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。

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。

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。

横风作用下高速列车-桥梁系统气动特性风洞试验

为研究高速列车在运营过程中的气动特性,分析其气动特性变化机理,设计了2种高速列车-桥梁系统的气动特性风洞试验方案;开发并建立了适用于在风洞中的高速列车-桥梁系统试验方法与系统;试验系统分为运动系统与数采系统2个部分;运动系统基于惯性驱动原理,以高速伺服电机为驱动力,通过高强度旋转传送带将缩尺比为1∶8~1∶30的移动车辆模型在风洞中以最高速度50 m·s^-1模拟真实运行环境中运行;在运动系统的搭载下,自主研发了一套数采系统,并在风洞实验室中对有无横风作用下的列车进行了气动特性测试。分析结果表明:试验方法与系统适用于加减速距离短、瞬时加速度大的试验场景,且不受车辆外形与基础设施的限制,可降低设计成本,提高试验的安全与稳定性;标准误差与平均值之比均不大于10%,表明数采系统测试的车辆气动特性有较好的平稳性和可重复性,能够精准得到列车在不同试验条件下的气动特性;通过对比有无横风作用下的列车气动特性,得到列车速度对车辆的气动特性影响极其重要;列车高速移动时,其因速度产生的气动影响远远大于横风,且表面测点平均风压系数最大值可达-10,反映了静态模型的试验方式不能够满足模拟列车高速运行时气动特性状态。

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。

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.

考虑桩-土作用的高速列车-桥梁地震响应分析

基于空间梁单元有限元法,建立了两种高速铁路多跨简支梁桥的全桥空间分析模型,一种是包括桩基的列车-桥梁模型,给出成层土的动力阻抗,采用改进的Penzien模型模拟桩-土作用;一种是不考虑桩-土作用的墩底固结的列车-桥梁模型;分析了两种模型的自振特性,计算了两种模型在不同车速、墩高、地震强度、不同地震波等工况下的地震反应。计算结果表明,桥梁横向位移、加速度主要受到低频成分的影响,这部分频率与其底部地震波相互反馈,改变了地基运动的频谱组成,使接近于桥梁结构自振频率的分量获得加强,考虑桩-土作用后,横向位移/加速度增加较大;桥梁竖向振动频率受桩-土作用影响较小,随墩高和车速的增加梁体竖向位移增加不大,梁体竖向加速度受高频成分的影响较大,这些高频主要由车辆荷载和轨道不平顺引起。

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。

一种基于Simpack和OpenSees联合仿真的地震下列车-轨道-桥梁耦合作用分析方法

列车-轨道-桥梁耦合振动系统在强地震作用下,桥墩和支座容易发生破坏,桥梁结构容易进入弹塑性状态。考虑到强震作用下车-轨-桥耦合振动系统的复杂性和桥梁结构的非线性,单一软件难以满足耦合振动分析的要求。因此,本文首先基于Client-Server架构,提出了一种将多体动力学软件Simpack和地震仿真开源软件OpenSees相结合的车-轨-桥耦合振动分析方法,该方法充分利用了Simpack强大的轮轨分析能力和OpenSees完善的非线性分析功能。继而,采用联合仿真和有限元整体建模仿真两种不同的仿真思路对单跨简支梁桥进行时程分析,验证了基于Simpack与OpenSees联合仿真思路的正确性和准确性。最后,采用本文提出的基于Simpack与OpenSees联合仿真的车-轨-桥空间耦合振动分析方法对地震作用下多跨桥梁的仿真进行了进一步的分析。结果表明:使用本文提出的新的车-轨-桥空间耦合振动分析方法进行地震下高速列车-轨道-桥梁耦合振动分析研究具有通用性强、准确性高等优点,可以很好地进行地震下车-轨-桥耦合振动研究。

地震作用下高速铁路车-轨-桥系统安全研究进展

桥梁占线比高、列车运行密度大及地震带分布范围广,使得我国高速铁路桥梁面临巨大的潜在地震威胁。目前地震下的高速铁路桥梁及桥上行车安全相关规定不够详细具体,地震下安全防控尚未将列车、轨道、桥梁作为一个大系统进行安全设防,亟待开展系统研究保障地震下高速铁路桥梁结构及桥上行车安全。针对高速铁路轨道-桥梁系统结构特性,首先介绍地震作用下高速铁路轨道-桥梁系统破坏特征和损伤机理研究现状,然后从震后高速铁路桥上轨道不平顺状态劣化机理、地震作用下高速铁路列车-轨道-桥梁系统动力分析、地震作用后桥上行车安全分析及基于性能的高速铁路桥梁抗震设计方法等几个方面阐述现有研究进展及现有研究的不足,最后针对地震下高速铁路列车-轨道-桥梁系统多状态多水准多防线安全防控急需开展系统研究的问题进行展望。

桥墩刚度对铁路车桥系统横向振动的影响

本文以车辆及车桥系统横向动力平衡反应为基础，以列车蛇行运动为激振源，计算比较了列车在地面线路上运行以及列车通过桥地列车横向动力响应的变化，并改变桥墩刚度，计算比较了桥墩刚度变化对车侨系统横向振动的影响。

列车—上承式桁梁桥横向动力分析

将列车—上承式桁梁桥作为一个耦合的整体系统进行研究 .上承式桁梁桥采用桁段有限单元模拟 ,列车采用具有 2 1个自由度的 2系弹簧车辆空间振动模型 .应用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 ,建立列车—桥梁时变系统的整体横向振动方程 ,使用机车车辆轮对或转向架实测蛇行波为激振源 ,计算了一列货物列车以 5种不同速度通过桐模甸上承式钢桁梁桥时的列车—桥梁系统的横向动力响应 .计算结果表明 :采用本文方法计算列车—桥梁系统的横向振动是切实可行的 。

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。

考虑非一致地震输入的车—桥系统动力响应分析

针对地震对列车在高速铁路桥梁上走行安全性的影响,将桥梁在地震作用下的运动方程和车辆振动方程通过桥梁子系统与车辆子系统间的非线性轮轨接触关系联系起来,建立可考虑行波效应影响的长大跨度桥梁—列车耦合系统的地震反应分析模型。利用车—桥系统地震反应分析程序,对高速列车在不同特征地震荷载作用下通过某高速铁路连续梁桥进行仿真分析,研究列车速度和地震波行波效应对车—桥系统动力响应的影响。研究结果表明:地震波行波效应对车—桥系统的振动响应有重要影响,并不总是地震波行波速度越大,车辆的动力响应的计算结果越接近一致激励时的相应值;在进行大跨度连续梁桥车—桥系统的地震反应分析时,应按桥址处的实际场地土特性考虑地震波行波效应的影响;地震荷载作用时车体的横向振动加速度以及各项安全评价指标均随列车速度的提高而增大,在评价地震作用下高速铁路连续梁桥上列车的走行安全性时,必须考虑列车运行速度的影响,给出了确保地震发生时高速列车在桥上安全运行的临界速度限值。

列车-轨道(桥梁)时变系统横向振动稳定性与失稳临界车速分析方法

基于不明原因列车脱轨机理与运动系统平衡状态稳定性分析的能量增量准则,提出了列车-轨道(桥梁)时变系统横向振动稳定性与失稳临界车速分析方法,确定了系统横向振动最大输入能量及其增量,计算了系统横向振动极限抗力做功及其增量,建立了系统横向振动稳定性评判准则,计算了系统横向振动失稳临界车速。通过算例,计算了高速列车-无砟轨道时变系统横向振动稳定性及控制高速列车安全运行的指标。计算结果表明:高速列车-无砟轨道时变系统横向振动的失稳临界车速为647.3 km.h-1,容许极限车速为517.84 km.h-1,抗脱轨安全度为1.85,因此,高速列车以350 km.h-1的车速在无砟轨道上运行是安全的。

极端温度下高速铁路钢管混凝土拱桥行车安全

研究目的:为研究温度荷载作用下桥梁结构产生的变形对桥上行车安全性的影响,以成贵高铁某钢管混凝土拱桥为研究对象,基于ANSYS建立大跨桥梁-轨道精细化有限元模型,分析不同温度荷载作用下结构变形规律。在此基础上,将桥梁-轨道结构有限元模型导入SIMPACK中进行联合仿真,构建列车-轨道-桥梁耦合振动分析模型,最后从列车运营安全性与舒适性方面讨论不同温度荷载作用和不同车速下列车动力响应指标的变化规律。研究结论:(1)桥梁上挠温致变形引起的轨道附加不平顺比下挠更不利;(2)组合温度作用下,行车安全性指标仅轮重减载率出现超限,建议将其作为高速铁路桥上行车安全的主要评价指标;(3)温度梯度是导致轮重减载率出现超限的重要原因,实际工程中分析温度作用对列车行车安全的影响时,应考虑温度梯度的作用;(4)垂向Sperling指标对温度作用十分敏感,为保障行车舒适性,列车在极端温度条件下行驶时应控制车速;(5)本研究成果可为钢管混凝土拱桥的行车安全性评价提供参考。

轨道不平顺小样本全信息表达的联合模拟方法

针对传统方法需要生成大量轨道不平顺样本才能涵盖所有随机特征,但样本数多又会导致计算效率低的问题,本文提出了一种自适应采样法(ASM)与改进的第二类随机谐和函数法(MSHF)结合的轨道不平顺模拟的联合方法。ASM自适应选取符合轨道不平顺功率谱密度函数(PSD)谱概率分布的高代表性样本点,从而减少样本数量;之后在SHF中添加一类符合谱概率分布的独立变量进行改进,通过将ASM选取的样本点代入新增变量,实现了轨道随机不平顺的时域小样本全信息表达。以车轨桥耦合系统(TTBS)随机动力分析为例,与传统一次性采样和SHF方法相比,本文方法在提高精度的同时可以减少41.67%的计算时间。

车桥耦合振动的拱桥吊杆应力冲击系数分析

基于车桥耦合振动理论及地基微波雷达现场试验,研究了高速铁路拱桥的吊杆应力冲击系数。列车和轨道-桥梁模型分别采用刚体动力学和有限元方法建立,两子系统间通过轮轨线性Hertz接触理论实现耦合。采用地基微波雷达对吊杆两端位移进行测试,分析得到桥梁动力特性、吊杆应力时程及其冲击系数。对比地基微波雷达试验数据,验证理论模型的正确性,并基于该模型分析车速、单双线行驶和轨道不平顺对吊杆应力冲击系数的影响规律。结果表明:吊杆应力冲击系数随车速的增加而增大,当车速为300km/h时车桥共振导致吊杆应力冲击系数显著增大;德国低干扰轨道谱样本对吊杆应力冲击系数影响较小,但随着轨道平顺性的劣化,吊杆应力冲击系数显著增大。