桥面因温度和徐变作用而产生的变形影响,将其以组合曲线的形式叠加到轨道不平顺中进行列车走行性分析,建立车桥系统振动方程。采用计算机模拟的方法,建立列车和桥梁动力分析的有限元模型,研究了桥面徐变变形及温度变形对车桥系统耦合振动的影响。结果表明:桥面的徐变及温度变形所致的线路不平顺对轮重减载率、车体竖向加速度和竖向Sperling指标的影响较为显著。因此,在评判桥上列车的运行安全和舒适性时,尤其对于高速铁路,应考虑混凝土徐变及温变产生的桥面变形引起的轨道不平顺影响。

列车荷载作用下矮塔斜拉桥索梁振动的相关性

为探讨不同列车速度下矮塔斜拉桥斜拉索振动与桥梁整体振动之间的相关性,基于列车-线路-桥梁耦合振动理论与动力学模型,以某主跨115 m＋95 m的铁路矮塔斜拉桥为工程背景,考虑斜拉索与桥梁整体结构之间的相互作用,通过数值积分得到梁体、桥塔振动响应以及斜拉索局部振动响应.结果表明：列车荷载作用下索梁振动相关性问题实质上是一个能量传递过程,当拉索端点位移激励频率与其自振频率接近时,能量易于在索梁间传递;当列车以225~350 km/h的设计时速通过桥梁、列车荷载的激励频率与斜拉索自振频率接近时,斜拉索在外激励作用下会产生共振,但共振幅值不大（斜拉索局部振动幅值小于3 mm）.

基于压电悬臂梁的铁路钢桁梁桥振动能量收集方案研究

为了研究在铁路钢桁梁桥布设能量收集装置的最佳位置,了解其给桥梁健康监测系统供电的可行性,基于压电悬臂梁能量收集基本原理,以一座有砟轨道96m双线下承式简支钢桁梁桥为背景,进行铁路钢桁梁桥振动能量转化为电能的收集方案研究。首先以压电悬臂梁作为能量收集装置,基于机电耦合理论,得到可收集能量与桥梁加速度响应的关系;其次应用车-线-桥耦合振动理论,分析该桥在列车过桥时不同构件的加速度响应;然后根据其振动特性设计压电悬臂梁的参数,采用MATLAB编程求解桥梁不同位置的可收集能量;最后提出6种振动能量收集方案并对比分析。结果表明,桥梁不同位置处动力响应不同,需根据其振动特性设计压电悬臂梁的参数;桥面系尤其是横肋中点处,适宜布置能量收集装置,可收集的能量可以满足桥梁健康监测系统的最小能量需求。

跨座式单轨交通轨道不平顺对梁轨振动响应的影响

结合预制混凝土(PC)轨道梁制作工艺和施工控制精度水平,对跨座式单轨PC轨道梁轨道不平顺功率谱进行分析,并采用三角级数法模拟生成轨道不平顺时程曲线,将其作为外激励输入15个自由度的跨座式单轨交通车桥耦合振动模型;应用非线性振动数值算法,编制了跨座式单轨交通车桥耦合振动分析软件,研究了轨道不平顺、车速对单轨交通车桥耦合振动响应的影响,并与试验测试结果进行对比。结果表明:轨道不平顺是引起PC轨道梁振动的主要激励源;PC轨道梁和车体的振动加速度均随车速的增加而增大;车速大于40 km/h后,PC轨道梁横向最大振动加速度超过规范限值,车辆宜降速行驶。

高速铁路变截面梁桥车致振动及徐变影响分析

基于Hertz弹性接触,推导了考虑徐变变形的轮轨接触单元动力方程,给出了简化的变截面梁单元质量和刚度矩阵,建立了列车-轨道-桥梁耦合振动方程。针对实际预应力混凝土连续梁桥,计算了徐变变形引起的不平顺(徐变不平顺),结合随机不平顺,并考虑两者的组合,对比分析了3种轨道不平顺对系统动力响应的影响。结果表明:推导的变截面梁单元是合理有效的;桥梁共振效应显著,应按实际冲击系数进行设计,并考虑每个位置的动力响应;徐变不平顺对桥梁响应影响很小,但能明显增大车体加速度和接触力,会引起强烈的梁端冲击,应重视控制徐变变形及形成的梁端折角;随机不平顺能显著增大接触力、桥梁和车体加速度;而组合不平顺能导致系统最不利状态。

车辆-轨道-桥梁空间耦合振动引起的环境振动

首先建立了车辆-无碴轨道-桥梁系统空间耦合振动模型,通过随机振动分析得到桥墩墩底反力,然后建立了土体-建筑物的三维有限元模型,并将以上得到的墩底反力作为土体-建筑物三维有限元模型的外部激励。分析结果表明,周围土体振动强度随距离的增加而减小,且都存在反弹区;周围建筑物的振动强度随桥墩距离的增大而减小,且在建筑物低层横向和竖向振动相差不大,但是到了高层处横向振动明显大于竖向振动。

采用槽形梁桥面的大跨度钢桁拱桥车桥动力分析

槽形梁道碴桥面是适用于钢桥的一种桥面新形式,为研究该种桥面的钢桥动力性能,以某大跨度钢桁拱桥为研究对象,将列车、桥梁视为联合动力体系,建立了列车与大跨度钢桁拱桥的车桥耦合动力分析模型。在建立桥梁的有限元分析模型时,对该桥所采用的槽形梁形式桥面选用了梁格法来建模。计算桥梁的自振特性;采用计算机模拟方法,计算了ICE高速列车以不同车速通过该大跨度钢桁拱桥的空间振动响应,检算该桥是否具有足够的横向、竖向刚度;同时,基于合理的列车走行性评价指标,对列车通过该桥时的走行安全性和舒适性进行了评价分析。计算分析结果表明:该桥具有足够的横、竖向刚度,整体动力性能良好,列车过桥时具有良好的走行性,所得结果可供设计参考。

大跨斜拉桥上无缝线路纵向力的变化规律研究

研究目的:大跨度斜拉桥结构复杂,为"塔-索-梁"空间组合结构,铺设无缝线路后,在荷载作用下,会形成"塔-索-梁-轨"耦合作用体系,其无缝线路力学传递机理极为复杂。以安庆长江大桥为例,通过建立大跨度钢桁梁斜拉桥上无缝线路"塔-索-梁-轨"空间耦合计算模型,分析不同体系温差、斜拉索修正弹性模量、纵向阻力模型及小阻力扣件的影响,为大跨度斜拉桥上无缝线路设计提供理论依据。研究结论:研究结果表明,随着斜拉桥体系温差变化幅度增大,钢轨伸缩附加力明显增加;斜拉索弹性模量修正与否对伸缩力和制动力影响较小,而对挠曲力影响较大;采用不同纵向阻力模型,伸缩力计算结果相差不大,挠曲力和制动力计算结果有较大差别;采用小阻力扣件可降低无缝线路纵向附加力,且应结合工程造价优先考虑在斜拉桥边跨和两侧引桥上铺设小阻力扣件方案。

大跨度四线铁路桥梁车-桥耦合建模与振动分析

以某四线大桥为背景,由实测结构模态参数结合设计相关资料,建立了桥梁基准有限元模型。然后基于此模型,由轮轨法向刚性接触关系,采用模态叠加法建立了车-桥整体系统运动方程,并结合实桥通车实验和数值计算进行对比分析,验证了模型的正确性。最后,开展了多种工况下的车辆-桥梁耦合振动分析计算,对桥梁和车辆的动力响应以及列车运行安全性和平稳性进行了分析评价,得出了一些有工程意义的结论。