基于直接概率积分法的列车-轨道-桥梁系统随机分析

由于施工和制造误差使得铁路工程结构参数不可避免地具有不确定性,同时作为系统主要自激励的轨道不平顺亦具有明显的随机性和时变性,因此,探明不确定因子对列车和轨道-桥梁结构动态性能的影响非常重要。为了高效地完成列车-轨道-桥梁系统随机性能分析,建立列车-轨道-桥梁空间振动分析模型,采用轨道不平顺概率模型和谱表达-随机函数的方式在有限随机变量空间中实现轨道不平顺随机过程的高效模拟。引入概率密度积分方程和直接概率积分法发展了列车-轨道-桥梁系统随机动力方程和相应的计算求解策略。基于MATLAB实现了列车-轨道-桥梁随机振动的直接概率积分法分析程序,计算了全概率不平顺激励和参数随机条件下车-轨-桥系统振动响应的均值、标准差和时变的概率密度信息。研究结果表明:与概率密度演化分析方法相比,直接概率积分法可较好地反映行车过程中系统响应的概率密度特征,然而其在系统响应随机后处理时更为高效,其效率可提高1~2个数量级。此外,考虑轨道不平顺全概率激励更能准确地反映行车过程系统响应的概率特征,平均概率谱可能使得计算结果偏于保守;行车速度对于列车和桥梁动态行为的影响是显著的,随着行车速度的增加系统响应的范围逐渐变大。研究结果进一步拓展了列车-轨道-桥梁随机系统的分析方法,可以高效地用于系统状态评估和设计优化。

基于贝叶斯自优化Bi-LSTM组合网络的高速铁路轨道-桥梁系统震后响应预测方法

中国高速铁路(HSR)规划建设逐渐向地震易发地区延伸,亟需一种及时、准确的灾后地震响应快速预测方法,以实现高速铁路系统运输生命线安全的快速评估。本文提出了一种基于贝叶斯自优化双向长短期记忆(Bi-LSTM)网络的快速预测方法,以经过实验验证的高速铁路轨道-桥梁系统有限元模型地震动响应计算数据为样本,将预测地震响应和有限元计算结果进行比较,验证所提方法的精度和鲁棒性,表明该方法在预测高速铁路桥梁结构的非线性地震反应方面是有效的,且高速铁路轨道-桥梁系统的不同预测位置对预测精度的影响不明显;此外,为了降低神经网络训练数据量需求,提出了一种基于离散小波分解的分层聚类算法,结果表明,基于小波分解的分层聚类方法在保证预测精度的同时,有效地减少了训练地震集的输入数量。

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。

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。

无砟轨道约束对高速铁路列车-桥梁系统地震响应的影响

建立了38自由度高速列车(动车/拖车)空间振动模型,基于非线性Hertz接触理论和Kalker线性蠕滑理论,引进PEER-NGA强震记录,建立地震作用下的高速铁路列车-无砟轨道/钢轨-桥梁-支座-桥墩-桩土系统精细计算模型,考虑支座刚度和桩土作用及近场地震效应的影响,以高速铁路32m跨简支箱梁桥和CRTSⅡ板式无砟轨道为研究对象,编制了MATLAB程序,计算了有/无砟轨道约束下高速列车-桥梁时系统的地震响应。计算结果表明,不考虑三层无砟轨道时列车-桥梁系统模型由于桥梁刚度过大,列车-无砟轨道-桥梁系统的各项地震响应较列车-钢轨-桥梁系统有较大增加;对于有/无地震作用时,采用无砟轨道均可有效改进列车走行性能,近断层地震脉冲效应对有/无砟轨道约束系统动力响应及列车走行安全指标影响均较大。

无砟轨道结构层对高速铁路列车-桥梁系统动力响应的影响

基于非线性弹性Hertz接触理论和Kalker蠕滑理论,建立了高速铁路列车—无砟轨道—桥梁精细化计算模型,以高速铁路32 m跨简支箱梁桥和CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象,编制了MATLAB程序分别计算有(无)无砟轨道列车—桥梁系统的动力响应及列车走行安全指标并作对比分析。计算结果表明:对于桥梁的动力响应,不考虑无砟轨道时结构变位等动力响应减小;对于列车的动力响应,不考虑无砟轨道时,多数列车动力响应及走行安全指标有较大增加。

跨座式单轨列车-桥梁系统随机振动分析

由于跨座式单轨轨面不平顺激励具有随机特性,所以跨座式单轨列车-桥梁系统动力响应的随机性值得探讨。通过建立跨座式单轨列车-桥梁系统随机振动分析模型,分析在大量不平顺样本组作用下跨座式单轨列车-桥梁系统动力响应的离散性。研究基于虚拟激励法的跨座式单轨列车-桥梁系统的随机振动分析方法的计算精度和效率,对比分析跨座式单轨列车-桥梁系统基于虚拟激励法的随机分析方法和基于单样本组的确定性分析方法所得的动力响应随车速的变化规律。研究结果表明:跨座式单轨列车-桥梁系统的大多数响应具有很大的离散性,开展跨座式单轨列车-桥梁系统随机振动分析是必要的;验证了基于虚拟激励法的跨座式单轨列车-桥梁系统随机分析方法具有很高的精度,在同等精度条件下,虚拟激励法的计算效率明显高于Monte Carlo法;论证了仅作单个确定性样本的速度影响分析并不能确切反映跨座式单轨列车-桥梁系统响应随车速变化规律,进一步论证了开展跨座式单轨列车-桥梁系统随机振动分析的必要性;从概率统计的角度分析了跨座式单轨车辆及轨道梁的位移与加速度响应随车速的总体变化规律。研究成果可为跨座式单轨列车-桥梁系统随机振动进一步的研究提供依据和参考。

基于车-车通信的列车运行控制系统后备系统

[目的]目前,以TACS(列车自主运行系统)为代表的基于车-车通信列车运行控制系统后备系统尚不完善,需对其后备系统进行进一步地深入探讨和研究。[方法]分析了新的运营需求,结合新技术的发展,对一种基于环境识别的TACS后备系统进行探讨。详细介绍了TACS后备系统的架构及功能,分析了TACS后备系统建设的技术难点,阐述了TACS后备系统的列车运行空间监测场景及降级运行场景应用情况。[结果及结论]在发生故障后列车降级运行的情况下,TACS后备系统能提高运营TACS系统效率,并能增强运营安全性。

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。

地震作用下车辆-轨道-桥梁系统振动台台阵试验与列车预警速度阈值研究

针对地震作用下高速铁路桥上行车的安全性问题,设计完成车辆-轨道-桥梁大型振动台台阵缩尺模型试验,制作了1∶10车辆、轨道及桥梁结构的模型,根据缩尺模型相似定理研究了不同地震强度下列车脱轨问题,并利用数值仿真方法建立了CRH380BL高速列车-轨道-桥梁空间耦合动力学模型,通过对比分析试验结果与数值仿真分析结果,验证了数值分析模型的可靠性。在此基础上,以行车安全性及舒适度指标作为评判标准,利用上述仿真分析模型计算得到了不同地震强度等级下各项评价指标所对应的列车运行速度临界值,并探讨了现行规范中的地震预警阈值选取问题。研究结果表明:对于静止状态下的车体模型,在地震动峰值加速度为0.25g的ALS地震波作用下,车体将会发生脱轨。随着输入地震动峰值加速度的增大,舒适度指标最先超出限值,车辆的行车安全性指标次之,脱轨系数和舒适度指标控制的速度阈值逐渐减小,轮重减载率和横向轮轨力控制的速度阈值基本不变,舒适度指标对地震激励最为敏感,脱轨系数次之,轮重减载率和横向轮轨力最不敏感。在输入地震波的峰值加速度≤50gal时,车辆运行速度临界值取决于列车舒适度指标,速度阈值为160km/h;当输入地震波的峰值加速度达到60gal时,速度阈值降为140km/h;当输入地震波的峰值加速度达到80gal时,速度阈值降至140km/h以下,出于安全考虑建议此时采取紧急停车措施。

基于FE-SEA混合法的无砟轨道桥梁系统垂向振动分析

针对高架桥CRTSⅡ型无砟轨道结构特点,建立有限元法(FEM)与统计能量(SEA)混合法的轨道振动仿真新模型。对两车通过随机不平顺条件下轨道桥梁系统的动力响应进行计算,分析随机不平顺波长对无砟轨道-桥梁系统动力特性的影响。分析结果表明:随机不平顺波长对轨道结构、速度幅值有一定影响;对轮轨垂向力、钢轨垂向振动加速度、轨道板垂向振动加速度幅值影响很大,且短波随机不平顺的影响远大于长波随机不平顺,对桥梁振动加速度也有一定影响;短波随机不平顺激励下钢轨振动能量主要分布在中高频,在一阶固有频率(1 236Hz)附近达到最大值,中长波随机不平顺激励下钢轨振动能量主要分布在中低频。

拟静力分量对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响

为探讨结构拟静力分量对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,考虑路基和桥梁地震力边界条件,分别采用相对运动法和大质量法,在相对坐标系和绝对坐标系下处理地震力边界条件,建立了不同坐标系下的列车-轨道-桥梁系统地震响应分析模型.以跨度48 m+5×80 m+48 m的刚构-连续组合梁桥为例,分析了结构单向和三向拟静力分量对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响.结果表明:结构横向拟静力分量将显著增大桥梁横向位移、钢轨横向位移、列车脱轨系数和轮重减载率,而纵向、竖向拟静力分量的影响甚微;同时考虑结构的三向拟静力分量时,列车脱轨系数和轮重减载率均显著增大,且其相对误差随列车速度提高而增大,最大达30.5%和22.2%.因此,不考虑结构拟静力分量在列车速度较高时将严重低估车辆的动力响应,对桥上列车的行车安全性造成误判.

地震作用下高速铁路列车—无砟轨道—桥梁系统动力响应及列车走行安全研究

在总结和吸收既有研究成果的基础上，以铺设CRTSⅡ板式无砟轨道的高速铁路简支梁桥为工程背景，对地震作用下高速铁路列车一无砟轨道一桥梁的动力响应及列车走行安全性进行系统研究，提出地震时不同条件下高速列车在桥上安全运行限速的建议值。本文的主要研究内容如下。

长期列车荷载下无砟轨道-桥梁结构刚度退化试验研究

为研究长期列车荷载作用下高速铁路无砟轨道-桥梁结构刚度退化规律,制作了CRTSⅡ型无砟轨道-简支箱梁结构体系1∶4缩尺试验模型。通过开展1.8×107次多级变幅长期列车荷载试验,分析了无砟轨道-桥梁结构体系的挠度与刚度演化规律,研究了结构体系刚度退化情况并预测了其服役寿命。研究结果表明:多级变幅列车荷载长期作用下,无砟轨道-桥梁结构未出现肉眼可见裂缝,结构体系承载力满足设计和使用要求;列车荷载循环作用的次数和列车荷载幅的大小对结构体系力学性能影响非常显著;动力荷载作用下结构体系挠度具有显著的放大现象;结构体系静刚度变化总体上呈下降趋势,退化较为显著,动刚度在服役初期退化迅速,后期退化缓慢,刚度退化具有不可恢复性;试验后结构体系的静、动刚度累计损伤分别达到23.82%、19.25%,有效动刚度剩余61.5%,长期列车荷载作用下,我国现行无砟轨道-桥梁结构体系在设计使用年限内不会发生疲劳破坏,箱梁服役寿命预计可达420 a。

大跨度铁路桥梁线-桥垂向变形映射模型

以大跨度铁路桥梁线-桥系统为研究对象,通过推导理论公式建立桥梁与有砟轨道的垂向变形映射模型,并通过算例对变形映射模型的正确性进行验证。结果表明:将大跨度桥梁线-桥系统划分为桥梁,有砟道床和轨枕,扣件和钢轨三个子系统开展垂向变形映射关系研究是可行的;通过线-桥垂向变形映射模型计算大跨度悬索桥、斜拉桥的钢轨垂向变形与有限元仿真结果一致,证明了本文提出的映射模型是正确的;通过线-桥垂向映射模型计算钢轨变形,可以避免在有限元模型中建立轨道结构,从而减少模型单元数量,提高计算效率。

高速铁路无砟轨道-桥梁系统纵向变形与轨面变形映射关系

以高速铁路纵连式无砟轨道和简支梁为研究对象,分析高速铁路桥梁-轨道系统(HSRTBS)层间传力机制,将HSRTBS层间构件分离,基于HSRTBS层间内力平衡条件,采用能量变分原理建立HSRTBS纵向变形与轨面映射变形求解通用模型。基于ANSYS软件建立HSRTBS有限元模型,通过对比本文解析模型求解的轨面映射变形与有限元结果,验证本文轨面映射模型的合理性及有效性,研究轨道-桥梁系统参数对轨面映射变形的影响。研究结果表明:轨面映射变形峰值与桥梁变形幅值增长线性相关;轨面映射变形随着桥梁变形幅值增大增速减缓,呈现非线性增长;轨面纵向映射变形对于层间扣件刚度变化十分敏感;滑动层刚度变化对于轨面纵向映射变形影响较小;剪切钢筋和滑动层剪力齿槽是极为重要的纵向传力构件,当二者失效时,将对轨面纵向变形产生严重影响。

桥梁收缩徐变诱发高速列车-CRTS Ⅱ型板式轨道-桥梁系统非线性动力相互作用研究

混凝土桥梁的收缩徐变效应在高速铁路桥梁工程中不可避免,会导致桥梁竖向变形,并最终导致CRTSⅡ型纵连板式轨道和桥面之间出现脱空。针对这一实际工程问题,深入研究收缩徐变引起的高速列车-纵连板式轨道-桥梁系统非线性动力相互作用问题。对桥梁收缩徐变下纵连板式轨道-桥梁系统非线性接触机制进行讨论;提出桥梁收缩徐变条件下高速列车-纵连板式轨道-桥梁系统非线性动力相互作用研究方法;在此基础上研究桥梁收缩徐变对桥轨非线性接触行为、轨道层间相互作用、轨道混凝土结构附加动应力以及列车动态特性的影响。研究表明:提出的研究方法可以有效地研究收缩徐变条件下列车-纵连板式轨道-桥梁结构的动力相互作用问题。在收缩徐变条件下,梁端处出现了底座和桥面间的脱空现象。列车动荷载引起桥轨接触力明显增大,同时也导致脱空区域发生明显变化。整体来看脱空区域长度对速度并不敏感。梁端位置处的轨道层间力有明显变化,砂浆力变化比扣件力剧烈。轨道板和底座上表面主要以承受拉应力为主,仅在脱空区域附近才出现局部受压;而下表面则呈现相反的应力分布。收缩徐变效应主要影响列车的振动,而对轨下结构的振动影响较小。

列车-轨道系统竖向动力分析的车辆轨道单元模型

根据列车-轨道系统运动的特点,提出了适合该问题动力学分析的新型车辆单元和轨道单元,运用有限元方法和Lagrange方程,推导了两种单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。整个列车-轨道系统只需离散成车辆单元和轨道单元,其中轨道系统离散成轨道单元,一节车辆离散成一个车辆单元。该模型具有程序编制容易、计算效率高的特点。作为应用实例,给出单轮通过和考虑轨道完全平顺和具有随机不平顺条件下整车通过时车辆和轨道动力响应分析的二个算例。

非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合振动模型

为探讨行波效应对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,采用35个自由度的机车车辆模型、板式无砟轨道模型和桥梁有限元模型,通过引入地震多点激励模式,建立了非一致地震激励下的列车-轨道-桥梁耦合振动模型,并编制了相应的仿真分析程序.以跨度32 m的简支梁桥为例,输入El Centro地震波,计算了一致激励和行波激励下车桥系统的动力响应.结果表明:行波效应对耦合系统动力响应幅值的影响很大.当车速为350 km/h、行波速度为300 m/s时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力比一致激励分别降低84.1%、19.5%和87.8%.因此,忽略行波效应可能造成对地震时桥上列车行车安全的误判.

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。